海上动态目标定位系统及其定位方法与流程

1.本发明涉及海上测量领域，特别涉及一种海上动态目标定位系统及其定位方法。


背景技术：

2.随着现代经济技术的不断发展，海洋事业已经从原来的海上交通运输拓展到了海洋资源调查、海洋工程建设、海洋科学研究以及海上军事等领域。这些领域的研究，均需要对海上目标进行高精度定位，然而，海上测量由于海面存在较大的摇摆，难以获取到高精度测量结果，因此，如何提高海上目标定位精度成为海上探测领域要研究的首要问题。
3.目前常用的无线电定位法，由于海上存在反射和折射，容易产生杂波干扰，同时海面测量平台摇摆不定，所以测量结果往往不尽人意，若想提高精度，则需要更多设备辅助，以消除影响，但这样做会大大增加研究成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了一种海上动态目标定位系统及其定位方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
6.本发明提出的海上动态目标定位系统，包括：总控单元、数据处理单元、定位单元、合作目标、第一摄像机、第二摄像机；
7.第一摄像机和第二摄像机用于拍摄待测目标和合作目标的图像，分别得到同时包含合作目标和待测目标的第一图像和第二图像；
8.总控单元用于控制合作目标、第一摄像机和第二摄像机配合工作；
9.定位单元用于获取合作目标、第一摄像机和第二摄像机的大地直角坐标；
10.合作目标用于和待测目标对比测量；
11.数据处理单元通过处理第一摄像机和第二摄像机采集的图像数据以及定位单元采集的大地直角坐标得到待测目标的位置坐标；
12.数据处理单元包括：坐标转换模块、第一计算模块、修正模块、第二计算模块；
13.坐标转换模块用于分别将定位单元获取的第一摄像机、第二摄像机和合作目标的大地直角坐标转换成地心直角坐标；第一计算模块用于计算出合作目标分别相对于第一摄像机和第二摄像机的方位角和俯仰角；修正模块用于计算海天线倾斜角并修正因海面摇摆产生的误差；第二计算模块用于计算出待测目标的位置坐标。
14.优选地，第一摄像机和第二摄像机均具备自动跟踪功能，且具有用于保持第一摄像机和第二摄像机同步拍摄的同步接口；
15.当第一摄像机和第二摄像机同步拍摄时，第一摄像机和第二摄像机的拍摄焦距相同；第一摄像机和第二摄像机分别安装在两个测量船上。
16.优选地，合作目标安装在合作目标船上。
17.优选地，合作目标包括：无线通信组件、控制组件和灯组；无线通信组件用于接收
总控单元的控制信号，并传输至控制组件；控制组件用于控制灯组的工作状态；灯组作为合作目标船在图像中的定位标志。
18.优选地，定位单元包括基准站和至少三台差分站；基准站作为位置基准点安装于任一固定位置处；至少三台差分站分别安装在两个测量船以及合作目标船上；差分站用于实时获取第一摄像机、第二摄像机和合作目标的大地直角坐标。
19.优选地，总控单元包括用于传输操控指令的无线通讯组件；总控单元通过无线通讯组件的操控指令控制合作目标、第一摄像机和第二摄像机配合工作。
20.本发明提出的海上动态目标定位方法，包括以下步骤：
21.s1、总控单元控制第一摄像机和第二摄像机转向合作目标和待测目标所在海域；
22.s2、总控单元控制合作目标的灯组开启，并控制第一摄像机和第二摄像机采用相同焦距实时拍摄待测目标和合作目标的图像，分别得到同时包含合作目标和待测目标的第一图像和第二图像；同时定位单元开始实时记录第一摄像机、第二摄像机和合作目标的大地直角坐标；
23.s3、第一摄像机和第二摄像机分别将第一图像和第二图像传输至数据处理单元；同时定位单元将采集到的第一摄像机、第二摄像机和合作目标的大地直角坐标传输至数据处理单元；
24.s4、数据处理单元利用相对测量法进行数据处理，计算得到待测目标的位置坐标。
25.优选地，在步骤s4中，相对测量法包括如下步骤：
26.s401、坐标转换模块将定位单元获取的第一摄像机、第二摄像机和合作目标的大地直角坐标转换成地心直角坐标；
