CN102880195A - 一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法 - Google Patents

Abstract

一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，适用于车载平台光电跟踪系统。所要解决的问题是，车载平台难以高精度调平和调平后状态不稳定，导致光电跟踪系统的引导精度低甚至难以引导。把高精度电子水平仪固定在与方位轴垂直的平面上，高精度电子水平仪的横向与方位旋转方向相切；高精度电子水平仪通过串口向计算机实时传输数据，通过高精度电子水平仪和测角元器件的测量数据对目标位置的引导数据进行准实时修正，再经系统误差修正后实现车载平台光电跟踪系统的高精度引导。

Description

一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法

技术领域

本发明涉及一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，具体的说，就是针对车载平台调平精度低，随着外界环境的变化，车载平台状态不稳定而导致车载平台光电跟踪系统引导精度低或难以正确引导的缺陷，实现与地基光电跟踪系统相当的引导精度，而基本不受车载平台状态变化的影响。

背景技术

为了快速捕获目标，往往需要对光电跟踪系统进行较高精度的引导。对于地基光电跟踪系统，由于地基状态稳定，通过系统误差修正方法，在相当长时间内均可实现高精度引导。目前，为了保证多数光电跟踪系统的机动性，不是落在地基上，而是在车载平台上进行工作。为实现对光电跟踪系统的高精度引导，车载平台需要进行高精度高平且保持状态稳定，但车载平台的调平精度远不能满足实际需要，且车载平台的状态会随着外界环境的变化而变化，目前采取的主要措施是提高车载平台的调平精度和状态稳定性、在外界环境相对稳定的时间段内工作，此类方法难度大，效率低且效果不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服车载平台光电跟踪系统引导精度低或难以正确引导的缺陷，提供一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，在保证对车载光电跟踪系统高精度引导的前提下，工程实现难度小。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，其特征在于：所述方法实现采用装置包括测角元器件1、高精度电子水平仪2（对光电跟踪系统实现引导本身即为高精度引导，电子水平仪的精度要根据光学成像系统的视场大小及要求的引导精度确定，目前应用较为普遍的是分辨率达到0.2″的电子水平仪，对于本领域技术人员是可以理解的）、串口连线3、接口电路板4、计算机5、时统系统6、光电跟踪系统调平机构7和车载平台调平机构8；高精度电子水平仪2通过接口电路板4和串口连线3与时统系统6连接；在时统系统6的作用下，计算机5从高精度电子水平仪2和测角元器件1中同步获取数据；所述方法实现步骤如下：

第一步：高精度电子水平仪2的安装：

把高精度电子水平仪2固定在与方位轴垂直的平面上，高精度电子水平仪2的横向与方位旋转方向相切，并标定高精度电子水平仪2沿方位角度方向相对视轴的位置θ₀，高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，导致引导值误差满足下式：

ΔA′≤Δc·sinα

ΔE′≤Δc·sinα

Δc：高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，用角度表示

ΔA′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在方位方向上的偏差

ΔE′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在俯仰方向上的偏差

α：方位轴的最大倾斜角度；

根据光电跟踪系统的视场大小及引导精度要求对高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差提出要求；

第二步：光电跟踪系统的调平：

通过光电跟踪系统调平机构7和车载平台调平机构8把方位轴的倾斜误差调整到高精度电子水平仪2量程范围内，并保证在外界环境作用下，方位轴的倾斜误差在高精度电子水平仪2量程范围内变化；

第三步：高精度电子水平仪2与测角元器件1数据的获取：

光电跟踪系统的方位每旋转一周，至少从高精度电子水平仪2中提取三组数据，第一组数据D₀对应方位测角元器件的位置γ₀，第二组数据D₁对应方位测角元器件的位置γ₀+π/2，第三组数据D₂对应方位测角元器件的位置γ₀+π，提取数据时通过时统系统6保证同步提取，并求取高精度电子水平仪2D₁相对D₀，D₂相对D₀的倾角差Δv₁和Δv₂：

