CN102564407A - 一种直升机森林救火林火定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空电子技术领域，涉及到一种直升机森林救火林火定位方法。利用机载红外探测设备探测森林中的林火，红外探测设备在探测到林火时，会通知机载计算机，同时输出该时刻红外探测设备的俯仰角、方位角。利用航姿、大气、GPS等传感器，采集直升机姿态、高度、位置等飞行参数。然后根据红外探测设备的俯仰角、方位角以及飞行参数进行计算。本发明能够大大减小飞行姿态和复杂地形对定位精度的影响，飞行员可以在离林火距离较远的地方，准确定位林火位置，不需要飞到林火上空或近距离靠近林火，提高了安全性。本发明可以准确、稳定地定位林火位置，正确指引地面救火人员扑灭火灾，避免造成更大的损失。

Description

一种直升机森林救火林火定位方法

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，涉及到一种直升机森林救火林火定位方法。

背景技术

森林救火直升机应用于森林防火、灭火等任务。通过在直升机腹部安装红外探测设备，操作员在机舱内操作平台上转动操作杆，可以转动红外探测设备，以探测森林中林火，计算出林火的位置，发送给森林防火指挥部门，指引地面救火人员扑灭林火。因此，如何准确定位林火位置，将直接影响到林火是否能够及时扑灭，避免造成更大的损失。目前，地面林火红外探测技术主要是利用红外探测设备探测森林林火，在探测到林火时，利用该时刻红外探测设备的俯仰角、方位角，然后根据红外探测设备高度以及当前位置，即可计算出林火的位置。机载红外探测设备不能使用同样的计算方法。首先是因为飞机具有偏航、俯仰、横滚等飞行姿态，不能直接利用红外探测设备的角度进行计算；其次是森林中地形复杂，有平地还有高山等，这将会直接影响到林火的准确定位。

发明内容

本发明的目的是：提供一种直升机森林救火林火定位方法，使得可以利用机载红外探测设备准确定位林火位置，给出林火的经度、纬度以及海拔，解决因为飞行姿态、地形复杂引起的定位不准确问题。

本发明的技术方案是：本发明利用机载红外探测设备探测森林中的林火，红外探测设备在探测到林火时，会通知机载计算机，同时输出该时刻红外探测设备的俯仰角、方位角。利用航姿、大气、GPS等传感器，采集直升机姿态、高度、位置等飞行参数。然后根据红外探测设备的俯仰角、方位角以及飞行参数进行计算，按照如下步骤在机载计算机中实现：

一种直升机森林救火林火定位方法，直升机检测到林火之后，对该林火的具体位置进行定位，由以下步骤组成：

步骤一：分别建立机体坐标系和大地坐标系：

(1)建立机体坐标系：以机载红外探测设备旋转中心为原点O′，以沿机体纵轴指向机头方向为X′轴正方向，以沿机体横轴指向左侧的方向为Y′轴正向，按照右手系建立机体直角坐标系O′X′Y′Z′；

(2)建立大地坐标系：以直升机t₁时刻所处的位置在地面的投影为原点O，以正北方向为X轴正向，以竖直向上方向为Z轴正向，按照右手系建立大地坐标系OXYZ；

步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ₁、方位角

计算t₁时刻机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：

(1)计算t₁时刻直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量

(2)运用坐标变换的方法，计算t₁时刻直线L₁在OXYZ坐标系下的方向矢量η₁：

η₁＝[η₁₁，η₁₂，η₁₃]^T＝R₁ε₁

其中R₁＝R_r(β₁)R_p(α₁)R_h(γ₁)，γ₁、β₁、α₁分别为直升机的航向角、横滚角、俯仰角，

$R_h\left({\mathrm{\γ}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\γ}}_1& -\sin {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\γ}}_1& \cos {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_p\left({\mathrm{\α}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_1& 0& \sin {\mathrm{\α}}_1\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\α}}_1& 0& \cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right],$

$R_r\left({\mathrm{\β}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\β}}_1& -\sin \\ 0& \sin {\mathrm{\β}}_1& \cos {\mathrm{\β}}_1\end{array},{\mathrm{\β}}_1\right].$

