王 濤，岳亞洲，張亞崇

(西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

0 引言

景象匹配導(dǎo)航技術(shù)是利用飛行器實時采集的實時圖與預(yù)先存儲的景象基準(zhǔn)圖進行匹配計算，獲得精確定位的一項技術(shù)，在綜合導(dǎo)航、精確制導(dǎo)、視覺著陸等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1－3]。景象匹配導(dǎo)航技術(shù)的研究過程中一個主要的難點問題是實時圖的仿真。在真實的飛行條件下實時圖受到成像環(huán)境差異、系統(tǒng)噪聲干擾、相機參數(shù)誤差、飛機姿態(tài)與高度信息誤差等多種因素影響[4]，使得基準(zhǔn)圖與實時圖之間存在著灰度分布、幾何畸變、噪聲干擾、圖像質(zhì)量等差異，進而影響到最終的導(dǎo)航定位結(jié)果。景象匹配系統(tǒng)的核心技術(shù)就是通過圖像處理技術(shù)消除基準(zhǔn)圖與實時圖之間的差異，利用適當(dāng)?shù)钠ヅ浞椒?，達到精確導(dǎo)航定位的目的。在景象匹配導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)過程中，需要大量的實時圖進行理論研究與仿真驗證，如何在地面通過計算機仿真的方法模擬真實的飛行條件，獲取仿真實時圖，使實時圖包含各種誤差影響，具有重要的研究意義與使用價值。

1 實時圖獲取方法介紹

如何獲取豐富可靠的實時圖以代替飛行數(shù)據(jù)，國內(nèi)外的研究機構(gòu)進行了大量的研究與探索[5－6]，希望獲得的實時圖與飛行數(shù)據(jù)相比具有較高的相似度，以滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求，而且希望實時圖能夠包含各種典型地貌特征，滿足數(shù)據(jù)多樣性的要求，同時需要兼顧經(jīng)濟性與可操作性。目前主要的實時圖獲取方法有以下幾種[7－9]：

1)計算機仿真。該方法在基準(zhǔn)圖上截取一部分圖像作為實時圖，并在實時圖上進行加噪、幾何畸變等處理，模擬實時圖的各種外部干擾。該方法利用數(shù)學(xué)建模的方法模擬實時圖的干擾，具有獲取方便、操作簡單的特點。但由于實時圖的干擾因素非常復(fù)雜，各種干擾因素互相影響，目前尚無法對各種干擾因素實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模，因此導(dǎo)致模擬生成的實時圖與真實飛行條件下的實時圖具有較大的差異。

2)地面景觀沙盤。搭建地面景觀沙盤模擬地面場景，通過云臺在滑軌上運動，模擬飛機的飛行運動，相機拍攝地面景觀沙盤，從而獲取仿真實時圖。該方法通過搭建地面景觀沙盤模擬真實場景，并且考慮了飛機的運動，使得生成的模擬實時圖非常接近于真實的實時圖，但是這種仿真方法的成本較高，實現(xiàn)起來較為困難，并且擴展性較差，景觀沙盤只能展現(xiàn)特定的部分地貌特征，無法滿足實時圖需要包含各種地貌特征的多樣性要求。

圖1 地面景觀沙盤仿真系統(tǒng)

3)真實飛行數(shù)據(jù)。在飛行條件下實時采集地面場景圖像，獲取真實的航拍數(shù)據(jù)。該方法的優(yōu)點是實時圖完全真實可信，可以為理論研究與方案設(shè)計提供最可靠的實驗數(shù)據(jù)，但是該方法成本很高，操作復(fù)雜，并且受飛行條件、空域限制等因素影響無法實現(xiàn)各種典型地貌特征區(qū)域的大樣本驗證，故無法推廣應(yīng)用。

2 景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)

現(xiàn)有的實時圖生成方法由于存在著各種限制與不足，為景象匹配系統(tǒng)的研發(fā)與驗證帶來了很大的困難。文中提出一種景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)方案，該方案可以模擬主要誤差因素的影響，包括成像系統(tǒng)的噪聲干擾，CCD相機參數(shù)誤差，飛機姿態(tài)與高度誤差等。與計算機仿真方法相比，該方案生成的實時圖具有非常高的真實性，滿足研究工作數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求;與地面景觀沙盤方法相比，該方案不僅保留了地面景觀沙盤方法的優(yōu)點，并且增強了系統(tǒng)的擴展性，可以任意更換基準(zhǔn)圖，理論上可以覆蓋任意區(qū)域，滿足數(shù)據(jù)多樣性要求;與真實飛行數(shù)據(jù)驗證相比，該方法具有易于實現(xiàn)，節(jié)約成本的特點，并且不受空域、地域影響，可以實現(xiàn)各種地貌條件下的大樣本驗證。

