海上目标位置测量方法
阅读说明：本技术 海上目标位置测量方法 (Offshore target position measuring method ) 是由 余毅 李铭扬 张涛 陈忠 郭鑫 王成 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种海上目标位置测量方法,包括以下步骤：S1连续测量第一测量船、第二测量船和合作靶船的大地坐标；S2将第一测量船、第二测量船和合作靶船的大地坐标转换成地心直角坐标；计算合作靶船的理论俯仰角和方位角；S3通过第一测量船第二测量船拍摄图像,根据像素点分别计算被测目标水平脱靶量和垂直脱靶量；S4计算被测目标的理论俯仰角和方位角；S5构建第一圆锥体相交方程和第二圆锥体相交方程；S6建立球面方程；S7构建迭代求解模型,计算得到被测目标的坐标。本发明无需使用平台局部基准,利用圆锥交会测量系统,简化现有摄影测量学后方交会的测量模式,为海上目标落点的测量系统提供一种简单、便捷、精确的测量方法。(The invention provides a method for measuring the position of an offshore target, which comprises the following steps: s1 continuously measuring geodetic coordinates of the first measuring ship, the second measuring ship and the cooperative target ship; s2, converting the geodetic coordinates of the first survey ship, the second survey ship and the cooperative target ship into geocentric rectangular coordinates; calculating a theoretical pitch angle and an azimuth angle of the cooperative target ship; s3, shooting images through the first measuring vessel and the second measuring vessel, and respectively calculating the horizontal miss distance and the vertical miss distance of the measured object according to pixel points; s4, calculating a theoretical pitch angle and an azimuth angle of the measured target; s5, constructing a first cone intersection equation and a second cone intersection equation; s6, establishing a spherical equation; and S7, constructing an iterative solution model, and calculating to obtain the coordinates of the measured target. According to the invention, a local reference of a platform is not needed, a cone intersection measurement system is utilized, the measurement mode of the existing photogrammetry rear intersection is simplified, and a simple, convenient and accurate measurement method is provided for a measurement system of a marine target landing point.)
技术领域
本发明涉及目标位置测量领域，特别涉及海上目标位置测量方法。
背景技术
传统的海上目标位置测量方法主要是在沿岸海域进行，沿岸海域在天气较好、风浪较小的时候测量通常使用光学仪器，因测量船摇摆不定，放置在靶船平台上的经纬仪，无法直接由经纬仪轴角编码器解算出摄像机外方元素中的欧拉角；目前采用的主要测量手段包括雷达测距，激光测距，光学测量。由于装载测量仪器的舰船在海浪、海风作用下存在船摇，因此在海面上雷达和激光测距在海洋测量精度远低于陆地测量定位精度，且光学测量需要配置局部基准用于对船摇时产生的偏航、俯仰、横滚三个角度的测量，成本很高。为了提高测量精度，采用光学交会定位，降低外在环境对系统的影响，提出基于圆锥角交会的高精度目标位置测量方法具有重要研究意义。
发明内容
本发明为解决的问题，提供一种海上目标位置测量方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种海上目标位置测量方法，包括以下步骤：