27.s402、第一计算模块计算出合作目标分别相对于第一摄像机和第二摄像机的方位角和俯仰角；修正模块计算海天线倾斜角，修正因海面摇摆产生的误差；
28.海天线倾斜角β的计算公式如下：
[0029][0030]
其中，a为在第一图像或第二图像中，在海天线上任取两点在水平方向上的像素差；b为在海天线上两点在垂直方向上的像素差；
[0031]
修正因海面摇摆产生的误差的修正公式如下：
[0032][0033]
其中，θ为中间过程量，β为海天线倾斜角，(x
t
′
，y
t
′
)为在图像中待测目标相对于合作目标的粗水平脱靶量和粗垂直脱靶量，(x
t
，y
t
)为修正因海面摇摆产生的误差后得到的待测目标在图像中相对于合作目标的水平脱靶量和垂直脱靶量；
[0034]
根据修正公式，修正模块分别计算得到(x
t1
，y
t1
)和(x
t2
，y
t2
)；(x
t1
，y
t1
)为在第一图
像中待测目标相对于合作目标的水平脱靶量和垂直脱靶量，(x
t2
，y
t2
)为在第二图像中待测目标相对于合作目标的水平脱靶量和垂直脱靶量；
[0035]
第一计算模块计算合作目标分别相对于第一摄像机和第二摄像机的方位角和俯仰角的公式如下：
[0036][0037]
其中，(x1,y1,z1)为第一摄像机的地心直角坐标，(x2,y2,z2)为第二摄像机的地心直角坐标，(x3,y3,z3)为合作目标的地心直角坐标，e
c1
为合作目标对于第一摄像机的俯仰角，a
c1
为合作目标对于第一摄像机的方位角，e
c2
为合作目标对于第二摄像机的俯仰角，a
c2
为合作目标对于第二摄像机的方位角；
[0038]
s403、第二计算模块根据(x
t1
，y
t1
)和(x
t2
，y
t2
)，分别计算待测目标相对于第一摄像机和第二摄像机的方位角a1、a2和俯仰角e1、e2，公式如下：
[0039][0040][0041]
其中，α1和α2为计算中的替代过程量，f为第一摄像机和第二摄像机采集图像时的焦距，e1为待测目标相对于第一摄像机的俯仰角，a1为待测目标相对于第一摄像机的方位角，e2为待测目标相对于第二摄像机的俯仰角，a2为待测目标相对于第二摄像机的方位角；
[0042]
s404、第二计算模块通过方位角a1、a2和俯仰角e1、e2计算得到待测目标的地心直角坐标，然后通过坐标转换，得到以合作目标为原点的站心坐标；
[0043]
待测目标的地心直角坐标(x,y,z)中的x坐标和z坐标的计算公式如下：
[0044][0045]
待测目标的地心直角坐标(x,y,z)中的y坐标的计算公式如下：
[0046][0047]
本发明能够取得以下技术效果：
[0048]
本发明利用海天线倾斜角修正海面摇摆误差，解决了由于海面上目标位置测量平台存在摇摆造成结果误差较大的技术问题；本发明还提出相对测量法，并通过与图像判读技术相结合来对海上动态目标位置进行定位，提高了海上动态目标位置的测量精度。
附图说明
[0049]
图1是根据本发明实施例的海上动态目标定位系统的结构示意图；
[0050]
图2是根据本发明实施例的海上动态目标定位方法的流程图；
[0051]
图3是根据本发明实施例的待测目标的脱靶量因海面摇摆产生误差的示意图；
[0052]
图4是根据本发明实施例的海天线倾斜角的示意图。
[0053]
其中的附图标记包括：待测目标1、第一摄像机2、第二摄像机3、合作目标4、海天线5。
具体实施方式
[0054]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0055]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0056]
下面结合图1到图4对本发明的具体工作方式进行详细说明：
[0057]
图1示出了海上动态目标定位系统的具体结构；
[0058]
如图1所示，本发明提出一种海上动态目标定位系统及其定位方法，包括：第一摄像机2、第二摄像机3、合作目标4、总控单元、数据处理单元、定位单元；