2 景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)主要包含以下部件：

1)飛行軌跡發(fā)生器。根據(jù)用戶的設(shè)定自動生成仿真實驗中飛行器的飛行軌跡，包括經(jīng)度、緯度、高度、東向速度、北向速度。

2)動態(tài)視景模擬器。主要用于參考圖的實時動態(tài)放映。在放映過程中可以模擬各種幾何畸變干擾，包括尺寸的縮放、角度的旋轉(zhuǎn)、局部遮擋;可以模擬各種外部干擾，包括噪聲干擾、光線的變化、天氣的變化等。

3)主控計算機。用于圖像的采集、處理和存儲。主要完成實時圖預(yù)處理、參考圖預(yù)處理、各種景象匹配計算、顯示最終匹配結(jié)果。

4)投影儀。將放映計算機中存儲的參考圖投射到屏幕上，模擬真實的地面場景。

5)CCD相機。實時采集屏幕上的圖像，生成模擬實時圖。

6)6自由度機械臂。6自由度機械臂能夠完成上下、左右和前后的位置移動，以及回旋、俯仰和橫擺等角位置移動。將攝像機安裝在機械臂上，由計算機控制機械臂來模擬飛行器的運動狀態(tài)，如通過機械臂帶動攝像機進行回旋、俯仰和橫擺等角位置運動來模擬飛行器的姿態(tài)變化;通過機械臂帶動攝像機進行前后、左右和上下移動來模擬飛行器的位置變化對圖像比例因子的影響。

7)姿態(tài)模擬器。根據(jù)用戶的設(shè)定自動生成仿真實驗中飛行器的姿態(tài)變化過程，包括俯仰角、橫滾角、航向角。

8)投影屏幕。顯示投影的圖像，模擬動態(tài)地面場景。

在景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)中，利用飛行軌跡發(fā)生器設(shè)定飛行器的飛行軌跡，飛行軌跡輸入到動態(tài)視景模擬器中，激勵視景模擬器將存儲的基準(zhǔn)圖通過投影儀在投影屏幕上動態(tài)放映。由于采用了基準(zhǔn)圖的動態(tài)放映技術(shù)，所以可以逼真地模擬飛行條件下的地面場景。

姿態(tài)模擬器用于設(shè)定仿真驗證過程中飛行器的姿態(tài)信息，并激勵6自由度機械臂按照設(shè)定的姿態(tài)信息進行角運動。從而模擬了飛機在飛行過程中的各種姿態(tài)變化。

主控計算機通過CCD相機采集投影屏幕的動態(tài)視景，進行景象匹配導(dǎo)航計算，并輸出匹配結(jié)果。CCD相機安裝在6自由度機械臂上，隨著機械臂的姿態(tài)運動，可以拍攝各種姿態(tài)變化下的實時圖。

3 仿真驗證系統(tǒng)特點分析

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)在實時圖的獲取方法上進行了有效的改進與創(chuàng)新，與現(xiàn)有的實時圖獲取方法相比，具有明顯的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾點。

3.1 實時圖的準(zhǔn)確性

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)可以模擬實時圖的各種外部干擾，使得生成的實時圖與真實的飛行數(shù)據(jù)相比具有非常高的相似性。各種外部干擾可以通過以下方法實現(xiàn)：

1)外界環(huán)境引起的亮度差異。在試驗中為了較為真實地反映外界環(huán)境造成的亮度差異，驗證算法的有效性，設(shè)計了多種的光照條件，如強光環(huán)境，弱光環(huán)境，不均勻的光照環(huán)境等。

2)相機參數(shù)引起的干擾。包括光圈、焦距等的調(diào)節(jié)所引起圖像品質(zhì)的變化。

3)噪聲。在地面景象仿真圖中加入的高斯白噪聲;CCD攝像機、圖像采集卡本身以及信號傳輸過程包含的各種固有噪聲;其他外界環(huán)境產(chǎn)生的各種難以估計的噪聲。