Δv₁＝(D₁-D₀)×f

Δv₂＝(D₂-D₀)×f

f为高精度电子水平仪2的分辨率；

第四步：光电跟踪系统方位轴倾斜角度与倾斜方向的求解：

通过下式计算光电跟踪系统方位轴的倾斜角度α和相对θ₀的倾斜方向β：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{-\mathrm{\π}}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}=\frac{2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)-\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\mathrm{\π}}\\ \mathrm{tg\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)-2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)}\end{array}\right.$

第五步：由恒星相对站址的理论位置求解对光电跟踪系统的引导值，并求解所采用系统误差修正模型的修正参数：

设光电跟踪系统以大地北为方位零位，视轴与方位轴垂直时为俯仰零位；高精度电子水平仪2的安装位置沿方位角方向与视轴的夹角为θ₀，第一次读数时对应测角元器件的计数为γ₀，则方位轴的倾斜方向在方位方向表示为：

A_H＝θ₀+γ₀-β

在站址位置，恒星的理论方位为（A₀，E₀），由恒星表查得，相对倾斜角度为α、倾斜方向为A_H时对恒星的测量值为方位角A′和俯仰角E′，两者之间的关系为：

$\tan (A^{\′}-A_H)=\frac{\cos E_0\sin A_0\cos A_H-\cos E_0\cos A_0\sin A_H}{\cos E_0\sin A_0\cos \mathrm{\α}\sin A_H+\cos E_0\cos A_0\mathrm{\α}\cos A_H-\sin E_0\sin \mathrm{\α}}=\frac{x^{\′}}{y^{\′}}$

x′＝cosE₀sinA₀cosA_H-cosE₀cosA₀sinA_H

y′＝cosE₀sinA₀cosαsinA_H+cosE₀cosA₀cosαcosA_H-sinE₀sinα

E′＝arcsin(cosE₀sinA₀sinαsinA_H+cosE₀cosA₀sinαcosA_H+sinE₀cosα)

mod(x,y)表示x对y求余；其中x、y仅用来解释函数mod(x,y)的意义。

以多颗恒星为样本，恒星相对站址的理论位置并消除α和A_H的影响后所得的（A′，E′）作为光电跟踪系统的引导值进行系统误差修正，求出系统误差修正模型的修正参数。系统误差修正模型采用球谐函数或、单向差等系统误差修正方法；

第六步：光电跟踪系统倾斜状态发生变化时对目标高精度引导的实现：

是在外界环境的影响下（如温度或车载平台的状态等），当方位轴的倾斜角度α或倾斜方向A_H发生变化时，用第五步中的公式重新求取恒星或其他目标对光电跟踪系统的引导值（A′，E′），仍用第五步中的系统误差修正模型及所得系统误差修正参数，求得光电跟踪系统的测量值，实现对恒星或其他目标的高精度引导。

在所述步骤（4）中方位轴旋转一周内，取多组γ₀、γ₀+π/2、γ₀+π然后取多组测量计算结构的平均值作为α和β的值，以提高测量计算精度。

本发明与现有技术相比有以下优点：

（1）本发明通过高精度电子水平仪、接口电路板、串口连线、测角元器件、时统系统和计算机，能够对光电跟踪系统方位轴的倾斜角度和倾斜方向进行准实时监测，并把监测数据对引导数据进行修正，在车载平台调平精度不高、调平状态不稳定的情况下实现高精度引导。

