CN103604427B - 对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法，属于无人机系统应用等领域。该无人机系统包括：无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端，所述无人机本体具有获取装置，所述机载光电转塔具有光电传感器和稳瞄平台，所述地面控制终端具有确定装置、跟踪指令生成装置、解算装置和预测装置。本发明提供的上述技术方案能实时输出被跟踪的地面移动目标的经纬度等地理坐标信息，还对原始地理坐标信息准确快速拟合，预测评估其运动趋势，并对原始地理坐标信息进行筛选，实现移动目标轨迹展示与预测，其得到的定位精度逼近静态定位，能够满足火炮等武器初始对准要求，并为无人机情报系统与全军情报收集网络融合处理提供了可能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机系统应用、光电稳瞄、图像处理、摄影测量、遥测数据处理领域，特别涉及一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法。
背景技术
在无人机的使用过程中，以图像侦察为主。随着对目标定位的需求，例如引导战斗机或导弹进行火力打击，校正火炮瞄准参数等，无人机开始具有目标定位能力。
现有技术中，目标定位的实现方法为:无线链路接收无人机的空间位置、光轴稳定平台的摄像的参数，将某一时刻的侦察图像“冻结”后，目标定位计算与转塔伺服机构是否仍跟踪目标无关，目标点的坐标由地面指挥站中操作手选择并判定。已知图像像素点屏幕坐标，可以确定目标的地理坐标，此方法主要应用在对地面静态目标如隐匿中的坦克、建筑物等。其执行流程如附图1所示。
此种处理技术通常有两个特点：
1、非同帧数据“冻结”方式，也即是电视画面“冻结”时，视频数据与遥测数据采用不同的信道传输到地面。这种方式未考虑数据的同步问题，地面数据处理也是按照视频数据与遥测数据的获得时刻进行同步化处理。因为未考虑视频产生、压缩、解压、链路传输延时等因素，会产生较大误差。
2、准实时获取同区段内多个目标信息，也即是能够在特点1的基础上，对冻结后的电视画面内任意多个目标进行重复定位。这种方式虽然能较大程度上精细化描述同时刻视场内信息，但因实际应用中多个目标并非同时或同向移动，此方式信息获取存在较大滞后。
此外，还有其它仅为理论阶段的方法诸如基于图像匹配的目标定位方法，精度较高但实战性较差，尚未工程化；通信距离约束下双无人机定位方法和空间两点交会无人机定位方法，原理简单误差引入元素较少，但缺乏可操作性。这些方法难以工程实现且在实际应用过程中，都无法对地面移动目标实时定位，且对固定目标位置计算精度不高，而且无法实现动态定位和目标行为预测。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种对地面移动目标动态定位的无人机系统和方法，所述无人机系统包括：无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端；所述机载光电转塔具有：光电传感器，用于获取含有地面移动目标的图像；稳瞄平台，用于获取所述稳瞄平台的高低角和方位角，并接收所述地面控制终端发送的跟踪指令，对待定位的地面移动目标进行实时跟踪，所述跟踪指令包括高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；所述无人机本体具有：获取装置，用于获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度；所述地面控制终端具有：确定装置，用于通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定所述待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息；跟踪指令生成装置，用于根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成所述跟踪指令；解算装置，用于根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；预测装置，用于根据所述待定位的地面移动目标在将来的一个时刻hT的第二坐标信息和已解算的在rT时刻以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息，rT时刻是处于将来的一个时刻hT和将来的下一个时刻(h+1)T之间的时刻；其中，h，r都为自然数，T为采样时间。
在如上所述的无人机系统中，优选，所述确定装置具体包括：显示单元，将所述光电传感器获取的图像显示出来；第一确定单元，检测所述显示单元显示的图像上的触碰信号，将所述触碰信号对应的地面移动目标确定为待定位的地面移动目标，并将所述触碰信号转化为所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息。
在如上所述的无人机系统中，优选，所述跟踪指令生成装置，具体用于：根据公式A生成跟踪指令；其中：
XG、YG为待定位的地面移动目标的第一坐标信息，-1＜k1＜1，-1＜k2＜1，k1、k2不为0；ξ和η分别为所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角，ξ0和η0分别为所述稳瞄平台在下一时刻的高低角和方位角，和分别为从当前时刻到所述下一时刻所述稳瞄平台的高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；Sξ＝sinξ，Cξ＝cosξ，Sη＝sinη，Cη＝cosη，f为光电传感器的焦距值。
在如上所述的无人机系统中，优选，所述解算装置具体包括：第一转换单元，用于根据大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系，将将所述无人机本体在当前时刻的第二坐标信息转化为所述无人机本体在当前时刻的第三坐标信息，所述第三坐标信息为在空间直角坐标系中的坐标信息；解算单元，用于根据公式B进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；第二转换单元，用于根据空间直角坐标系与大地坐标系的转换关系，将所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息；其中：