S1、利用船载卫星定位系统，对应时间点连续测量第一测量船、第二测量船和合作靶船的大地坐标；
S2、将第一测量船、第二测量船和合作靶船的大地坐标转换成地心直角坐标；对应时间点连续计算合作靶船的指定目标点分别对于第一测量船和第二测量船的理论俯仰角和方位角；
S3、通过第一测量船承载的第一摄像机和第二测量船承载的第二摄像机来拍摄图像，第一摄像机和第二摄像机采用相同焦距实时拍摄被测目标和合作靶船的图像，分别得到同时包含合作靶船和被测目标的第一图像和第二图像；在第一图像和第二图像中，根据像素点分别计算被测目标相对于第一图像的中心、第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量；
S4、根据合作靶船分别对于第一测量船和第二测量船的理论俯仰角和方位角、被测目标相对于第一图像的中心、第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量，分别计算被测目标相对于第一测量船和第二测量船的理论俯仰角和方位角；计算以第一摄像机位置为顶点，以与被测目标的指定目标点连线和与合作靶船的指定目标点连线为两边的第一夹角；计算以第二摄像机位置为顶点，以与被测目标的指定目标点连线和与合作靶船的指定目标点连线为两边的第二夹角；
S5、根据第一夹角、第二夹角、第一测量船的地心直角坐标、第二测量船的地心直角坐标和合作靶船的地心直角坐标构建第一圆锥体相交方程和第二圆锥体相交方程；
S6、根据第一图像和第二图像，按照像素点分析并取整得出合作靶船的高程和被测目标的高程，再结合合作靶船的地心直角坐标建立球面方程；
S7、根据第一圆锥体相交方程、第二圆锥体相交方程和球面方程，分别导入与各个时间点相对应的第一测量船的地心直角坐标、第二测量船的地心直角坐标、合作靶船的地心直角坐标、第一夹角、第二夹角、合作靶船的高程和被测目标的高程，构建出迭代求解模型，计算后得到被测目标的地心直角坐标。
优选地，在步骤S2中，合作靶船的指定目标点是由合作靶船在图像中成像的形心来确定；计算合作靶船的指定目标点分别对于第一测量船和第二测量船的方位角和理论俯仰角的公式为：
其中，(X1,Y1,Z1)为第一测量船C1的地心直角坐标，(X2,Y2,Z2)为第二测量船C2的地心直角坐标，(X3,Y3,Z3)为合作靶船B3的地心直角坐标，EC1为合作靶船对于第一测量船的理论俯仰角，AC1为合作靶船对于第一测量船的方位角，EC2为合作靶船对于第二测量船的理论俯仰角，AC2为合作靶船对于第二测量船的方位角。
优选地，在步骤S4中，分别计算被测目标相对于第一测量船和第二测量船的方位角和理论俯仰角及计算第一夹角和第二夹角的公式为：
其中，(xt1，yt1)为被测目标相对于第一图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量，(xt2，yt2)为被测目标相对于第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量，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为被测目标相对于第一测量船的理论俯仰角，A1为被测目标相对于第一测量船的方位角，E2为被测目标相对于第二测量船的理论俯仰角，A2为被测目标相对于第二测量船的方位角，θ1为第一夹角，θ2为第二夹角。
优选地，在步骤S5中，第一圆锥体相交方程和第二圆锥体相交方程为：
其中，(X，Y，Z)代表被测目标的地心直角坐标，均为未知量。
优选地，在步骤S6中，所述球面方程为：
其中，HB3为合作靶船的高程，HHB为被测目标的高程。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)本发明克服了经纬仪放置在靶船平台上，无法直接由经纬仪轴角编码器解算出摄像机外方元素中的欧拉角问题，解决了未知目标在没有卫星定位辅助下，无法解算出目标落点坐标的问题。
(2)由于装载经纬仪的舰船在海浪、海风作用下存在船摇，这将影响经纬仪对目标的跟踪，在常规方案中，需要采用较高精度的平台局部基准系统用于对船摇产生的偏航、俯仰、横滚三个角度的测量，并将测得数据经过处理后传至伺服跟踪分系统，实现对目标的稳定跟踪，而本发明无需使用平台局部基准。
(3)在没有光电经纬仪设备时，本发明可以采用摄像机拍摄，简化了系统，节省了成本。
(4)本发明利用圆锥交会测量方法，简化现有摄影测量学后方交会的测量模式，为海上目标落点的测量系统提供一种简单、便捷、精确的测量方法。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的海上目标位置测量方法的流程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的海上目标位置测量方法的二维平面示意图；
其中的附图标记包括：第一测量船C1、第二测量船C2、合作靶船B3、被测目标HB、第一夹角θ1、第二夹角θ2。
具体实施方式
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。
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。
下面结合图1和图2对本发明的具体工作方式进行详细说明：