（2）本发明降低了对车载平台调平精度和状态稳定的要求，大大降低了对车载平台光电跟踪系统实现高精度引导的难度和成本。

附图说明

图1为本发明中车载平台光电跟踪系统的一种高精度引导方法的结构组成及布局示意图；

图2为本发明中车载平台光电跟踪系统的一种高精度引导方法的具体实现过程。

图中1测角元器件，2为高精度电子水平仪，3为串口连线，4为接口电路板，5为计算机，6为时统系统，7为光电跟踪系统调平机构，8为车载平台调平机构。

具体实施方式

如图1所示，车载平台光电跟踪系统的一种高精度引导方法主要包括测角元器件1、高精度电子水平仪2、串口连线3、接口电路板4、计算机5、时统系统6、光电跟踪系统调平机构7和车载平台调平机构8；高精度电子水平仪2通过接口电路板4和串口连线3与时统系统6连接；在时统系统6的作用下，计算机5可从由高精度电子水平仪2和测角元器件1中同步获取数据。

车载平台光电跟踪系统的一种高精度引导方法具体实现步骤如图2所示。

第一步：高精度电子水平仪2的安装：

把高精度电子水平仪2固定在与方位轴垂直的平面上，高精度电子水平仪2的横向与方位旋转方向相切，并标定高精度电子水平仪2沿方位角度方向相对视轴的位置θ₀。高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，导致引导值误差满足下式：

ΔA′≤Δc·sinα

ΔE′≤Δc·sinα

Δc：高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，用角度表示。

ΔA′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在方位方向上的偏差

ΔE′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在俯仰方向上的偏差

α：方位轴的最大倾斜角度。

根据光电跟踪系统的视场大小及引导精度要求对高精度电子水平仪2的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差提出要求。本实施中，α=2′，Δc＝0.5°，即ΔA′≤1″和ΔE′≤1″。

第二步：光电跟踪系统的调平：

通过光电跟踪系统调平机构7和车载平台调平机构8把方位轴的倾斜误差调整到高精度电子水平仪2量程范围内。并保证在外界环境作用下，方位轴的倾斜误差在高精度电子水平仪2量程范围内变化。本实施中，调平误差为20″，高精度电子水平仪2量程为2′。

第三步：高精度电子水平仪2与测角元器件1数据的获取：

光电跟踪系统的方位每旋转一周，至少从高精度电子水平仪2中提取三组数据，第一组数据D₀对应方位测角元器件的γ₀位置，第二组数据D₁对应方位测角元器件的γ₀+π/2位置，第三组数据D₂对应方位测角元器件的γ₀+π位置，提取数据时通过时统系统6保证同步提取。并求取高精度电子水平仪2D₁相对D₀，D₂相对D₀的倾角差Δv₁和Δv₂：

Δv₁＝(D₁-D₀)×f

Δv₂＝(D₂-D₀)×f

f：高精度电子水平仪2的分辨率。本实施中，高精度电子水平仪2的分辨率为0.2″。

第四步：光电跟踪系统方位轴倾斜角度与倾斜方向的求解：

通过下式计算光电跟踪系统方位轴的倾斜角度α和相对θ₀的倾斜方向β：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{-\mathrm{\π}}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}=\frac{2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)-\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\mathrm{\π}}\\ \mathrm{tg\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)-2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)}\end{array}\right.$

为进一步提高测量计算精度，在方位轴旋转一周内，取多组γ₀、γ₀+π/2、γ₀+π然后取多组测量计算结构的平均值作为α和β的值。本实施中，仅取了一组γ₀、γ₀+π/2、γ₀+π。

第五步：由恒星相对站址的理论位置求解对光电跟踪系统的引导值，并求解所采用系统误差修正模型的修正参数：

设光电跟踪系统以大地北为方位零位，视轴与方位轴垂直时为俯仰零位。高精度电子水平仪2的安装位置沿方位角方向与视轴的夹角为θ₀，第一次读数时对应测角元器件的计数为γ₀，则方位轴的倾斜方向在方位方向表示为：

