《航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书 图像匹配导航定位技术》田金文，田甜作；张天序总主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书 图像匹配导航定位技术》

【作　者】田金文，田甜作；张天序总主编

【丛书名】航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书

【页 数】 187

【出版社】 武汉：华中科学技术大学出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-5680-6007-3

【分 类】卫星导航-全球定位系统

【参考文献】 田金文，田甜作；张天序总主编. 航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书 图像匹配导航定位技术. 武汉：华中科学技术大学出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书 图像匹配导航定位技术》内容提要：

全书共分为14章，内容涵盖了可见光图像匹配、红外图像匹配和SAR图像匹配定位技术。第1章是绪论部分，全面总结自主导航技术应用需求、研究现状与发展趋势；第2章到第7章是光学图像匹配定位部分，重点研究图像匹配概念、匹配算法、匹配置信度分析等内容；第8章到第14章是SAR图像匹配定位部分，重点研究了基于图像尺度不变（SIFT）特征的SAR图像匹配、基于梯度方向图（HOG）特征的图像匹配、基于快速傅里叶变换（FFT）的快速图像匹配、SAR图像匹配飞行器定位模型及其求解方法。

《航天航空导航制导图像信息技术与系统研究丛书 图像匹配导航定位技术》内容试读

第1章绪论

卫星导航应用广泛，授时、定位精度都很高，但随着反卫星技术、电磁干扰技术的日益发展，卫星导航面临着前所未有的挑战，新型的、不依赖卫星的导航技术将成为未来的发展趋势。如美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)在2013年提出的不依赖卫星的导航计划，澳大利亚在2013年提出的洛迦塔(Locata)系统等，都是基于此原因制定的，且目前已取得了初步进展。我国虽然已经初步建立了北斗卫星导航系统，但发展不依赖卫星的导航技术仍有重要的理论意义和现实价值。随着我国空间探索的不断深入，发展新的、高精度空间飞行器的自主导航定位技术具有十分重要的战略意义。

1.1自主导航应用的需求分析

1.高级自寻飞行器的自主导航应用的需求

近年来，我国导弹技术水平不断提高，各种新型导弹不断出现。这也意味着对导航定位提出了更高要求。现代化的反导反卫星导弹要求导弹本身具有高度的自主导航定位能力，发展新的、高精度不依赖卫星的自主导航定位技术不仅具有十分重要的战略意义，也符合未来飞行器导航技术的发展方向。

2.卫星自主导航方面的需求

随着我国空间技术水平的提高，我国即将发射各种航天器。这就意味着对导航定位提出了更高要求，例如深空探测卫星就需要卫星有高度的自主导航定位能力；战时的侦察卫星（也包括无人机）也应具有自主导航定位功能。因此发展新的、高精度的卫星自主导航定位技术不仅具有十分重要的战略意义，也符合未来卫星导航技术的发展方向。

3.卫星高精度定轨方面的需求

为了满足日益增长的高定位精度目标图像的需求，也为了提高卫星本身的控制精度，发展高精度的卫星姿态测量技术和高精度的位置测量技术是非常必要的。如在深空探测卫星中，若卫星的指向精度低于0.01°，地面很可能就接收不到卫星发回来的无线电信息。因此提高卫星控制的精度是十分重要的。

4.目标图像（影像）高精度定位的需求

随着卫星影像的应用领域不断扩展和应用水平不断提高，我们对卫星影像的定位精度提出了越来越高的要求，例如在军事目标识别领域，要求目标图像的定位精度

·2·图像匹配导航定位技术

达到米的数量级；在土地利用变化监测领域，也要求目标图像的定位精度达到10m数量级；而在水坝监测应用中，更要求目标图像的定位精度达到厘米的数量级。因此，目标图像（影像）高精度定位要求卫星提供高精度的轨道信息。

5.目前现有导航定位技术的限制

传统的无线电定位方式，对近地卫星的定位精度尚不足百米，对高轨道卫星和深空探测卫星的定位精度将会更低。因此为了获取更高的卫星位置信息需要采用新的方法。

1.2自主导航技术的概念以及国内外

研究概况和发展趋势

1.2.1空间飞行器自主导航技术

1.位置测量

空间飞行器在飞行过程中的自主位置测量是不可或缺的，位置测量的精度直接关系到飞行器最终能否到达目的地，或是到达地点与目的地的偏差大小。除了惯性导航系统之外，空间位置的测量需要寻找新的不依赖地面站或卫星的导航方式，实现自主定位。

