機載激光雷達景像匹配輔助導航方法

摘 要：以可見光視覺傳感器方案為代表的景像匹配導航方法容易受光照、天氣等外部環境變化影響，無法完成圖像信息的有效采集，導致導航系統誤差發散。為解決該問題，本文提出了一種機載激光雷達景像匹配輔助導航方法。首先，對激光點云數據進行預處理，拼接激光點云數據并提取點云強度信息構建激光點云強度圖像；其次，基于異源圖像特征匹配方法提取激光點云強度圖像與先驗基準地圖中的特征信息進行特征匹配；最后，從特征匹配結果中提取匹配定位信息，將其引入慣性/景像匹配融合導航框架，進而校正慣性導航系統發散誤差。經真實飛行數據測試驗證，本文方法能有效抑制慣性導航系統的誤差發散，其導航精度≤2m，并且可實現全天時條件下應用。

關鍵詞：激光雷達； 圖像匹配； 景像匹配導航； 慣性導航； 融合導航

中圖分類號：V249 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.005

景像匹配導航是一種采用視覺傳感器獲取飛行器周圍或目標區域附近的航拍圖像，通過與事先建立的基準地圖（如數字正射影像圖（DOM））匹配來獲取飛行器位置數據的自主導航方法[1]。該類方法與傳統的慣性導航、衛星導航等技術并行發展，并且可以作為這些技術的有效補充。通過賦予飛行器“視覺”能力，景像匹配導航利用圖像間的匹配搜索和識別等技術，能夠實現在衛星信號拒止等強電磁干擾對抗環境下飛行器的長航時、高精度導航需求。

根據所采用成像傳感器方案的不同，現階段景像匹配導航方法主要可以分為基于光學、紅外和雷達圖像三種類型[2]。其中，以“戰斧”巡航導彈為代表的光學圖像匹配導航技術能夠通過直接成像，為系統提供高分辨率且清晰的目標圖像[3]。然而，當應用于煙霧、塵埃等能見度差以及夜晚等環境中時，其性能會因為難以對環境有效成像出現顯著下降；基于紅外圖像匹配技術的景像匹配導航方法雖然在晝夜和能見度低的條件下依然具備良好的工作能力和光電干擾抵抗能力，但該類方法所采用的成像傳感器往往有效作用距離有限，難以實現遠距離工作；采用合成孔徑雷達（SAR）、干涉合成孔徑雷達（InSAR）等傳感器的雷達圖像匹配導航技術相較于前兩者在全天時、全天候，以及較高飛行高度的應用方面具有明顯優勢，但該類傳感器在近距離成像方面同樣存在一定局限性且易受干擾，同時由于該類設備的造價普遍較高，更是限制了其在更廣范圍機載導航系統中的應用[4]。

此外，近年來為提升景像匹配導航抗干擾能力的改進算法也不斷涌現[5-7]。Zhao Chunhui 等[8]在利用視覺里程計對飛行器幀間連續相對運動進行估計的同時，通過在景像匹配可用區域利用圖像匹配獲取飛行器絕對定位信息，并將其作為輔助定位信息消除里程計的積累誤差進而實現連續高精度導航。Wang Huaxia 等[9]則利用在不同日期和時間采集的數字地表模型（DSM）制備基準陰影地圖，通過提取航拍圖與基準圖中的陰影信息并將其作為一種新的景像匹配穩定特征，增強了景像匹配方法在光線變化環境中的魯棒性。

隨著傳感器技術的不斷改進，激光雷達作為一種主動成像測量傳感器，在彈載末段制導和大地測繪等領域逐步得到廣泛應用[10]。相較于被動成像傳感器，激光雷達具備抗干擾能力強、信息量大等特點，能夠直接獲取三維空間分布信息。然而，盡管激光雷達已在上述領域取得了顯著成就，但在飛行器景像匹配導航方面的應用成果卻相對較少。激光雷達通過發射激光線束獲取包括距離圖像和強度圖像等信息在內的激光點云數據，其中強度圖像和光學圖像具有相同的機理和相似的性質，在異源圖像匹配中表現出良好的可匹配性，因此將激光雷達應用于飛行器景像匹配導航具有重要價值。

因此，本文提出了一種機載激光雷達景像匹配輔助導航方法，首先通過拼接一定范圍內的點云數據，構建激光點云強度地圖；其次利用異源圖像特征匹配方法，提取點云強度圖像與可見光景像基準地圖中的特征信息，完成特征匹配并對飛行器位置參數進行估計。通過構建慣性/景像匹配組合導航框架，將位置估計結果作為觀測信息，校正慣性導航系統發散誤差。在此基礎上，通過真實飛行數據對本文所提出的方法進行測試，并與純慣性導航解算結果以及慣性/衛星組合導航解算結果進行對比，驗證了所提方法的有效性。