本发明提供一种海上目标位置测量方法，具体包括以下步骤：
S1、利用船载卫星定位系统，对应时间点连续测量第一测量船C1、第二测量船C2和合作靶船B3的大地坐标。
因为第一测量船C1、第二测量船C2和合作靶船B3在海上连续航行，船载卫星定位系统显示的三个船的大地坐标也一直发生变化，因此需要对应测量的具体时间点，来连续记录此时三个船的具体大地坐标。
S2、将第一测量船C1、第二测量船C2和合作靶船B3的大地坐标转换成地心直角坐标；对应时间点连续计算合作靶船B3的指定目标点分别对于第一测量船C1和第二测量船C2的理论俯仰角和方位角。
针对相同时间测量得到的一组第一测量船C1、第二测量船C2和合作靶船B3的大地坐标，将三个船的大地坐标转换成地心直角坐标的方式如下：
大地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。
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。
同一参考椭球下，大地坐标(B,L,H)和地心直角坐标(x,y,z)的转换公式如下：
其中：N为椭圆体卯酉圈曲率半径，
a为地球椭球的长半轴：a＝6378137m
b为地球椭球的短半轴：b＝6356752m
e为第一偏心率：e＝1/298.257
利用上述大地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C1(X1,Y1,Z1)、C2(X2,Y2,Z2)、B3(X3,Y3,Z3)。
合作靶船B3的指定目标点是由合作靶船B3在图2中成像的形心来确定。
计算合作靶船B3的指定目标点分别对于第一测量船C1和第二测量船C2的方位角和理论俯仰角的公式为：
其中，(X1,Y1,Z1)为第一测量船C1的地心直角坐标，(X2,Y2,Z2)为第二测量船C2的地心直角坐标，(X3,Y3,Z3)为合作靶船B3的地心直角坐标，EC1为合作靶船B3对于第一测量船C1的理论俯仰角，AC1为合作靶船B3对于第一测量船C1的方位角，EC2为合作靶船B3对于第二测量船C2的理论俯仰角，AC2为合作靶船B3对于第二测量船C2的方位角。
利用上述公式，算出此时合作靶船B3的指定目标点对于第一测量船C1的理论俯仰角EC1，合作靶船B3的指定目标点对于第一测量船C1的方位角AC1，合作靶船B3的指定目标点对于第二测量船C2的理论俯仰角EC2，合作靶船B3的指定目标点对于第二测量船C2的方位角AC2。
S3、通过第一测量船C1承载的第一摄像机和第二测量船C2承载的第二摄像机来拍摄图像，第一摄像机和第二摄像机采用相同焦距实时拍摄被测目标HB和合作靶船B3的图像，分别得到同时包含合作靶船B3和被测目标HB的第一图像和第二图像；在第一图像和第二图像中，根据像素点分别计算被测目标HB相对于第一图像的中心、第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量。
在本发明的实施例中，因第一摄像机和第二摄像机视场较大，所以尽可能使被测目标HB的落点和合作靶船B3成像在视场的中心区域，对应时间点实时记录目标图像序列。
在所得图像中，以被测目标HB成像的形心为指定目标点，以图像中心为原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，根据像素点和图像视场大小的比例关系，计算出被测目标HB相对于图像中心的水平脱靶量和垂直脱靶量。
通过上述过程，对应时间点求得被测目标HB相对于第一图像的中心的水平脱靶量xt1和垂直脱靶量yt1，记为(xt1，yt1)；被测目标HB相对于第二图像的中心的水平脱靶量xt2和垂直脱靶量yt2，记为(xt2，yt2)。
S4、根据合作靶船B3分别对于第一测量船C1和第二测量船C2的理论俯仰角和方位角、被测目标HB相对于第一图像的中心、第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量，分别计算被测目标HB相对于第一测量船C1和第二测量船C2的理论俯仰角和方位角；计算以第一摄像机位置为顶点，以与被测目标HB的指定目标点连线和与合作靶船B3的指定目标点连线为两边的第一夹角θ1(如图2)；计算以第二摄像机位置为顶点，以与被测目标HB的指定目标点连线和与合作靶船B3的指定目标点连线为两边的第二夹角θ2(如图2)。
分别计算被测目标HB相对于第一测量船C1和第二测量船C2的方位角和理论俯仰角及计算第一夹角θ1和第二夹角θ2的公式如下：
其中，(xt1，yt1)为被测目标HB相对于第一图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量；(xt2，yt2)为被测目标HB相对于第二图像的中心的水平脱靶量和垂直脱靶量；α1和α2为计算中的替代过程量，无实际意义；f为第一摄像机和第二摄像机采集图像时的焦距，E1为被测目标HB相对于第一测量船C1的理论俯仰角，A1为被测目标HB相对于第一测量船C1的方位角，E2为被测目标HB相对于第二测量船C2的理论俯仰角，A2为被测目标HB相对于第二测量船C2的方位角，θ1为第一夹角，θ2为第二夹角。
S5、根据第一夹角θ1、第二夹角θ2、第一测量船C1的地心直角坐标(X1,Y1,Z1)、第二测量船C2的地心直角坐标(X2,Y2,Z2)和合作靶船B3的地心直角坐标(X3,Y3,Z3)，构建第一圆锥体相交方程和第二圆锥体相交方程。