[0059]
第一摄像机2和第二摄像机3用于采集包含合作目标4和待测目标1的图像，分别得到同时包含合作目标4和待测目标1的第一图像和第二图像。
[0060]
如图1所示，第一摄像机2和第二摄像机3均具备自动跟踪功能以及用于保持第一摄像机2和第二摄像机3同步拍摄的同步接口；当第一摄像机2和第二摄像机3同步拍摄时，第一摄像机2和第二摄像机3的拍摄焦距相同；第一摄像机2和第二摄像机3分别安装在两个测量船上。
[0061]
合作目标4用于和待测目标1对比测量。如图1所示，合作目标4安装在合作目标4船上。
[0062]
合作目标4包括：无线通信组件、控制组件和灯组；无线通信组件用于接收总控单元的控制信号，并传输至控制组件；控制组件用于控制灯组工作；灯组作为合作目标4船在图像中的定位标志。在本发明的一个实施例中，灯组选用led灯组。
[0063]
总控单元用于控制合作目标4、第一摄像机2和第二摄像机3配合工作；总控单元包括用于传输操控指令的无线通讯组件；总控单元通过无线通讯组件的操控指令来控制合作目标4、第一摄像机2和第二摄像机3配合工作。
[0064]
定位单元用于获取合作目标4、第一摄像机2和第二摄像机3的大地直角坐标。定位单元包括基准站和至少三台差分站；基准站作为位置基准点安装于任一固定位置处；至少三台差分站分别安装在两个测量船以及合作目标船上；差分站用于实时获取第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的大地直角坐标，大地直角坐标形式为(b,l,h)。
[0065]
在本发明的一个实施例中，定位单元采用bds和gps组合的方式，基准站安装于陆地固定点(如该点有大地测量成果，则使用，如没有大地测量成果，则使用基准站工作过程中积累的数据的平均值)；定位单元能够实时向外输出并记录用于事后差分的定位数据；定位单元包括3台差分站，3台差分站分别安装在两个测量船以及合作目标船上。
[0066]
数据处理单元通过处理第一摄像机2和第二摄像机3采集的图像数据以及定位单元采集的大地直角坐标得到待测目标1的位置坐标。
[0067]
数据处理单元包括：坐标转换模块、第一计算模块、修正模块、第二计算模块；
[0068]
坐标转换模块用于分别将定位单元获取的第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的大地直角坐标转换成地心直角坐标；第一计算模块用于计算出合作目标4分别相对于第一摄像机2和第二摄像机3的方位角和俯仰角；修正模块用于计算海天线倾斜角并修正因海面摇摆产生的误差；第二计算模块用于计算出待测目标1的位置坐标。
[0069]
图2示出了海上动态目标定位方法的具体流程；
[0070]
如图2所示，本发明提出的海上动态目标定位方法，其利用本发明提出的海上动态目标定位系统来实现定位，包括以下步骤：
[0071]
s1、根据实际测量需求，分别设置第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的工作参数，总控单元控制第一摄像机2和第二摄像机3转向合作目标4和待测目标1所在海域；
[0072]
s2、总控单元控制合作目标4的灯组开启，并控制第一摄像机2和第二摄像机3采用相同焦距实时拍摄待测目标1和合作目标4的图像，分别得到同时包含合作目标4和待测目标1的第一图像和第二图像；同时定位单元开始实时记录第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的大地直角坐标；
[0073]
s3、第一摄像机2和第二摄像机3将采集到的图像数据传输至数据处理单元；同时定位单元将采集到的第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的大地直角坐标传输至数据处理单元；
[0074]
s4、数据处理单元利用相对测量法进行数据处理，计算得到待测目标1的位置坐标。
[0075]
相对测量法包括如下步骤：