(Xm，Ym)为所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；(Xs，Ys)为所述无人机本体在当前时刻的第三坐标信息；H为所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度；
a1＝cos(ψ)*cos(θ)*cos(η)*cos(ξ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-sin(ψ)*cos(γ))-sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
a2＝-cos(ψ)*cos(θ)*sin(η)+cos(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))；
a3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(ψ)*cos(θ)+sin(ξ)*sin(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))+cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
b1＝cos(η)*cos(ξ)*sin(ψ)*cos(θ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))-sin(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
b2＝-sin(η)*cos(θ)*sin(ψ)+cos(η)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(θ)*sin(γ))；
b3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(ψ)+sin(η)*sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))+cos(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
c1＝-cos(η)*cos(ξ)*sin(θ)+sin(η)*cos(ξ)*cos(θ)*sin(γ)-sin(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
c2＝sin(η)*sin(θ)+cos(η)*cos(θ)*sin(γ)；
c3＝-cos(η)*sin(ξ)*sin(θ)+sin(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(γ)+cos(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
θ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的俯仰角，所述俯仰角绕所述无人机本体的机体系轴旋转，抬头为正；γ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的滚转角，所述滚转角绕所述无人机本体的机体系轴旋转，右滚为正；ψ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的航向角，所述航向角从所述无人机本体的机身上方俯视，所述无人机本体的机头顺时针旋转为正。
在如上所述的无人机系统中，优选，所述预测装置具体包括：第三转化单元，用于将已解算的在rT时刻以前的第二坐标信息转化为在rT时刻以前的第四坐标信息，其集合为：S1＝{[X(l),Y(l)]|l＝1,2,…r}，所述第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息；第二确定单元，用于根据公式C确定预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息所需的采样数据，其集合为S2；拟合单元，利用最小二乘法分别对集合S2的X方向的分量集合Sx和Y方向的分量集合Sy进行多项式拟合，分别得到X方向拟合函数和Y方向的拟合函数预测单元，根据所述预测待定位的地面移动目标在将来第五的下一个时刻(h+1)T在X方向的位置信息为根据所述预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T在Y方向的位置信息为所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息为第四转化单元，将所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息；其中，公式C为
S2＝{[X(h-r+l),Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
X方向的分量集合Sx为{[(h-r+l)T,X(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
Y方向的分量集合Sy为{[(h-r+l)T,Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；l为自然数。
在如上所述的无人机系统中，优选，所述预测装置还具有筛选单元，所述筛选单元具体用于：设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在rT时刻以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在rT时刻以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替；其中，所述公式D和公式E分别为：
n为自然数，b为正数；表示集合S1中第k3个数据，表示集合S1中第k3-i个数据。
