基于单位四元数矩阵实表示的坐标转换算法研究

四元数法可用于大角度的空间三维坐标转换,但其理论较复杂,计算及证明不便。借助四元数的矩阵实表示,可以将四元数域上的运算转化为实数域上向量和矩阵的运算。针对大角度空间三维坐标转换问题,构造了四元数优化函数,然后基于单位四元数矩阵实表示的方式将四元数问题的求解转换成矩阵问题的求解,并给出了利用单位四元数进行空间三维坐标转换两种算法的详细证明。经过算例分析表明,两种算法解算结果和奇异值分解算法一致,验证了算法的正确性和有效性,且两种算法只需进行矩阵的特征值分解,无须线性化,计算简便,便于编程,适用于大角度坐标转换问题的求解。     

单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系

在大角度姿态运动场景中,运动状态通常采用单位四元数或罗德里格转换模型,但转换参数并不具有直观性和几何意义,因此研究单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系十分必要。然而,单位四元数、罗德里格参数与欧拉角相互之间并不存在一一对应的关系。结合三种转换模型的特点及欧拉角、罗德里格参数存在奇异问题,本文对可能出现的情况进行推导分析,建立各模型间转换参数的映射关系,实现单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角大角度范围的转换。     

坐标转换四参数解算的整体最小二乘新方法

在平面四参数坐标转换模型中,观测向量和误差方程系数矩阵中部分元素都存在误差。提出一种使用整体最小二乘迭代法求解坐标转换四参数的新方法,只改正系数矩阵中含误差的元素,同时使系数矩阵中不同位置的相同元素具有相同改正数,理论上更严谨。设计了平面四参数模型坐标转换实验数据,通过与经典最小二乘、整体最小二乘、混合整体最小二乘3种方法结果对比,验证了新方法的可行性且解算结果更优。     

多元总体最小二乘在三维坐标转换中的应用

为解决总体最小二乘(TLS)解算三维坐标转换时旋转矩阵线性化导致解算精度降低的问题,提出了能够直接求解旋转矩阵的多元总体最小二乘(MTLS)模型。为了验证多元总体最小二乘坐标转换解算效果,设置了各种坐标转换实验,并与总体最小二乘法进行比较。分析了旋转角度和尺度因子对解算精度的影响,并根据实验结果得出了以下结论:在大角度及独立等权观测条件下,多元总体最小二乘坐标转换解算精度优于总体最小二乘,且算法简单无需迭代,能够实现任意尺度的坐标转换。     

总体最小二乘法在坐标转换中的应用

在测量数据处理中,最为经典的处理方法是最小二乘法,认为误差只是包含在观测向量当中,系数矩阵中不包含误差。实际上由于模型等因素,系数矩阵中经常存在着误差。为了平差的严密性和精确性,采用一种可以同时顾及观测向量误差和系数矩阵误差的总体最小二乘方法,应用于测量数据处理和坐标转换中,得到更符合实际的平差处理,获得更准确的坐标转换参数。     

基于罗德里格矩阵的整体最小二乘三维坐标转换模型

首先对基于罗德里格矩阵的坐标转换模型进行了分析,其误差方程中的系数矩阵也存在误差。然后在此基础上提出并推导了基于罗德里格矩阵的整体最小二乘三维坐标转换模型,该模型综合了基于罗德里格矩阵坐标转换和整体最小二乘的优点。最后通过C++编程计算两组不同数据算例说明该方法比基于罗德里格矩阵坐标转换模型具有更高的精度和可靠性。     

总体最小二乘法在坐标转换中的应用

在处理坐标转换数据的方法中,通常使用的方法是最小二乘法,但其由于不能顾及系数矩阵误差而具有一定的局限性,导致坐标转换结果的可靠性较差。因此,需要一种新的方法来弥补最小二乘法的不足。本文引入总体最小二乘法和混合最小二乘法,采用仿真数据求解坐标转换七参数,并将结果与其仿真值进行比较,证明采用混合最小二乘法得到的坐标转换七参数更接近于理论值。     

基于罗德里格矩阵的三维坐标转换方法

采用罗德里格矩阵公式,在不考虑尺度因子的情况下,建立了基于罗德里格矩阵的六参数坐标转换模型,推导了高精度参数初值计算方法,最小二乘迭代法平差公式.通过实测数据验证,通过实测数据计算,表明该算法具有精度高、稳定性强、适用性广等优点.     