步骤三：计算t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1：

(1)计算直线L₁在大地坐标系OXYZ下的方程：直升机在t₁时刻空中的位置为点Q1，Q1在大地坐标系下的坐标为(0，0，H₁-H₀)，则L₁的直线方程为

$\frac{x}{{\mathrm{\η}}_{11}}=\frac{y}{{\mathrm{\η}}_{12}}=\frac{z-(H_1-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{13}}$

其中，H₀为当地海拔高度，H₁为t₁时刻直升机绝对气压高度

(2)计算直线L₁与地平面OXY(z＝0)的交点，得到t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标(-η₁₁(H₁-H₀)/η₁₃，-η₁₂(H₁-H₀)/η₁₃，0)；

步骤四：计算t₁时刻林火的经度、纬度：

林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000,$

若直升机位于南纬，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000.$

林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right],$

若直升机位于西经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right].$

其中，lo₁与la₁分别代表直升机在t₁时刻经度和纬度，数值111000表示1纬度的距离，单位米；

步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t₂时刻机载红外探测设备的红外光轴所在直线L₂在大地坐标系OXYZ下的直线方程：

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\η}}_{21}}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\η}}_{22}}=\frac{z-(H_2-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{23}},$

其中(x₀，y₀，H₂-H₀)为t₂时刻直升机在大地坐标系OXYZ下坐标，x₀，y₀按下述方法计算：

计算x₀：

若直升机位于北纬位置，则

x0＝(la₂-la₁)/111000，

若直升机位于南纬，则

x0＝-(la₂-la₁)/111000.

计算y₀：

若直升机位于东经位置，则

y₀＝-(la₂-la₁)/[111000cos(la₂)]，

若直升机位于西经位置，则

y₀＝(lo₂-lo₁)/[111000cos(la₂)].

步骤六：修正林火位置：计算L₁、L₂上距离最近的两点P₁、P₂，取P₁点的坐标(x_p，y_p，z_p)作为林火位置；修正后的林火经度、纬度如下：

修正后林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

la_p＝la₁+x_p/111000，

若直升机位于南纬，则

la_p＝la₁-x_p/111000.

修正后林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

lo_p＝lo₁-y_p/[111000cos(la_p)]，

若直升机位于西经位置，则

lo_p＝lo₁+y_p/[111000cos(la_p)].

则林火海拔高度：z_p+H₀。

优选地，所述步骤六通过简单搜索步骤完成，包括以下步骤：

(1)初始化搜索步长h₀，设临时变量h＝0，临时变量d₁和d₂，d₂＝d₁＝M，M取一个很大的数，表示正无穷大；

(2)x＝x₁，y＝y₁，z＝z₁，将z₁＝h，z₂＝h代入(i)和(ii)式中，计算x1，x2，y1，y2，计算d₂＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²；

(3)若d₂＞d₁，则林火坐标为(x，y，z)，按照步骤四计算林火经度、纬度，z-H₀为林火海拔位置；若d₂≤d₁，则d₁＝d₂，h＝h+h₀，返回b)。

本发明的优点是：本发明林火定位方法能够利用机载红外探测设备准确定位森林中林火位置，大大减小飞行姿态和复杂地形对定位精度的影响，飞行员可以在离林火距离较远的地方，准确定位林火位置，不需要飞到林火上空或近距离靠近林火，提高了安全性。另外，在直升机巡逻时，可以探测森林中初起的小火和地下火。林火位置以经度、纬度给出，可以结合电子地图显示林火位置。本发明可以准确、稳定地定位林火位置，正确指引地面救火人员扑灭火灾，避免造成更大的损失。

附图说明

图1是机体坐标系下红外光轴方向矢量示意图；

图2是本发明一种直升机森林救火林火定位示意图；

图3是简单搜索步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图3。

如图2所示，操作员转动红外探测设备，第一次探测到林火的时刻为t₁，直升机位于Q1位置。第二次探测到林火的时刻为t₂，直升机位于Q2位置。以Q1在地面的投影O点为原点，航向角0°方向(正北方向)为X轴正向、竖直向上为Z轴正向，建立右手直角坐标系OXYZ。如图1所示，以直升机腹部红外探测设备方向轴的转动中心O′点为原点，直升机纵轴指向机头方向为X′轴正方向，横轴指向左侧方向为Y′轴正向，建立右手直角坐标系O′X′Y′Z′。在图1中，O′A为红外探测设备的红外光轴所在直线，ε为红外探测设备的红外光轴所在直线的方向矢量，简称为红外光轴方向矢量。θ为红外探测设备俯仰角，即ε与平面O′X′Y′夹角，抬头为正。