A_H＝θ₀+γ₀-β

在站址位置，恒星的理论方位为（A₀，E₀），可由恒星表查得。相对倾斜角度为α、倾斜方向为A_H时对恒星的测量值为方位角A′和俯仰角E′，两者之间的关系为：

$\tan (A^{\′}-A_H)=\frac{\cos E_0\sin A_0\cos A_H-\cos E_0\cos A_0\sin A_H}{\cos E_0\sin A_0\cos \mathrm{\α}\sin A_H+\cos E_0\cos A_0\mathrm{\α}\cos A_H-\sin E_0\sin \mathrm{\α}}=\frac{x^{\′}}{y^{\′}}$

x′＝cosE₀sinA₀cosA_H-cosE₀cosA₀sinA_H

y′＝cosE₀sinA₀cosαsinA_H+cosE₀cosA₀cosαcosA_H-sinE₀sinα

E′＝arcsin(cosE₀sinA₀sinαsinA_H+cosE₀cosA₀sinαcosA_H+sinE₀cosα)

mod(x,y)表示x对y求余。

以多颗恒星为样本，恒星相对站址的理论位置并消除α和A_H的影响后所得的（A′，E′）作为光电跟踪系统的引导值进行系统误差修正，求出系统误差修正模型的修正参数。系统误差修正模型采用球谐函数或、单向差等系统误差修正方法。本实施中，采用的是球谐函数的系统误差修正模型。

第六步：光电跟踪系统倾斜状态发生变化时对目标高精度引导的实现：

在外界环境的影响下（如温度或车载平台的状态等），当方位轴的倾斜角度α或倾斜方向A_H发生变化时，用第五步中的公式重新求取恒星或其他目标对光电跟踪系统的引导值（A′，E′），仍用第五步中的系统误差修正模型及所得系统误差修正参数，求得光电跟踪系统的测量值，实现对恒星或其他目标的高精度引导。

总之，本发明通过测角元器件和高精度电子水平仪，对光电跟踪系统方位轴倾斜角度与倾斜方向进行准实时测量计算，并对恒星或目标相对站址的理论位置消除方位轴倾斜角度与倾斜方向的影响后，作为光电跟踪系统的引导值，结合系统误差修正实现车载平台光电跟踪系统的高精度引导，解决了车载平台光电跟踪系统引导精度低甚或难以正确引导的问题。具体实施证明，当车载光电跟踪系统的方位轴倾斜状态在高精度电子水平仪的量程范围内变化时，本发明依然可以对光电跟踪系统进行高精度引导，而不存在以前所遇到的引导精度差的现象。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，其特征在于：所述方法实现采用装置包括测角元器件（1）、高精度电子水平仪（2）、串口连线（3）、接口电路板（4）、计算机（5）、时统系统（6）、光电跟踪系统调平机构（7）和车载平台调平机构（8）；高精度电子水平仪（2）通过接口电路板（4）和串口连线（3）与时统系统（6）连接；在时统系统（6）的作用下，计算机（5）从高精度电子水平仪（2）和测角元器件（1）中同步获取数据；所述方法实现步骤如下：

第一步：高精度电子水平仪（2）的安装：

把高精度电子水平仪（2）固定在与方位轴垂直的平面上，高精度电子水平仪（2）的横向与方位旋转方向相切，并标定高精度电子水平仪（2）沿方位角度方向相对视轴的位置θ0，高精度电子水平仪（2）的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，导致引导值误差满足下式：

ΔA′≤Δc·sinα

ΔE′≤Δc·sinα

Δc：高精度电子水平仪（2）的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差，用角度表示

ΔA′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在方位方向上的偏差

ΔE′：恒星或其他目标位置理论引导值与计算引导值在俯仰方向上的偏差

α：方位轴的最大倾斜角度；

根据光电跟踪系统的视场大小及引导精度要求对高精度电子水平仪（2）的横向与以方位轴为中心的径向的垂直度误差提出要求；

第二步：光电跟踪系统的调平：

通过光电跟踪系统调平机构（7）和车载平台调平机构（8）把方位轴的倾斜误差调整到高精度电子水平仪（2）量程范围内，并保证在外界环境作用下，方位轴的倾斜误差在高精度电子水平仪（2）量程范围内变化；