第一圆锥体相交方程和第二圆锥体相交方程如下：
其中，(X，Y，Z)代表此时被测目标HB的地心直角坐标，均为待求的未知量。
S6、根据第一图像和第二图像，按照像素点分析并取整得出合作靶船B3的高程HB3和被测目标HB的高程HHB，再结合合作靶船B3的地心直角坐标(X3,Y3,Z3)建立球面方程。
由已知的合作靶船B3的大地坐标可知合作靶船B3的高程HB3，结合得到的同时包含合作靶船B3和被测目标HB的第一图像和第二图像，以合作靶船B3和被测目标HB在图像中成像的形心为指定目标点，根据两个指定目标点在图像中竖直方向的像素点的间隔，估值取整计算出被测目标HB的高程HHB。
在本发明的实施例中，相对于地球半径的大小，合作靶船B3和被测目标HB的高程差很小，其对整体的计算结果影响微乎其微，因此，在求被测目标HB的高程HHB时，人为结合图像粗略取整估值即可。
根据空间直角坐标系，将地球近似为球体，由于被测目标HB及合作靶船B3都处于海平面上，且合作靶船B3和被测目标HB落点距离较近，地球的赤道周长约为40075千米,远远大于在海平面上试验的范围，因此，被测目标HB及合作靶船B3在地球上可近似为在一个平面内，两者距离地球球心的距离近似相同，即被测目标HB和合作靶船B3距离地球球心的距离等于地球半径，满足了球坐标方程。利用该球坐标方程，舍弃了无法直接由经纬仪轴角编码器解算出的摄像机外方位角元素，简化了摄影测量学后方交会测量模式。
为了减小球坐标方程的误差，应去掉被测目标HB和合作靶船B3的高程差。
被测目标HB(X,Y,Z)到球心距离为：
合作靶船B3(X3,Y3,Z3)到球心距离为：
去掉动态目标HB和合作靶船B3的高程差，所述球面方程为：
其中，(X，Y，Z)代表此时被测目标HB的地心直角坐标，均为待求的未知量。
S7、根据第一圆锥体相交方程(1)、第二圆锥体相交方程(2)和球面方程(3)，分别导入与各个时间点相对应的第一测量船C1的地心直角坐标(X1,Y1,Z1)、第二测量船C2的地心直角坐标(X2,Y2,Z2)、合作靶船B3的地心直角坐标(X3,Y3,Z3)、第一夹角θ1、第二夹角θ2、合作靶船B3的高程HB3和被测目标HB的高程HHB，构建出迭代求解模型，计算后得到被测目标HB的地心直角坐标。
在本发明的实施例中，设定选取合作靶船B3的航行距离，为了保证准确性，选取合作靶船B3的航行距离为在被测目标HB的1千米范围内。根据测量方法原理，利用软件WolframMathematica12，遍历实验数据，将每个时间段数据进行处理，设定第一圆锥体相交方程(1)、第二圆锥体相交方程(2)和球面方程(3)作为约束条件，构建迭代求解模型，计算出被测目标HB的地心直角坐标。
得出被测目标HB的地心直角坐标后，可将地心直角坐标转换成站心坐标。转换成站心坐标后，可以直接根据合作靶船B3的位置，标定记录被测目标HB的落点位置。
因为实际试验可能存在海平面风浪大的情况，导致观测设备存在图像丢失的问题，因此需要去除不可用的航次数据，并多记录航次数据，来保证数据库足够大。实际测量时，一般采取不同焦距f测量合作靶船B3往返路程各两个航次的数据，本发明的实施例在工程试验时采用了五个航次，验证并求出被测目标HB的地心直角坐标。
在本发明的实施例中，根据多次跑船试验，排除不稳定航向因素，去除不可用航次，在每组可用航次中，筛除个别不合理数据，每次至少取200个数据量，并将计算结果和实际已知坐标对比，发现计算出的被测目标HB的地心直角坐标的误差范围控制在5米之内的概率为75％以上，因此本发明可应用于实际工程试验。
根据本发明的实施例所得数据、合作靶船B3和被测目标HB的落点距离在200米范围内时，计算得出的坐标可以把误差范围缩小到3米内，精度更高。第一测量船C1和第二测量船C2在距离被测目标HB在6千米范围内时，经过跑船试验，采取图像数据集，多次试验验证，被测目标HB的落点位置精度在5米内。本发明的实施例采用的摄像机系统，考虑到拍摄距离等因素，应限制第一测量船C1和第二测量船C2相对于被测目标HB和合作靶船B3的距离在10千米范围内。
综上所述，本发明提出一种基于圆锥角交会法的海上目标位置测量方法。首先，本发明克服了经纬仪放置在靶船平台上，无法直接由经纬仪轴角编码器解算出摄像机外方元素中的欧拉角问题，解决了未知目标在没有卫星定位辅助下，无法解算出目标落点坐标的问题。其次，由于装载经纬仪的舰船在海浪、海风作用下存在船摇，这将影响经纬仪对目标的跟踪，在常规方案中，需要采用较高精度的平台局部基准系统用于对船摇产生的偏航、俯仰、横滚三个角度的测量，并将测得数据经过处理后传至伺服跟踪分系统，实现对目标的稳定跟踪，而本发明无需使用平台局部基准。同时，在没有光电经纬仪设备时，本发明可以采用摄像机拍摄，简化了系统，节省了成本。最后，本发明利用圆锥交会测量方法，简化了现有摄影测量学后方交会的测量模式，为海上目标落点位置的测量提供一种简单、便捷、精确的测量方法。
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。
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。
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。