CN107064973A

CN107064973A - 一种gnss坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法

Info

Publication number: CN107064973A
Application number: CN201710308835.7A
Authority: CN
Inventors: 俞翔; 杨华明; 梁家富; 陈声慧; 毛亮; 黄仝宇; 汪刚; 宋兵; 宋一兵; 侯玉清; 刘双广
Original assignee: Gosuncn Technology Group Co Ltd
Current assignee: Gosuncn Technology Group Co Ltd
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2017-08-18

Abstract

本发明涉及一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法。包括：获取可变焦镜头对应的球机的GNSS坐标；测量并获取每个补偿修正方向上多个点的GNSS坐标以及计算多个点相对于球机的俯仰角ψ和水平角θ；在每个方向上将视频画面的中心顺序移至多个点的GNSS坐标处获取点的水平角θ′和俯仰角ψ′；去除|θ‑θ′|>1°的俯仰角，在每个方向上求出多个点俯仰角的补偿值ψ″＝ψ‑ψ′；以ψ″为因变量，ψ为自变量进行线性拟合得各个方向的补偿修正函数；需要修正的点使用相应方向的补偿修正函数进行补偿修正。本发明此方式只需测量GNSS坐标，修正过程简单方便，无需使用专业的测偏仪器进行补偿修正，节省成本。

Description

一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法

技术领域

本发明涉及定位领域，更具体地，涉及一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System全球卫星导航***)是一种以卫星为基础的无线电定位导航***。GNSS测量得到的是某点的三维坐标，即经纬度和海拔，GNSS坐标确定了某点位于地球的位置，利用GNSS坐标可以确定两点的相对位置。若两点在同一平面上，一般使用水平方向角和两点的距离表示相对位置，若两点不在同一平面上，使用水平方向角和俯仰角来表示相对位置。

现有技术中，监控领域经常用到可变倍云台类摄像机，可变倍云台类摄像机一般装在较高的位置，在所可视范围内拍摄到的物体可以使用水平方向角和俯仰角来确定其与摄像机的相对位置。

为求出水平方向角和俯仰角，可以利用GNSS坐标进行求解相对位置。但是利用GNSS坐标求解两点的水平方向角和俯仰角时，会考虑到GNSS坐标的在地球上的球面特点，造成计算方法复杂，计算量大，而且对于移动的物体，计算相对位置实时性较差。

而且由于云台类的球机存在装歪问题，导致云台类摄像机不水平，从而导致大地坐标系与球机自身坐标系不重合，造成俯仰角与理论值存在偏差，需要对俯仰角进行补偿修正。现有技术中，一般利用加速度计或者陀螺仪等传感器，探测倾斜角度，而且对传感器安装要求严格。对于没有安装此类传感器的球机，需要修改结构件，重新设计硬件，重新编写软件程序，增加人力物力成本。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种修正方法简单、成本低廉的GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，包括：

获取可变焦镜头对应的球机的GNSS坐标；

测量并获取每个补偿修正方向上多个点的GNSS坐标；

在每个补偿修正方向上，根据多个点的GNSS分别计算多个点相对于球机的俯仰角ψ和水平角θ；

在每个补偿修正方向上，将视频画面的中心分别顺序移至多个点的GNSS坐标处，获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′；

去除|θ-θ′|>1°的对应的俯仰角，在每个补偿修正方向上，分别求出多个点俯仰角的补偿值ψ″＝ψ-ψ′；

以ψ″为因变量，ψ为自变量，进行线性拟合得到各个方向的补偿修正函数；

需要修正的点在某个方向上，则使用相应方向上的补偿修正函数进行俯仰角的补偿修正。

上述方案中，每个补偿修正方向以球机的观察方向为依据进行划分。

上述方案中，点相对于球机的水平角的具体步骤为：

设A点为可变焦镜头对应的球机，B点为需要计算的点，A点的经纬度为(A_j,A_w)，B点的经纬度为(B_j,B_w)，其中东经为正，西经为负；北纬为正，南纬为负；A、B两点的相对高度为h，地球的平均半径为R，D方向表示A点的真北方向；

