图象匹配导航

图像匹配导航系统航天学院图像匹配导航系统概述地形辅助导航（TAN）TERCOM系统TERCOM系统的特点TERCOM系统工作步骤•地球表面的山川、平原、森林、河流、海湾、建筑物等构成了地表特征性状，这些信息一般不随时间和气候的变化而变化，也难以伪装和隐蔽。利用这些地表特征信息进行的导航方式称为图像匹配导航。导航原理：•预先将飞行器经过的地域，通过大地测量、航空摄影、卫星摄影或已有的地形图等方法将地型数据（主要是地形位置和高度数据）制作成数字化地图，储存在飞行器的计算机中，这种地图称为原图。飞行器在飞越已经数字化的预定空域时，其上的探测设备再次对该区域进行测量（录取），取得实际的地表特征图像，将实时图与预先存储的原图进行比较，由此可以确定飞行器实际飞行的地理位置与标准位置的偏差，用以对飞行器进行导航。•图像匹配导航可分为地形匹配导航和景象匹配导航两种。•地形匹配导航是以地形高度轮廓为匹配特征，通常用无线电高度表测量沿航迹的高度数据，与预先获得的航道上的区域地形数据比较，若不一致，表明偏离了预定的飞行航迹。这种方式时一维匹配导航，适合于山丘地形的飞行。•景象匹配导航是以一定匹配的地表特征，采用摄像等图像成像装置录取飞行轨迹周围或目标附近地区地貌，与存储在飞行器上的原图比较，进行匹配导航。景象匹配属于二维匹配导航，可以确定飞行器两个坐标的偏差，适合于平坦地区导航。图像匹配导航系统概述返回目录数字地图：•数字地图是地形匹配导航和景象匹配导航的关键数据原图，地形匹配时由计划飞行航线的地形轮廓高度形成，景象匹配时由计划飞行航迹或目标附近的二维网格地图形成。•把实际的地形图分成若干个小方块，称为网络划分。通常按照经纬度方向划分成等间隔网格，网格越小精度越高，同时数据量也越大，对计算机的要求也越高。但网格不能划分得太大，至少能分辨出地表的地物或自然起伏，如公路、小河、房屋等。网格的位置包含了x、y两个坐标，网格中的数字表示这一格中的地面高度的平均值，这样每一个格就表示了x、y、z三维坐标，存储在计算机中的是各种的数字和每个数字对应的x、y坐标。地形匹配用的航线地形轮廓，是从这样的数字地图中沿航线提取一组数据组成的。地形匹配导航：•单纯的地形数据不能提供地理坐标位置，匹配导航必须与其他导航方式进行组合，如地形/惯性组合导航，就是由惯性导航系统提供地理位置信息，利用地形匹配修正惯性导航的误差，以提高定位精度。•地形匹配导航辅助导航系统主要由以下硬件设备组成：•惯性导航系统，提供全部导航信息；•无线电高度表，提供真实高度；•气压式高度表或大气数据系统，提供绝对高度；•导航计算机和大容量存储器，进行匹配计算和存放数字地图。•其中高度表、大气数据系统等仪表系统为导航系统提供所需的数据，而并非在导航系统中另采用一套。•在一维的地形匹配导航中，地形跟踪是主要的飞行方式，它由大气数据系统提供绝对高度，由无线电高度表探测航路上的真实高度，绝对高度减真实高度得到地形高度，沿飞行航迹的地形高度序列数据组成了高度实时图。将实时图与存储的数字地图按一定的算法进行数据处理，找出原图中与实时图最为接近的区域，则这个区域就是飞行器估计的地理位置，地形/惯性组合导航系统根据这个估计值去修正惯性导航系统的指示误差。匹配算法是相当复杂的，它对计算机由很高的要求。一般讲，实时图与原图几乎找不到完全一致的区域，通常是以一定的误差范围来判断匹配的接近程度，满足所要求的误差精度，就认为达到了匹配，原图中的相应位置既飞行器当时的地理位置。•利用地形匹配导航可以使飞行器进行地形跟踪，保持一定的真实高度。也可利用数字地图中相同地形高度进行地形回避飞行，绕过高山，在山谷中穿行。地形跟踪和地形回避是军用飞机低空突防的隐蔽飞行方式，并可保证低空飞行的安全高度景象匹配导航：•景象匹配原理与地形匹配是类似的，两者的差别在于，景象匹配是在一定范围内，将实时图与网络化的数字地图逐格进行匹配，找出原因与实时图相似度最大的部分区域，来估计飞行器的地理位置。•景象匹配导航通常用在导弹的制导中。巡航导弹和弹道导弹在经过远距离飞行，到达目标区后，采用景象匹配技术进行末制导，修正飞行轨迹和偏差。•图像匹配导航需要在使用前预先制作大量数字化地图。对于导弹这样的武器系统，在出厂时是无法预先知道在哪里使用的，必须在使用前临时安装航线和目标附近的数字化地图。导弹可以从水面舰艇发射，也可以从潜艇发射。导弹在海面上采用惯性制导系统，按程序控制飞行。进入陆地后巡航高度在60m以下，在崎岖山区可增至150m，这时采用地形匹配导航，进行航线修正和地形回避。进入目标区后，采用景象匹配进行目标末制导，精确修正飞行轨迹，使命中精度达到几米。TAN是利用地形和地物特征进行导航的总概念。它和卫星导航、惯性导航等构成了当今重要的军事导航技术领域。在这个总概念下，发达国家已研制了多种不同的TAN系统。