为红外探测设备方位角，即ε在平面O′X′Y′上投影O′B与X′轴正向的夹角，逆时针为正。

在图2中，平面CDEF，即OXY平面，为地平面。Q1为t₁时刻直升机位置，Q1S1为t₁时刻红外探测设备的红外光轴所在直线，也记为L₁。S1为L₁S1与地平面交点，即第一次定位的林火位置。Q2为t₂时刻直升机位置，Q2′为Q2在OXY平面上的投影，Q2S2为t₂时刻红外探测设备的红外光轴所在直线，也记为L₂。S2为L₂与地平面交点。P1为直线L₁上的点，P2为直线L₂上的点，P1P2为两直线最近距离，同时P1点也是修正后的林火位置。

设当地海拔高度为H₀，t₁时刻探测到林火时，直升机的经度、纬度分别为la₁、lo₁，航向角、横滚角、俯仰角分别为γ₁、β₁、α₁(航向角：逆时针为正；俯仰角：直升机抬头为正；横滚角：直升机右倾斜为正)，绝对气压高度为H₁，红外探测设备方位角、俯仰角分别为

θ₁。t₂时刻探测到林火时，直升机的经度、纬度分别为la₂、lo₂，航向角、横滚角、俯仰角分别为γ₂、β₂、α₂，绝对气压高度为H₂，红外探测设备方位角、俯仰角分别为

θ₂。上述用到的变量，高度、距离单位均为米，角度单位为度。

按如下步骤进行森林林火的定位：

步骤一：分别建立机体坐标系O′X′Y′Z′和大地坐标系OXYZ，如本节开始所述。

步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ₁、方位角

计算t₁时刻机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：

(1)计算t₁时刻直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量ε₁：

(2)运用坐标变换的方法，计算t₁时刻直线L₁在OXYZ坐标系下的方向矢量η₁：

η₁＝[η₁₁，η₁₂，η₁₃]^T＝R₁ε₁，

其中R₁＝R_r(β₁)R_p(α₁)R_h(γ₁)，γ₁、β₁、α₁分别为直升机的航向角、横滚角、俯仰角，

$R_h\left({\mathrm{\γ}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\γ}}_1& -\sin {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\γ}}_1& \cos {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_p\left({\mathrm{\α}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_1& 0& \sin {\mathrm{\α}}_1\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\α}}_1& 0& \cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right],$

$R_r\left({\mathrm{\β}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\β}}_1& -\sin \\ 0& \sin {\mathrm{\β}}_1& \cos {\mathrm{\β}}_1\end{array},{\mathrm{\β}}_1\right].$

步骤三：计算t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1：

(1)计算直线L₁在大地坐标系OXYZ下的方程：直升机在t₁时刻空中的位置为点Q1，Q1在大地坐标系下的坐标为(0，0，H₁-H₀)，则L₁的直线方程为

$\frac{x}{{\mathrm{\η}}_{11}}=\frac{y}{{\mathrm{\η}}_{12}}=\frac{z-(H_1-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{13}},$

其中，H₀为当地海拔高度，H₁为绝对气压高度。

(2)计算直线L₁与地平面(z＝0)的交点，得到t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标(-η₁₁(H₁-H₀)/η₁₃，-η₁₂(H₁-H₀)/η₁₃，0)。

步骤四：计算t1时刻林火的经度、纬度。

林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000,$

若直升机位于南纬，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000.$

林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_1)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right],$

若直升机位于西经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right].$

步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t₂时刻机载红外探测设备的红外光轴

所在直线L₂在大地坐标系OXYZ下的直线方程：

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\η}}_{21}}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\η}}_{22}}=\frac{z-(H_2-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{23}},$

其中(x₀，y₀，H₂-H₀)为t₂时刻直升机在大地坐标系OXYZ下坐标。x₀，y₀按下述方法计算：

计算x₀：

若直升机位于北纬位置，则

x₀＝(la₂-la₁)/111000，

若直升机位于南纬，则

x₀＝-(la₂-la₁)/111000.