2.姿态测量

随着国防科技和空间技术的发展，空间飞行器的应用已经越来越广泛，并成为未来飞行器发展的一种趋势。为了提高飞行器本身的控制精度，也为了满足日益增长的高定位精度目标图像的需求，发展高精度的飞行器自主姿态测量技术和高精度的位置测量技术是非常必要的。飞行器姿态的微小偏差可能引起空间位置上的巨大差异，而难以到达目标，因此提高姿态控制的精度是十分重要的。

3.速度测量

速度测量以空间定位和精确计时为基础，并与飞行器本身的控制、轨道确定等息息相关。惯性导航系统虽然能给出载体的瞬时速度，但需要新的速度测量方式来修正其随时间累积带来的漂移误差，故发展新的自主速度测量的导航技术尤其重要。

4.时间测量

时间的测量和时间基准的精确标定，在向外层空间发射飞行器时显得格外重要。在相对论效应的作用下，建立精确的时间与空间系统是精确自主导航的基础，精确的授时可以全方位地提高各种导航信息的精度，所以研究可以进行精确时间测量的导航技术显得很有必要」

·4·图像匹配导航定位技术

获取飞行器位置。地图匹配方法可有效修正惯性导航位置的累计误差，通过连续匹配也可以进行速度补偿和航向偏差补偿。匹配定位精度可以达到5~10m。

6.地球物理场（重力和地磁）导航

如果能够实时精确测量地球物理场的参数（如地磁、重力等），就可以与实现存储的地球物理场的参数基准图进行匹配，从而确定飞行器自身的位置信息，而且通过连续匹配也可以获取飞行器的速度信息。低空飞行器定位精度可以达到50m。

上述导航方式中，只有地基无线电导航、卫星导航和X射线脉冲星导航可以提

供时间基准，其他导航方式还需要另外的时钟基准。本项目中，由于我们研究不依赖卫星的空间飞行器自主导航技术，因此卫星导航技术不再论述。另外由于地球物理场导航精度较低、无线电导航也有电磁干扰等问题，因此下面重点阐述国内外在惯性导航、天文导航、地图匹配导航，以及组合导航技术方面的研究进展和发展趋势。

1.2.3国内外在导航技术领域的研究现状与发展趋势

1.惯性导航

1)微机电系统惯性技术

微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)惯性传感器及惯性系统

已成为未来导航技术中不可或缺的研究方向。MEMS惯性技术以其体积小、重量

轻、功耗低、成本低，以及抗冲击等优点得到了广泛应用。美国国防部高级研究计划

局自20世纪90年代起启动了一系列MEMS惯性技术的研究项目。受其资助，美

国Draper实验室在该领域进行了大量研究工作，目前处于国际领先地位。表1-1所

示的是21世纪以来MEMS-IMU研制进展。

表1-1近年来MEMS-IMU研制进展

年份

2002

2004

2004

2005

2006

2012

2013

型号

HG1900

HG1930

SMU02

MMQ50

ADIS16350ADIS16480

HG1930D

研制机构

HoneywellHoneywell

BAE

BEI

ADI

ADI

Honeywell

陀螺

BI/(/h)

1

6

4.15

54

6.25

0.674

仪

BW/(h)

0.06

0.09

0.5

0.3

4.2

0.3

0.046

加速

BI/mg

0.3

0.3

0.5

3

0.7

0.1

0.003

度计Bw/(m/(s/))

0.02

0.09

0.5

0.29

0.029

0.041

尺寸/cm

285

82

120

147

12.2

28.9

重量/kg

0.5

0.16

0.21

0.227

0.016

0.048

注：表中2013年的数据是2012年的预测值

2)冷原子干涉陀螺仪

自1910年航海上首次使用船载指北陀螺罗盘以来，陀螺仪已有100多年的发展

第1章绪论·5·

史，相继出现了多种不同结构的陀螺仪。陀螺仪从理论上可以划分为两大类：一是以经典力学为基础的陀螺仪，包括各类机械陀螺仪；二是以现代物理学为基础的陀螺仪，包括光学干涉陀螺仪。近20年来，随着原子光学实验技术的进步，特别是激光冷却和操控原子技术的发展，出现了一种新的物质波干涉陀螺仪一原子陀螺仪。美

国国防部高级研究计划局(DARPA)下属的战略技术办公室(STO)于2006年开始了一

项名为精确惯性导航系统(PINS)的项目研究计划，在这一计划的资助下，斯坦福大学

等研究机构开展了原理验证实验，充分验证了原子陀螺、加速度计的灵敏度的优势。

欧洲于2003年启动了“高精度冷原子空间干涉仪计划”(HYPER计划)和空间

原子干涉计划(SAI),其中，HYPER计划于2020年左右将原子惯性器件发射到太空

中。英国、荷兰、法国、德国、意大利等国家参与了这些项目的研究。在这些计划的支持下，各国积极开展了相关研究，并取得重要进展。

几种典型陀螺仪主要性能如表1-2所示。

表1-2典型陀螺仪主要性能

陀螺仪类型

零偏稳定性/（°/h)