[0076]
s401、坐标转换模块将定位单元获取的第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的
大地直角坐标转换成地心直角坐标。
[0077]
大地直角坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地纬度、大地经度和大地高表示。大地纬度、大地经度和大地高分别用大写英文字母b、l、h表示。地面点大地纬度b：0
°
～
±
90
°
、地面点大地经度l：0
°
～360
°
或0
°
～
±
180
°
、地面点大地高h：可正可负。
[0078]
地心直角坐标系是一种惯性坐标系，原点选在地球球心，x轴沿赤道平面指向本初子午线，z轴沿地球自转轴指向北极，y轴在赤道平面内与x轴垂直并形成右手坐标系。
[0079]
坐标转换模块针对定位单元测量得到的第一摄像机2、第二摄像机3和合作目标4的大地直角坐标，将大地直角坐标转换成地心直角坐标的公式如下：
[0080]
同一参考椭球下，大地直角坐标(b,l,h)和地心直角坐标(x,y,z)的转换公式如下：
[0081][0082]
其中：n为椭圆体卯酉圈曲率半径，
[0083][0084]
a为地球椭球的长半轴：a＝6378137m
[0085]
b为地球椭球的短半轴：b＝6356752m
[0086]
e为第一偏心率：e＝1/298.257
[0087]
利用上述大地直角坐标和地心直角坐标之间的转换关系，算出此时在地心直角坐标系中的第一摄像机2的地心直角坐标(x1,y1,z1)、第二摄像机3的地心直角坐标(x2,y2,z2)、合作目标4的地心直角坐标(x3,y3,z3)。
[0088]
s402、第一计算模块计算出合作目标4分别相对于第一摄像机2和第二摄像机3的方位角和俯仰角；修正模块计算海天线倾斜角，修正因海面摇摆产生的误差。
[0089]
图4示出了海天线倾斜角β的具体位置；
[0090]
修正模块计算海天线倾斜角，修正因海面摇摆产生的误差的公式如下：
[0091]
如图4所示，计算海天线倾斜角β公式如下：
[0092][0093]
其中，a为在第一图像或第二图像中，在海天线5上任取两点在水平方向上的像素差；b为在海天线5上两点在垂直方向上的像素差；
[0094]
图3示出了待测目标1相对于合作目标4的垂直脱靶量和水平脱靶量因海面摇摆产生的误差；
[0095]
如图3所示，由于海面的摇摆，两个测量船会产生横滚角，这也是导致海面动态目标测量误差的重要因素。在本发明中，这种海面摇摆会导致图像中的待测目标1和合作目标4在像面上的成像发生倾斜，倾斜角为β，直接以此图像进行判读得到的待测目标1相对于合
作目标4的垂直脱靶量和水平脱靶量并不是真实的脱靶量，不能直接进行计算，所以要先通过修正模块计算海天线5在图像中的倾斜量，得到β值，用于海面摇摆误差的修正。
[0096]
如图3所示，修正因海面摇摆产生的误差的修正公式如下：
[0097][0098]
其中，θ为中间过程量，β为海天线倾斜角，(x
t
′
，y
t
′
)为在图像中待测目标1相对于合作目标4的粗水平脱靶量和粗垂直脱靶量，(x
t
，y
t
)为修正因海面摇摆产生的误差后得到的待测目标1在图像中相对于合作目标4的水平脱靶量和垂直脱靶量；
[0099]
修正模块计算得出在图像(第一图像或第二图像)中待测目标1相对于合作目标4的粗水平脱靶量和粗垂直脱靶量(x
t
′
，y
t
′
)的原理如下：
[0100]
在第一图像中，以待测目标1成像的形心为指定目标点，以合作目标4成像的形心为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，根据偏离原点的像素点数，计算出待测目标1相对于合作目标4成像的形心的粗水平脱靶量x
t1
′
和粗垂直脱靶量y
t1
′
，记为(x
t1
′
，y
t1
′
)；
[0101]