第三步：高精度电子水平仪（2）与测角元器件（1）数据的获取：

光电跟踪系统的方位每旋转一周，至少从高精度电子水平仪（2）中提取三组数据，第一组数据D₀对应方位测角元器件的位置γ₀，第二组数据D₁对应方位测角元器件的位置γ₀+π/2，第三组数据D₂对应方位测角元器件的位置γ₀+π，提取数据时通过时统系统（6）保证同步提取，并求取高精度电子水平仪（2）D₁相对D₀，D₂相对D₀的倾角差Δv₁和Δv₂：

Δv₁＝(D₁-D₀)×f

Δv₂＝(D₂-D₀)×f

f为高精度电子水平仪（2）的分辨率；

第四步：光电跟踪系统方位轴倾斜角度与倾斜方向的求解：

通过下式计算光电跟踪系统方位轴的倾斜角度α和相对θ₀的倾斜方向β：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{-\mathrm{\π}}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}=\frac{2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)-\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\mathrm{\π}}\\ \mathrm{tg\β}=\frac{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)}{\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_2\right)-2\sin \left(\mathrm{\Δ}{v}_1\right)}\end{array}\right.$

第五步：由恒星相对站址的理论位置求解对光电跟踪系统的引导值，并求解所采用系统误差修正模型的修正参数：

设光电跟踪系统以大地北为方位零位，视轴与方位轴垂直时为俯仰零位；高精度电子水平仪（2）的安装位置沿方位角方向与视轴的夹角为θ₀，第一次读数时对应测角元器件的计数为γ₀则方位轴的倾斜方向在方位方向表示为：

A_H＝θ₀+γ₀-β

在站址位置，恒星的理论方位为（A₀，E₀），由恒星表查得，相对倾斜角度为α、倾斜方向为A_H时对恒星的测量值为方位角A′和俯仰角E′，两者之间的关系为：

$\tan (A^{\′}-A_H)=\frac{\cos E_0\sin A_0\cos A_H-\cos E_0\cos A_0\sin A_H}{\cos E_0\sin A_0\cos \mathrm{\α}\sin A_H+\cos E_0\cos A_0\mathrm{\α}\cos A_H-\sin E_0\sin \mathrm{\α}}=\frac{x^{\′}}{y^{\′}}$

x′＝cosE₀sinA₀cosA_H-cosE₀cosA₀sinA_H

y′＝cosE₀sinA₀cosαsinA_H+cosE₀cosA₀cosαcosA_H-sinE₀sinα

E′＝arcsin(cosE₀sinA₀sinαsinA_H+cosE₀cosA₀sinαcosA_H+sinE₀cosα)

mod(x,y)表示x对y求余；

以多颗恒星为样本，恒星相对站址的理论位置并消除α和A_H的影响后所得的（A′，E′）作为光电跟踪系统的引导值进行系统误差修正，求出系统误差修正模型的修正参数。系统误差修正模型采用球谐函数或、单向差等系统误差修正方法；

第六步：光电跟踪系统倾斜状态发生变化时对目标高精度引导的实现：

在外界环境的影响下，当方位轴的倾斜角度α或倾斜方向A_H发生变化时，用第五步中的公式重新求取恒星或其他目标对光电跟踪系统的引导值（A′，E′），仍用第五步中的系统误差修正模型及所得系统误差修正参数，求得光电跟踪系统的测量值，实现对恒星或其他目标的高精度引导。

2.根据权利要求1所述的一种用于车载平台光电跟踪系统的高精度引导方法，其特征在于：在所述步骤（4）中方位轴旋转一周内，取多组γ₀、γ₀+π/2、γ₀+π然后取多组测量计算结构的平均值作为α和β的值，以提高测量计算精度。

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