计算y₀：

若直升机位于东经位置，则

y₀＝-(lo₂-lo₁)/[111000cos(la₂)]，

若直升机位于西经位置，则

y₀＝(lo₂-lo₁)/[111000cos(la₂)].

步骤六：修正林火位置。计算L₁、L₂上距离最近的两点P₁、P₂，取P₁点的

坐标(x_p，y_p，z_p)作为林火位置。为了求得P₁，使用如下的简单搜索算法。

如图3所示，大地坐标系OXYZ下，分别用一系列平面(z＝0，z＝h₀，z＝2h₀，……，其中h₀为相邻两个平面之间的距离，称为搜索步长)截取L₁、L₂，分别得到L₁、L₂与各个平面的交点(L₁与每个平面交点：S1，W1，E1，……；L₂与个平面交点：S2，W2，E2，……)。然后计算在每个平面上两直线交点的距离Di(i＝0，1，2，……)，找出最小的Di，显然Di最小当且仅当满足如下条件：

D_i0-1≥D_i0≤D_i0+1(i≥1).

d₁表示Di-1，d₂表示Di。

优选使用的简单搜索步骤如下：

(1)初始化搜索步长h₀，h＝0，d₂＝d₁＝M，M取一个很大的数，表示正无穷大；

(2)将z＝h代入L₁和L₂的直线方程中，计算交点坐标，与L₁交点为(x₁，y₁，z₁)，与L₂交点为(x₂，y₂，z₂)。记x_p＝x₁，y_p＝y₁，z_p＝z₁，计算d₂＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²；

(3)若d₂＞d₁，则输出林火P₁坐标(x_p，y_p，z_p)；若d₂≤d₁，则d₁＝d₂，h＝h+h₀，返回(2)。

使用这种简单搜索法可以快速、高效的求出修正后的林火位置。计算出P₁坐标后，按如下方法计算修正后的林火经度、纬度以及海拔。计算如下：

林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

la_p＝la₁+x_p/111000，

若直升机位于南纬，则

la_p＝la₁-x_p/111000.

林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

lo_p＝lo₁-y_p/[111000cos(la_p)]，

若直升机位于西经位置，则

lo_p＝lo₁+y_p/[111000cos(la_p)].

林火海拔：z_p+H₀.

实例：

下面给出林火定位方法的一个实例。假设t1时刻直升机参数如下表所示：

t2时刻直升机参数如下表所示：

运用运用本森林林火定位方法如下：

步骤一：建立机体坐标系O′X′Y′Z′和大地坐标系OXYZ。

步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ₁＝-68、方位角

计算t₁时刻机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：

(1)计算t₁时刻直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量

(2)计算t₁时刻直线L₁在OXYZ坐标系下的方向矢量η₁。

直升机航向角、横滚角、俯仰角分别为γ₁＝10、β₁＝5、α₁＝5，则

$R_h\left(10\right)=\left[\begin{array}{ccc}0.9848& -0.1736& 0\\ 0.1736& 0.9848& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_p\left(5\right)=\left[\begin{array}{ccc}0.9962& 0& 0.0872\\ 0& 1& 0\\ -0.0872& 0& 0.9962\end{array}\right],$

$R_r\left(5\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0.9962& -0.0872\\ 0& 0.0872& 0.9962\end{array}\right],$

$R_1=R_r\left(5\right)R_p\left(5\right)R_h\left(10\right)=\left[\begin{array}{ccc}0.9811& -0.1730& 0.0872\\ 0.1805& 0.9797& -0.0868\\ -0.0704& 0.1009& 0.9924\end{array}\right],$

η₁＝R₁ε₁＝[0.2051，0.3226，-0.9241]^T，

η₁₁＝0.2051，η₁₂＝0.3226，η₁₃＝-0.9241.

