一種實用的景象匹配導航仿真驗證系統*

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

景象匹配導航技術是利用飛行器實時采集的實時圖與預先存儲的景象基準圖進行匹配計算，獲得精確定位的一項技術，在綜合導航、精確制導、視覺著陸等領域有著廣泛的應用[1－3]。景象匹配導航技術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境差異、系統噪聲干擾、相機參數誤差、飛機姿態與高度信息誤差等多種因素影響[4]，使得基準圖與實時圖之間存在著灰度分布、幾何畸變、噪聲干擾、圖像質量等差異，進而影響到最終的導航定位結果。景象匹配系統的核心技術就是通過圖像處理技術消除基準圖與實時圖之間的差異，利用適當的匹配方法，達到精確導航定位的目的。在景象匹配導航系統的研發過程中，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據，國內外的研究機構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據相比具有較高的相似度，以滿足數據準確性的要求，而且希望實時圖能夠包含各種典型地貌特征，滿足數據多樣性的要求，同時需要兼顧經濟性與可操作性。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。該方法利用數學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準確的數學建模，因此導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，實現起來較為困難，并且擴展性較差，景觀沙盤只能展現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

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

2 景象匹配導航仿真驗證系統

現有的實時圖生成方法由于存在著各種限制與不足，為景象匹配系統的研發與驗證帶來了很大的困難。文中提出一種景象匹配導航仿真驗證系統方案，該方案可以模擬主要誤差因素的影響，包括成像系統的噪聲干擾，CCD相機參數誤差，飛機姿態與高度誤差等。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，滿足研究工作數據準確性要求;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點，并且增強了系統的擴展性，可以任意更換基準圖，理論上可以覆蓋任意區域，滿足數據多樣性要求;與真實飛行數據驗證相比，該方法具有易于實現，節約成本的特點，并且不受空域、地域影響，可以實現各種地貌條件下的大樣本驗證。

2 景象匹配導航仿真驗證系統結構圖

景象匹配導航仿真驗證系統主要包含以下部件：

1)飛行軌跡發生器。根據用戶的設定自動生成仿真實驗中飛行器的飛行軌跡，包括經度、緯度、高度、東向速度、北向速度。

2)動態視景模擬器。主要用于參考圖的實時動態放映。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、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。主要完成實時圖預處理、參考圖預處理、各種景象匹配計算、顯示最終匹配結果。

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

8)投影屏幕。顯示投影的圖像，模擬動態地面場景。

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

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

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

3 仿真驗證系統特點分析

景象匹配導航仿真驗證系統在實時圖的獲取方法上進行了有效的改進與創新，與現有的實時圖獲取方法相比，具有明顯的優點，主要體現在以下幾點。

3.1 實時圖的準確性

景象匹配導航仿真驗證系統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據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：

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

2)相機參數引起的干擾。包括光圈、焦距等的調節所引起圖像品質的變化。

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;其他外界環境產生的各種難以估計的噪聲。

4)運動模糊。為了模擬飛行狀態下的成像環境，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。

景象匹配導航仿真驗證系統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，可以為景象匹配關鍵技術研究與系統方案設計提供可靠的實驗數據。

3.2 飛機運動的模擬

景象匹配導航仿真驗證系統可以模擬飛行器在運動狀態下對實時圖的影響，包括飛行器的線運動與角運動。仿真系統采用了動態視景模擬器，可以實時動態放映基準圖，逼真再現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變化對實時圖的影響。

3.3 多樣性與經濟性

景象匹配導航仿真驗證系統采用動態放映基準圖的方法來模擬飛行器飛行狀態下的地面場景，基準圖可以任意更換，因此實時圖可以包含任意區域，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，滿足了經濟性要求。

3.4 時間同步與空間對準

景象匹配導航仿真驗證系統包含多個子系統，各個子系統的協同工作對時間的同步以及空間的對準提出了嚴格的要求。在該仿真系統中主控計算機采用了多線程實時控制技術實現對各子系統的時間同步控制，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定場。利用高精度標定技術不僅對相機的內外參數完成了標定，而且實現了對攝像機坐標系、屏幕坐標系和6自由度機械臂坐標系的統一，為實現系統的精確定位提供技術保障。

4 結論

景象匹配導航仿真驗證系統可以在地面真實的模擬飛行器運動狀態下相機的工作環境，生成的實時圖不僅包括成像系統自身的噪聲影響，相機參數誤差的干擾，而且通過控制相機的姿態變化，可以使實時圖包含姿態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據，可以為景象匹配導航系統的理論研究提供充實的試驗數據。與現有的仿真驗證系統相比，文中提出的景象匹配導航仿真驗證系統方案在經濟性、擴展性、操作性方面都有較為明顯的提高，可以為景象匹配導航系統提供有效的仿真驗證環境。

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