标度因子稳定性

精

度

备

注

液浮陀螺仪

3×10-3

2.5 n mile/d

加静电监控技术

体积庞大、

静电陀螺仪

1×10-

2 n mile/15 d

造价昂贵

激光陀螺仪

3×103

2×10-6

2 n mile/5 d

原子陀螺仪

5×10-6

5×10-6

2 n mile/100 d

预期

注：n mile表示海里，1 n mile-=1852m:d表示天。

2.天文导航

按照观测星体数目多少，天文导航分为单星导航和多星导航等两种。单星导航也称为跟踪式导航，需要星跟踪器中有伺服转台保持对星体的跟踪；多星导航也称为星图匹配式导航，需要在星传感器视场中观测到三个以上的星体。各星体之间的方位角之差最好在60°~90范围（越接近90°越好），俯仰角之差最好在6°~15°范围，星图匹配式导航的精度要优于跟踪式导航。

按照星体的峰值光谱和光谱范围划分，天文导航可分为星光导航和射电天文导航等两种。观测星体的可见光导航和红外导航叫星光导航，而接收天体辐射的射电信号进行导航的叫射电天文导航。

1)星敏探测技术

电荷耦合器件(CCD)是一种常用的探测器，它有许多排列整齐的光电二极管阵

·6·图像匹配导航定位技术

列，能感应光线，并将光信号转换成电信号，经采样放大及模/数(A/D)转换电路转换

成数字图像信息。CCD主要包含感光二极管、移动信号积存器、并行信号寄存器、信

号放大器、模/数转换器等。CCD电路较为复杂，成本也高。CCD主要应用于较高

精度的天文观测、数码摄影等。

动态像元传感器(APS)是一种新型光电探测器，也是光电二极管阵列，它采用

CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺，因此具有CMOS器件的各项优点，特别是抗

辐射水平，其集成度可大大提高，从而使接口简单、电源电压单一化，并能大大降低其

体积、重量和功耗；APS每个像元区还包括独立的电子开关、放大器、采样/保持等电

路，因此，放大器频带低、读出噪声低，转换的电压直接送给输出放大器，且不需要电荷转换，故不会有电荷损耗及图像模糊的问题，即具有固有的抗渐晕特性。目前

APS主要应用于较低精度的星跟踪器、相机、摄像机等。

雪崩光电二极管(APD)单光子探测器是基于硅材料的雪崩光电二极管

(Si-APD)和基于钢镓砷材料的雪崩光电二极管(InGaAs-APD)阵列的未来型探测

器。光子是光信号的最小单位，APD单光子探测器可以对单个光子进行探测和计

数，达到光学探测的极限水平。APD单光子探测器可使探测系统的灵敏度相对于传

统光电探测器提高4至6个数量级，最大工作距离可相应提高2至3个数量级。

APD单光子探测器的应用将大大提升天文观测、数码摄影的性能。

2)X射线脉冲星导航技术

脉冲星是大质量恒星演化、坍缩及超新星爆发的遗迹，是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体，其典型半径约为10km,而其质量却与太阳的质量相当，核心密度达到102kg/cm3。

脉冲星属于高速自转的中子星，其自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在载体上的探测器时，探测器将

接收脉冲星在射电电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等电磁波频段产

生的信号辐射。射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分的辐射能量，特别是X

射线脉冲星，易于对小型化设备进行探测与处理，适用于空间飞行器导航，但X射线

脉冲星很难穿过地球的稠密大气层，不适用于大气层内的载体导航

X射线脉冲星导航研究内容包括：X射线脉冲星的巡天观测与信号特征提取技

术、脉冲到达时间测量与误差修正技术、X射线探测器研制技术、导航星表建立，以及

自主导航信息处理等技术。

3)导航星表及恒星视位置高精度归算技术

导航星表及恒星视位置高精度归算主要的研究内容是对作为导航信标的天体辐射源和位置布局等进行统计分析，根据归算方法的要求来设计相应的导航星表，以便从影像上获取相应信息与之匹配，最终确定星象点与导航星之间的对应关系。它充分考虑天体之间的相互影响，以及地球自转和公转引起的观测偏差，修正恒星自行、

···试读结束···