步骤三：计算t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1。

(1)计算直线L₁在大地坐标系OXYZ下的方程。

已知H₁＝1000，H₀＝400，将步骤二中η₁₁＝0.2051，η₁₂＝0.3226，η₁₃＝-0.9241代入下式中

$\frac{x}{{\mathrm{\η}}_{11}}=\frac{y}{{\mathrm{\η}}_{12}}=\frac{z-(H_1-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{13}},$

即可得到L₁方程为：

$\frac{x}{0.2051}=\frac{y}{0.3226}=\frac{z-600}{-0.9241}.$

2)计算直线L₁与地平面(z＝0)的交点，得到t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标：

-η₁₁(H₁-H₀)/η₁₃＝133.1483，

-η₁₂(H₁-H₀)/η₁₃＝209.4373.

所以交点坐标为：(133.1483，209.4373，0)。

步骤四：计算t₁时刻林火的经度、纬度：

t₁时刻直升机纬度为1a₁＝34.2，经度为1o₁＝108.9，林火纬度la_p、经度lo_p分别为

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000=34.2012,$

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right]=108.8977.$

则t1时刻计算得到的林火位置为东经108.8977度，北纬34.2012度。

步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t₂时刻机载红外探测设备的红外光轴

所在直线L₂在大地坐标系OXYZ下的直线方程。

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\η}}_{21}}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\η}}_{22}}=\frac{z-(H_2-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{23}}.$

重复步骤二，根据机载红外探测设备的俯仰角θ₂＝-60.3441、方位角

计算ε₂，

计算L₂在OXYZ坐标系下的方向矢量η₂，直升机航向角、横滚角、俯仰角分别为γ₁＝-10、β₁＝0、α₁＝0，则

$R_h(-10)=\left[\begin{array}{ccc}0.9848& 0.1736& 0\\ -0.1736& 0.9848& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

$R_p\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_r\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_2=R_r\left(0\right)R_p\left(0\right)R_h(-10)=\left[\begin{array}{ccc}0.9848& 0.1736& 0\\ -0.1736& 0.9848& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

则

η₂＝R₂ε₂＝[0.3833，0.3131，-0.8689]^T.

然后计算x₀，y₀，

x₀＝455.1000，y0＝-82.6213.

将x₀，y₀，H₂＝1200，H₀＝400及η₂＝[0.3833，0.3131，-0.8689]^T，代入下式中

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\η}}_{21}}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\η}}_{22}}=\frac{z-(H_2-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{23}},$

计算得L₂方程为：

$\frac{x_2}{0.3833}=\frac{y_2}{0.3131}=\frac{z_2-800}{-0.8689}.$

步骤六：修正林火位置。计算L₁、L₂上距离最近的两点P₁、P₂，取P₁点的

坐标(x_p，y_p，z_p)作为林火位置。

在简单搜索算法中，取h₀＝10，M＝1000000。计算可得符合条件的P₁点坐标为：

x_p＝119.8335，y_p＝188.4936，z_p＝60.

t₁时刻直升机纬度为la₁＝34.2，经度为lo₁＝108.9，修正后的林火纬度la_p和经度lo_p如下：

la_p＝la₁+119.8335/111000＝34.2011，

lo_p＝lo₁-188.4936/[111000cos(la_p)]＝108.8979，

海拔：z₁+H₀＝460.

得到林火位置为海拔460米，东经108.8979度，北纬为34.2011度。

Claims (2)

1.一种直升机森林救火林火定位方法，直升机检测到林火之后，对该林火的具体位置进行定位，其特征在于，由以下步骤组成：

步骤一：分别建立机体坐标系和大地坐标系：

(1)建立机体坐标系：以机载红外探测设备旋转中心为原点O′，以沿机体纵轴指向机头方向为X′轴正方向，以沿机体横轴指向左侧的方向为Y′轴正向，按照右手系建立机体直角坐标系O′X′Y′Z′；

(2)建立大地坐标系：以直升机t₁时刻所处的位置在地面的投影为原点O，以正北方向为X轴正向，以竖直向上方向为Z轴正向，按照右手系建立大地坐标系OXYZ；

步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ₁、方位角

计算t₁时刻机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：

(1)计算t₁时刻直线L₁在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量

(2)运用坐标变换的方法，计算t₁时刻直线L₁在OXYZ坐标系下的方向矢量η₁：

η₁＝[η₁₁，η₁₂，η₁₃]^T＝R₁ε₁

其中R₁＝R_r(β₁)R_p(α₁)R_h(γ₁)，γ₁、β₁、α₁分别为直升机的航向角、横滚角、俯仰角，

$R_h\left({\mathrm{\γ}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\γ}}_1& -\sin {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\γ}}_1& \cos {\mathrm{\γ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R_p\left({\mathrm{\α}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_1& 0& \sin {\mathrm{\α}}_1\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\α}}_1& 0& \cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right],$