将可变焦镜头的正北方向设置为真北方向，水平方向角以真北方向为零度，顺时针递增，俯仰角以垂直于该点所在水平面的垂线为零度，向上递增；

B点到A点经线的距离为A点到B点的纬度的距离为即可求出水平角∠DAB正切值，对正切进行反三角函数，即可求出水平角∠DAB为：

确定B点以A点为原点所处的象限，即以B点与A点的经纬度之差，确定B点所处的象限对水平角进行修正，坐标系以A点为原点，以经线为X轴，纬线为Y轴；若B点位于第一象限及Y轴正半轴，则水平角修正值θ＝δ；若B点位于第二象限，则水平角修正值θ＝360+δ；若B点位于第三、四象限及Y轴负半轴，则水平角修正值θ＝180+δ。

上述方案中，点相对于球机的俯仰角的具体步骤为：

由于B点在A点的可视范围内，可以将B点与A点的投影A'视为同一平面上；求出B点相对A点的俯仰角∠A'AB，需要求出B点与A点投影点A'之间的距离，则需要将A、B两点的经纬度坐标转化为空间直角坐标系，求出两点间的距离L：

A点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

B点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

A、B两点之间的距离为：

A、B两点相对高度之差h，则B点相对A点的俯仰角为：

上述方案中，将视频画面的中心分别顺序移至多点的GNSS坐标，获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′的具体步骤为：

设真北为0°方向，顺时针递增，将视频画面中心移至各个GNSS坐标点，移动后直接获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用GNSS坐标来精确地定位相对位置，而且可以通过多个方向的多个GNSS坐标点来修正点之间的俯仰角，此方式只需测量GNSS坐标，修正过程简单方便，无需使用专业的仪器进行补偿修正，节省了成本。

附图说明

图1为本发明一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法具体实施例的流程图。

图2是本发明理想情况下球机坐标系示意图。

图3是本发明中俯仰角修正后和修正前的对比示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，为本发明一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法具体实施例的流程图。参见图1，本具体实施例一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法的具体步骤包括：

S101.获取可变焦镜头对应的球机的GNSS坐标；

S102.测量并获取每个补偿修正方向上多个点的GNSS坐标；每个补偿修正方向以球机的转动方向为依据进行划分。由于球机可以360°转动，球机支架杆固定处方向不会作为观察方向，不需要补偿。方向的划分，譬如水平0-180°为球机观察的方向，则可以划分多个方向，譬如以30°为细分步进，则总共有6个方向，每个方向都有俯仰角补偿修正函数。细分步进越小，补偿越准确。每个方向上至少利用4-5点作为获取补偿修正函数的基准点。

S103.在每个补偿修正方向上，根据多个点的GNSS分别计算多个点相对于球机的俯仰角ψ和水平角θ；

S104.在每个补偿修正方向上，将视频画面的中心分别顺序移至多个点的GNSS坐标处，获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′；各点位于视频画面中心的水平角和俯仰角是可以直接获取的，此时的水平角和俯仰角是根据球机电机转动的细分步数算出的。

S105.去除|θ-θ′|>1°的对应的俯仰角，在每个补偿修正方向上，分别求出多个点俯仰角的补偿值ψ″＝ψ-ψ′；

S106.以ψ″为因变量，ψ为自变量，进行线性拟合得到各个方向的补偿修正函数；

S107.需要修正的点在某个方向上，则使用相应方向上的补偿修正函数进行俯仰角的补偿修正。补偿修正不针对某个点，针对某个方向的所有点。进行线性拟合得到各个方向的补偿修正函数，待测点在某个方向上使用相应的方向上补偿修正函数进行俯仰角的补偿修正。

具体实施过程中，步骤S103中计算待测点相对于球机的水平角的具体步骤为：

第一步，设A点为可变焦镜头对应的球机，B点为需要计算的点，A点的经纬度为(A_j,A_w)，B点的经纬度为(B_j,B_w)，其中东经为正，西经为负；北纬为正，南纬为负；A、B两点的相对高度为h，地球的平均半径为R；

第二步，将可变焦镜头的正北方向设置为真北(北极点)方向，水平方向角以真北方向为零度，顺时针递增，俯仰角以垂直于该点所在水平面的垂线为零度，向上递增，如图2所示，其中ψ表示B点相对于A点的俯仰角，Ω表示B点相对于A点与真北的夹角,A'表示A点的投影,D方向表示A点的真北方向；