4)運動模糊。為了模擬飛行狀態(tài)下的成像環(huán)境，在地面景象仿真圖中加入5個像素的運動模糊處理，模擬飛行器裝備的CCD攝像機在飛行過程中拍攝的實時圖。

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)由于引入了真實的成像傳感器，相對于計算機仿真來說更加接近于實際工作情況，可以為景象匹配關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)方案設(shè)計提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

3.2 飛機運動的模擬

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)可以模擬飛行器在運動狀態(tài)下對實時圖的影響，包括飛行器的線運動與角運動。仿真系統(tǒng)采用了動態(tài)視景模擬器，可以實時動態(tài)放映基準(zhǔn)圖，逼真再現(xiàn)了飛行器的直線運動條件下的地面場景;利用6自由度機械臂帶動攝像機進行回旋、俯仰和橫擺等角位置運動，從而模擬飛行器的姿態(tài)變化對實時圖的影響。

3.3 多樣性與經(jīng)濟性

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)采用動態(tài)放映基準(zhǔn)圖的方法來模擬飛行器飛行狀態(tài)下的地面場景，基準(zhǔn)圖可以任意更換，因此實時圖可以包含任意區(qū)域，任意地貌特征，保證了實時圖的多樣性。同時由于實時圖是在實驗室仿真得到的，不需要進行飛行實驗，不受空域限制，大幅度降低了獲取的成本，滿足了經(jīng)濟性要求。

3.4 時間同步與空間對準(zhǔn)

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)包含多個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)的協(xié)同工作對時間的同步以及空間的對準(zhǔn)提出了嚴(yán)格的要求。在該仿真系統(tǒng)中主控計算機采用了多線程實時控制技術(shù)實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的時間同步控制，并將瞬時信息同步采集到主控計算機中進行處理;在投影屏幕的后方建立攝像機高精度標(biāo)定場。利用高精度標(biāo)定技術(shù)不僅對相機的內(nèi)外參數(shù)完成了標(biāo)定，而且實現(xiàn)了對攝像機坐標(biāo)系、屏幕坐標(biāo)系和6自由度機械臂坐標(biāo)系的統(tǒng)一，為實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位提供技術(shù)保障。

4 結(jié)論

景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)可以在地面真實的模擬飛行器運動狀態(tài)下相機的工作環(huán)境，生成的實時圖不僅包括成像系統(tǒng)自身的噪聲影響，相機參數(shù)誤差的干擾，而且通過控制相機的姿態(tài)變化，可以使實時圖包含姿態(tài)變化帶來的畸變干擾，生成的實時圖非常接近于真實的飛行數(shù)據(jù)，可以為景象匹配導(dǎo)航系統(tǒng)的理論研究提供充實的試驗數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有的仿真驗證系統(tǒng)相比，文中提出的景象匹配導(dǎo)航仿真驗證系統(tǒng)方案在經(jīng)濟性、擴展性、操作性方面都有較為明顯的提高，可以為景象匹配導(dǎo)航系統(tǒng)提供有效的仿真驗證環(huán)境。

[1]趙倩，許家棟，袁健全，等.基于高程選擇的SAR景象匹配系統(tǒng)基準(zhǔn)圖選擇準(zhǔn)則[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29(6)：253－255.

[2]陳方，熊智，許允喜，等.慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速景象匹配算法研究[J].宇航學(xué)報，2009，30(6)：2308－2316.

[3]I A J Davison，I Reid，N Molton，et al.MonoSLAM：Realtime single camera SLAM[J].IEEE Transactions on Patterns Analysis and Machine Intelligence，2007，29(6)：1052－1067.

[4]于起峰，尚洋.攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研究[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]胡禮勇，繆棟，楊小岡.景象匹配實時圖模擬生成中幾何畸變的建模與仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2006，26(2)：743－745.

[6]楊小岡，曹菲，黃先祥，等.景像匹配仿真中實時圖的仿真生成[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22(5)：1270－1273.

[7]王艷麗，李鐵軍，陳哲.景像匹配導(dǎo)航系統(tǒng)全局仿真技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16(1)：108－112.

[8]艾浩軍，胡瑞敏.景像匹配仿真的一種新方法[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2001，26(3)：261－265.

[9]唐偉龍，陳哲.基于高速局域網(wǎng)的MIF仿真平臺總體框架設(shè)計[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2005，25(2)：470－472.