$R_r\left({\mathrm{\β}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\β}}_1& -\sin \\ 0& \sin {\mathrm{\β}}_1& \cos {\mathrm{\β}}_1\end{array},{\mathrm{\β}}_1\right].$

步骤三：计算t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1：

(1)计算直线L₁在大地坐标系OXYZ下的方程：直升机在t₁时刻空中的位置为点Q1，Q1在大地坐标系下的坐标为(0，0，H₁-H₀)，则L₁的直线方程为

$\frac{x}{{\mathrm{\η}}_{11}}=\frac{y}{{\mathrm{\η}}_{12}}=\frac{z-(H_1-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{13}}$

其中，H₀为当地海拔高度，H₁为t₁时刻直升机绝对气压高度

(2)计算直线L₁与地平面OXY(z＝0)的交点，得到t₁时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标(-η₁₁(H₁-H₀)/η₁₃，-η₁₂(H₁-H₀)/η₁₃，0)；

步骤四：计算t₁时刻林火的经度、纬度：

林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000,$

若直升机位于南纬，则

${\mathrm{la}}_p={\mathrm{la}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{11}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/111000.$

林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1+\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right],$

若直升机位于西经位置，则

${\mathrm{lo}}_p={\mathrm{lo}}_1-\frac{{\mathrm{\η}}_{12}}{{\mathrm{\η}}_{13}}(H_1-H_0)/\left[111000\cos \left({\mathrm{la}}_p\right)\right].$

其中，lo₁与la₁分别代表直升机在t₁时刻经度和纬度，数值111000表示1纬度的距离，单位米；

步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t₂时刻机载红外探测设备的红外光轴所在直线L₂在大地坐标系OXYZ下的直线方程：

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\η}}_{21}}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\η}}_{22}}=\frac{z-(H_2-H_0)}{{\mathrm{\η}}_{23}},$

其中(x₀，y₀，H₂-H₀)为t₂时刻直升机在大地坐标系OXYZ下坐标，x₀，y₀按下述方法计算：

计算x₀：

若直升机位于北纬位置，则

x0＝(la₂-la₁)/111000，

若直升机位于南纬，则

x₀＝-(la₂-la₁)/111000.

计算y₀：

若直升机位于东经位置，则

y₀＝-(lo₂-lo₁)/[111000cos(la₂)]，

若直升机位于西经位置，则

y₀＝(lo₂-lo₁)/[111000cos(la₂)].

步骤六：修正林火位置：计算L₁、L₂上距离最近的两点P₁、P₂，取P₁点的坐标(x_p，y_p，z_p)作为林火位置；修正后的林火经度、纬度如下：

修正后林火纬度la_p：

若直升机位于北纬位置，则

la_p＝la₁+x_p/111000，

若直升机位于南纬，则

la_p＝la₁-x_p/111000.

修正后林火经度lo_p：

若直升机位于东经位置，则

lo_p＝lo₁-y_p/[111000cos(la_p)]，

若直升机位于西经位置，则

lo_p＝lo₁+y_p/[111000cos(la_p)].

则林火海拔高度：z_p+H₀。

2.根据权利要求1所述的一种直升机森林救火林火定位方法，其特征在于，所述步骤六通过简单搜索步骤完成，包括以下步骤：

(1)初始化搜索步长h₀，设临时变量h＝0，临时变量d₁和d₂，d₂＝d₁＝M，M取一个很大的数，表示正无穷大；

(2)x＝x₁，y＝y₁，z＝z₁，将z₁＝h，z₂＝h代入(i)和(ii)式中，计算x1，x2，y1，y2，计算d₂＝(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²；

(3)若d₂＞d₁，则林火坐标为(x，y，z)，按照步骤四计算林火经度、纬度，z-H₀为林火海拔位置；若d₂≤d₁，则d₁＝d₂，h＝h+h₀，返回b)。

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