同理，在第二图像中，以待测目标1成像的形心为指定目标点，以合作目标4成像的形心为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，根据偏离原点的像素点数，计算出待测目标1相对于合作目标4成像的形心的粗水平脱靶量x
t2
′
和粗垂直脱靶量y
t2
′
，记为(x
t2
′
，y
t2
′
)。
[0102]
得到(x
t1
′
，y
t1
′
)和(x
t2
′
，y
t2
′
)后，根据修正公式，修正模块分别计算得到(x
t1
，y
t1
)和(x
t2
，y
t2
)；
[0103]
(x
t1
，y
t1
)为在第一图像中待测目标1相对于合作目标4的水平脱靶量和垂直脱靶量，(x
t2
，y
t2
)为在第二图像中待测目标1相对于合作目标4的水平脱靶量和垂直脱靶量。
[0104]
第一计算模块计算合作目标4分别相对于第一摄像机2和第二摄像机3的方位角和俯仰角的公式如下：
[0105][0106]
其中，(x1,y1,z1)为第一摄像机2的地心直角坐标，(x2,y2,z2)为第二摄像机3的地心直角坐标，(x3,y3,z3)为合作目标4的地心直角坐标，e
c1
为合作目标4对于第一摄像机2的
俯仰角，a
c1
为合作目标4对于第一摄像机2的方位角，e
c2
为合作目标4对于第二摄像机3的俯仰角，a
c2
为合作目标4对于第二摄像机3的方位角。
[0107]
s403、第二计算模块根据(x
t1
，y
t1
)和(x
t2
，y
t2
)，分别计算待测目标1相对于第一摄像机2和第二摄像机3的方位角a1、a2和俯仰角e1、e2，公式如下：
[0108][0109]
其中，α1和α2为计算中的替代过程量，f为第一摄像机2和第二摄像机3采集图像时的焦距，e1为待测目标1相对于第一摄像机2的俯仰角，a1为待测目标1相对于第一摄像机2的方位角，e2为待测目标1相对于第二摄像机3的俯仰角，a2为待测目标1相对于第二摄像机3的方位角。
[0110]
s404、第二计算模块通过方位角a1、a2和俯仰角e1、e2计算得到待测目标1的地心直角坐标，然后通过坐标转换，得到以合作目标4为原点的站心坐标。
[0111]
(a1,e1)，(a2,e2)唯一确定了待测目标1相对于第一摄像机2和第二摄像机3的方向，以两个摄像机为起点，向两方向发射的射线相交于一点，该点即为待测目标1的位置点，该位置点的地心直角坐标即为待测目标1的具体位置，通过计算得到待测目标1的地心直角坐标，进一步通过坐标转换，得到其以合作目标4的位置点为原点的站心系坐标，最终确定待测目标1相对于合作目标4的方向和距离。
[0112]
计算得到待测目标1的地心直角坐标的公式如下：
[0113][0114]
求解上述公式中的一元二次方程，计算得出待测目标1的地心直角坐标(x,y,z)中的x坐标和z坐标；
[0115]
计算待测目标1的地心直角坐标(x,y,z)中的y坐标的公式如下：
[0116][0117]
至此，第二计算模块计算得出待测目标1的地心直角坐标(x,y,z)，再通过坐标转
换(现有技术)，得到以合作目标4为原点的站心坐标。
[0118]
本发明的有益效果如下：经验证，当观测距离在1公里～5公里范围内时，利用本发明的测量误差可以控制在5米内，因此能有效提高海上动态目标的定位精度。
[0119]
综上所述，本发明提出了一种海上动态目标定位系统及其定位方法。本发明利用海天线倾斜角修正海面摇摆误差，解决了由于海面上目标位置测量平台存在摇摆造成结果误差较大的技术问题；本发明还提出相对测量法，并通过与图像判读技术相结合来对海上动态目标位置进行定位，提高了海上动态目标位置的测量精度。
[0120]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0121]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0122]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。