三维坐标转换的非线性Gauss-Helmert模型及其解法

针对传统的三维坐标转换模型局限于求解小旋转角的三维坐标转换参数的缺点,以及没有同时顾及观测向量和系数矩阵的随机误差,该文提出了一种新的三维坐标转换参数求解模型。基于非线性Gauss-Helmert模型,建立了三维坐标转换的Bursa-Wolf模型,采用Newton-Gauss迭代算法,构建了加权整体最小二乘问题的拉格朗日函数,并给出了该算法的具体推导过程及其精度评定公式。实测数据和仿真数据结果表明:新算法在无须假设条件的前提下,可以获得任意旋转角下的坐标转换参数,且待估参数数目大大降低,易于程序实现。     

标度总体最小二乘在坐标转换中的应用

将顾及观测向量与系数矩阵权比的总体最小二乘法应用于三维坐标转换,阐述了验前单位权方差法和目标函数最小化法确定观测向量与系数矩阵标度的计算步骤,结合算例探讨了两种方法的适用特点,得出了有益的结论。     

利用四元数改进大旋转角坐标变换模型

大旋转角坐标变换模型的迭代解法依赖于初值的确定。用四元数构造旋转矩阵,建立了三维坐标变换的牛顿迭代公式,并提出了一种初值构造算法。利用实测数据和模拟数据对该算法进行了验证,并与其他算法进行比较。结果表明,该初值构造算法使得基于四元数的大旋转角坐标变换模型更加稳健。     

基于PSO和LM算法的坐标转换新方法

3维坐标的转换精度与坐标转换参数的解算精度密切相关,在不同区域的坐标转换参数不完全相同,为了提高测量的精度,就必须求出适合本地区的坐标转换参数,以提高坐标转换的精度。本文直接从坐标转换的非线性方程出发,根据最优化问题的极值条件,研究采用基于微粒群优化(PSO)和拉凡格氏(LM)组合算法求解3维坐标转换参数。结果表明,该方法具有简单性、高效性和普适性,适合测量中3维坐标的转换解算。     

基于单位四元数的空间后方交会解算

介绍四元数的概念及运算性质,提出基于单位四元数的空间后方交会解算方法并给出计算公式。该方法利用单位四元数表示旋转,根据最小二乘原理,通过矩阵运算先求出单位四元数解析解,再获取旋转矩阵,得到角元素值;最后求出撮站点的坐标。此法不需提供外方位元素初始值,并且推导过程中不涉及共线条件方程的线性化。通过算例证明方法的正确性与可靠性。     

利用HGA和单位四元数的相对定向解法

利用将经典遗传算法和最速下降法相结合的混合遗传算法进行相对定向,并用强收敛性的单位四元数表示旋转矩阵,可有效避免经典遗传算法容易早熟的弱点,并在无需初值的情况下经较少的遗传代数快速收敛。     

基于三维格网的坐标转换改进方法

介绍了格网坐标转换方法,对格网点插值在区域边缘及已知点病态分布的情况进行了讨论。以TIN三角元优选策略增强格网点插值精度和稳定性。最后通过实例数据,验证了格网转换的精度及改进策略的有效性。     

基于2维转换原理的实时坐标转换设计

针对目前的多种测量任务,阐述了进行实时坐标转换的必要性。回顾了2维坐标转换的基本原理,从2维坐标转换基本原理出发,以WGS-84坐标向北京54坐标转换为例,提出了以数据库建立为核心的坐标转换的详细设计线路,并给出数据库的基本框架。重点阐述了WGS-84坐标向北京54坐标转换的参数求解过程,为了综合考虑任意测点周围已知点对该点的影响,提出了一种距离加权求参数的方法。最后总结了此设计路线的优点和不足。     

线性规划在三维坐标转换中的应用

介绍了线性规划用于三维坐标转换的数学模型及解算方法;说明了最小一乘坐标转换法的稳健性;当公共点数量较少或测量噪声较大时,采用加权法有利于粗差的定位和定值.     

一种适用于大角度的三维坐标转换参数求解算法

针对传统的三维基准转换模型局限于求取小角度的三维基准间转换参数的缺点,提出了一种适用于大角度的三维基准转换参数求解模型。利用实测数据和模拟数据对此模型进行了验证,结果表明,所提出的算法适用于任意角度的三维基准转换,既可利用传统的最小二乘方法估计坐标转换参数,又可利用整体最小二乘方法进行参数求解,可靠性高,解算速度快。