第三步，B点到A点经线的距离为A点到B点的纬度的距离为即可求出水平角∠DAB正切值，对正切进行反三角函数，即可求出水平角∠DAB为：

第四步，确定B点以A点为原点所处的象限，即以B点与A点的经纬度之差，确定B点所处的象限对水平角进行修正，坐标系以A点为原点，以经线为X轴，纬线为Y轴；若B点位于第一象限及Y轴正半轴，则水平角修正值θ＝δ；若B点位于第二象限，则水平角修正值θ＝360+δ；若B点位于第三、四象限及Y轴负半轴，则水平角修正值θ＝180+δ。

步骤S103中，点相对于球机的俯仰角的具体步骤为：

第一步，由于B点在A点的可视范围内，可以将B点与A点的投影A'视为同一平面上；求出B点相对A点的俯仰角∠A'AB，需要求出B点与A点投影点A'之间的距离，则需要将A、B两点的经纬度坐标转化为空间直角坐标系，求出两点间的距离L：

A点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

B点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

A、B两点之间的距离为：

A、B两点相对高度之差h，则B点相对A点的俯仰角为：

在步骤S101-S103中计算点相对于球机的俯仰角，由于相对位置利用的是大地坐标系，球机在安装的时候，存在不水平的情况，造成球机的坐标系与大地坐标系不重合，所以需要对不同水平方向上的俯仰角补偿修正。本发明对多个水平方向上的多点的GNSS坐标进行测量，GNSS坐标输入计算机，计算出相对于球机的俯仰角，利用某点相对球机的位于视频画面中心的原理，可以获取到某点位于视频画面中心的俯仰角，求出计算的俯仰角和实际的俯仰角之差，然后进行曲线的拟合，做俯仰角的补偿。具体如下：

利用上述公式(1)和(9)求出每个补偿修正方向上多个点相对于球机的水平角θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_m和俯仰角ψ₁，ψ₂，ψ₃，…，ψ_m，即集合ψ＝{ψ₁，ψ₂，ψ₃，…，ψ_m}；

接着在步骤S104中，设置真北为0°方向，顺时针递增，将视频画面中心移至GNSS坐标点，获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′。

接着利用步骤S105去除|θ-θ′|>1°的对应的俯仰角，在每个补偿修正方向上，分别求出多个点俯仰角的补偿值ψ″＝ψ-ψ′，即集合ψ″＝{ψ″₁，ψ″₂，ψ″₃，…，ψ″_m}

最后在步骤S106中，以集合ψ″为因变量，集合ψ为自变量，做线性拟合，得到各个方向的补偿修正函数；

需要修正的点在某个方向上，则使用相应方向上的补偿修正函数进行俯仰角的补偿修正。补偿修正不针对某个点，针对某个方向的所有点。进行线性拟合得到各个方向的补偿修正函数，待测点在某个方向上使用相应的方向上补偿修正函数进行俯仰角的补偿修正。如图3所示，角ε表示B点相对于A点补偿后的俯仰角。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，其特征在于，包括：

获取可变焦镜头对应的球机的GNSS坐标；

测量并获取每个补偿修正方向上多个点的GNSS坐标；

2.根据权利要求1所述的GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，其特征在于，每个补偿修正方向以球机的观察方向为依据进行划分。

3.根据权利要求1所述的GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，其特征在于，点相对于球机的水平角的具体步骤为：

<mrow> <mi>&delta;</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>*</mo> <mfrac> <mi>&pi;</mi> <mn>180</mn> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>w</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>180</mn> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

4.根据权利要求3所述的GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，其特征在于，点相对于球机的俯仰角的具体步骤为：

A点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

<mrow> <msub> <mi>X</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>R</mi> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>*</mo> <mfrac> <mi>&pi;</mi> <mn>180</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>*</mo> <mfrac> <mi>&pi;</mi> <mn>180</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1

B点在空间直角坐标系上的坐标值分别为：

A、B两点之间的距离为：

A、B两点相对高度之差h，则B点相对A点的俯仰角为：

5.根据权利要求4所述的GNSS坐标在可变焦镜头下的俯仰角补偿修正方法，其特征在于，将视频画面的中心分别顺序移至多点的GNSS坐标，获取各个点的水平角θ′和俯仰角ψ′的具体步骤为：

设真北为0°方向，顺时针递增，将视频画面中心移至各个GNSS坐标点，I移动后直接获取各个GNSS坐标点的水平角θ′和俯仰角ψ′。