地形辅助导航TAN地形轮廓匹配TERCOM惯性地形辅助导航SITAN地形参考导航TRN地形剖面匹配TERPROM地形辅助导航（TAN）返回目录传统的地形辅助导航系统主要分为两大类：一是基于地形相关的匹配算法，此类以TERCOM(TerrainContouratching)系统为代表，该系统采用的匹配算法为断续的批相关处理技术；一类是基于特征相关的匹配算法，此类以SITAN(SandiaInertialTerrainAidedNavigation)系统为代表，该系统采用的匹配算法为递推滤波处理技术。称为地形轮廓匹配系统，也称为地形等高线匹配技术，是美国E系统公司于20世纪70年代研制的。该系统采用的匹配算法为断续的批相关处理技术，是批相关处理技术的典型代表。TERCOM系统通过巡航导弹飞越特定地区(称为修正区，或者匹配区)采集的实时地形剖面数据(实时图)，与预先存储的地形数据(基准图)问的相关，来获取巡航导弹的位置信息，以此为依据来修正惯导系统的误差。战场BGM-109C/D使用数量海湾253枚科索沃218枚TERCOM系统返回目录最优导航状态INS误差最优估值INS导航状态气压高度表气压/惯性滤波器雷达高度表地形高程数据库相关算法Kalman滤波器INShINS计算位置INS计算位置按实测高程计算的位置TERCOM算法，即地形轮廓匹配算法，其原理框图如下图所示。气压式高度表经惯性平滑后所得绝对高度和雷达高度表实测相对高度相减得到实际高程剖面或序列，与根据INS位置信息和地形高程数据库所得的计算地形高程剖面（序），按一定算法作相关分析，所得相关极值点（即有最好拟合的点）对应的位置就是匹配后的真实位置。再采用卡尔曼滤波技术，与GPS/INS的位置组合模式类似，利用位置误差的观测量对INS位置误差、速度误差、陀螺漂移误差以及平台误差角做出估计，从而对INS的导航状态进行修正，得到最优导航状态。最优导航状态INS误差最优估值INS导航状态气压高度表气压/惯性滤波器雷达高度表地形高程数据库相关算法Kalman滤波器INShINS计算位置INS计算位置按实测高程计算的位置TERCOM系统的特点TERCOM系统的特点主要是由它的算法来决定的。TERCOM系统具有以下特点：(1)该系统对地形的要求比较严格，在修正区，地形不仅要有大的信噪比，而且必须足够独特。(2)具有自主式、全天候优点，应用比较广泛。(3)不需要对搜索区域内的地形作线性或高斯分布这样的假设，要做的唯一假设就是每一个剖面都与后续的剖面无关。(4)TERCOM算法要在获得一串地形高程序列之后才能进行，属于后验估计或批处理方法，因此，实时性比较差，一般每隔几公里才能做一次相关定位。在各次修正之间导航系统的位置误差将会进一步增长。(5)该系统对航向误差比较敏感，它在定位的过程中不能进行机动飞行。(6)存在等于搜索间隔(格网间隔)一半的量化误差，通常情况下使用小的搜索间隔能够减小这种误差，但是这样会增加计算处理的工作量。(7)如果地形特征比较独特，而且搜索范围又足够大，则该系统在任何初始位置误差的情况下都能工作。返回目录TERCOM系统工作步骤(1)实测地形高程剖面巡航导弹飞行时，雷达高度表和气压高度表按一定的频率采集当前位置的离地高度和海拔高度，二者相减即得地形高程。当巡航导弹飞过一段积累距离之后，即获得一条实测的地形高程剖面。积累距离L是TERCOM系统每次修正所用的飞行路径的长度，它是TERCOM算法的一个重要参数。积累距离L的选择必须满足一定的条件，积累距离要选的足够长，这样实测地形剖面的特征才会明显，才有可能在相关分析中获得一个精确的、唯一的极值点；同时，积累长度又要选的足够短，以便使各次定位之间的漂移保持最小，积累长度过长会使导航系统指示的飞行路径变形。一般情况下，积累长度与地形相关长度之比至少应等于4，在高噪声环境下最好接近10。返回目录(2)从地图中提取剖面获得实测地形剖面后，即以导航系统估算的最后位置为中心画出一个选定大小的网格化的不确定区域，该不确定区域的大小应根据导航系统的误差幅度来确定，以确保巡航导弹的真实位置位于该区域之中。依次将不确定区域内的每个网格点视为端点，从数字地图中提取一条与导航系统指示位置相平行的地形剖面，获得的地形剖面的数目等于不确定区域内的网格个数。(3)相关分析相关分析主要是确定一种性能指标，用以检验从数字地图中提取的各地形剖面与实测地形剖面的相关程度，从中选出相关程度最高的一条作为最佳匹配剖面。有三种算法可作为性能指标。它们是互相关(COR—CrossCorrelation)算法、平均绝对差(MAD—MeanAbsoluteDiference)算法以及均方差(MSD—MeanSquareDifference)算法。这三种算法的定义分别为：(4)修正导航系统在获得相关定位之后，即可对导航系统进行修正，方法就是重新把导航系统的位置指示修正到相关定位点。