本发明另一实施例提供了一种基于上述无人机系统的对地面移动目标动态定位的方法，该方法包括：机载光电转塔的光电传感器获取含有地面移动目标的图像，并将所述图像发送至地面控制终端的确定装置；在确定装置中，操作者通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息；无人机本体的获取装置获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度；所述地面控制终端的跟踪指令生成装置根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成跟踪指令，所述跟踪指令包括稳瞄平台的高低角跟踪指令和方向角跟踪指令；所述机载光电转塔的稳瞄平台根据所述跟踪指令对所述待定位的地面移动目标进行实时跟踪；地面控制终端的解算装置根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；地面控制终端的预测装置根据所述待定位的地面移动目标在将来一个时刻hT的第二坐标信息和已解算的在rT时刻以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息；h、r都为自然数，T为采样时间。
在如上所述的方法中，优选，所述跟踪指令生成装置根据公式A生成跟踪指令，其中：
XG、YG为待定位的地面移动目标的第一坐标信息，-1＜k1＜1，-1＜k2＜1，k1、k2不为0；ξ和η分别为所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角，ξ0和η0分别为所述稳瞄平台在下一时刻的高低角和方位角，和分别为从当前时刻到所述下一时刻所述稳瞄平台的高低角跟踪指令和方位角的跟踪指令；Sξ＝sinξ，Cξ＝cosξ，Sη＝sinη，Cη＝cosη，f为光电传感器的焦距值。
在如上所述的方法中，优选，所述预测装置在预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息之前还包括：设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在rT时刻以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在rT时刻以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替；其中，所述公式D和公式E分别为
n为自然数，b为正数；已解算的在rT时刻以前的第四坐标信息的集合为S1＝{[X(l),Y(l)]|l＝1,2,…r}；表示集合S1中第k3个数据，表示集合S1中第k3-i1个数据，所述第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息。
本发明实施例带来的有益效果如下：
通过实时跟踪待定位的地面移动目标，实时输出被跟踪的待定位的地面移动目标的经纬度等大地(地理)坐标信息，还对原始地理坐标信息准确快速拟合，预测评估其运动趋势，并对原始地理坐标信息进行筛选，实现地面移动目标轨迹展示与预测，提高了定位精度，其得到的定位精度逼近静态定位，能够满足火炮等武器初始对准要求，并为无人机情报系统与全军情报收集网络融合处理提供了可能。
附图说明
图1是现有技术中一种对地面移动目标动态定位的方法的流程示意图
图2是本发明实施例提供的一种对地面移动目标动态定位的无人机系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于无人机系统的对地面移动目标动态定位的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种地面控制终端的显示单元的示意图；
图5是在使用高精度车载定位系统采集的地面移动目标轨迹在滤波前后的路径示意图；
图6是本发明实施例提供的采用无人机系统对地面移动目标动态定位轨迹在滤波前后的路径示意图；
图7是本发明实施例提供的采用无人机系统对地面移动目标动态定位轨迹与高精度车载定位系统采集的地面移动轨迹的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见图2，本发明实施例提供了一种对地面移动目标动态定位的无人机系统，该无人机系统包括：具有获取装置10的无人机本体1、具有光电传感器20和稳瞄平台21的机载光电转塔2、具有确定装置30、跟踪指令生成装置33、解算装置31和预测装置32的地面控制终端3。
其中，获取装置10用于获取无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和无人机本体与待定位的地面移动目标的相对高度。在实际中，无人机本体的三轴姿态角由无人机本体的三轴姿态传感器获取；无人机本体的经度、纬度由无人机本体的机载差分GPS获取，无人机本体与待定位的地面移动目标的相对高度可以由无人机本体的机载差分GPS获取的高度减去待定位的地面移动目标的海拔高度获取，此种方法获取的相对高度误差较大，约为30米；还可以由无人机本体与待定位的地面移动目标的距离(由激光测距仪获得)和无人机本体与待定位的地面移动目标之间的方向角获取，该种方法获取的相对高度误差较小，约为1米。在实际中，根据具体情况进行选择，在图4所示的解算参数选择区42可以进行选择。无人机本体优选为固定翼无人机。
光电传感器20，用于获取含有地面移动目标的图像。在实际中，其可以为CCD摄像机或红外热像仪，在无人机本体飞至地面移动目标上空区域时，光电传感器对地面移动目标进行拍摄以获取含有地面移动目标的图像。
稳瞄平台21，用于获取稳瞄平台21的高低角和方位角，并接收地面控制终端发动的跟踪指令，对待定位的地面移动目标进行实时跟踪。该跟踪指令包括高低角跟踪指令和方位角跟踪指令，稳瞄平台根据跟踪指令调整稳瞄平台的高低角和方位角以对待定位的地面移动目标进行实时跟踪。该跟踪指令可以手动控制发送，还可以依赖图像识别算法自动控制发送，本实施例不对此进行限定。
在实际中，稳瞄平台21优选为两轴四框架陀螺稳定云台。在该云台的稳定作用下，光电传感器20对地面移动目标进行稳定拍摄。在确定待定位的移动目标时(当前时刻)，该云台的高低角和方位角分别为ξ、η，由于无人机本体本身的振动以及与地面移动目标之间的相对运动，为了实现实时跟踪地面移动目标(下一时刻)，即使光电传感器的镜头光轴(视轴)指向地面移动目标，也就是使地面移动目标处于图像的中间位置，该云台需实时调整其高低角和方位角。接收到调整后的高低角跟踪指令和方位角跟踪指令，然后在电机的驱动下使该云台的高低角和方位角处于调整后的高低角和方位角。
确定装置30，用于通过触碰图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标，得到待定位的地面移动目标的第一坐标信息，第一坐标信息为在图像中的坐标信息。其包括：
显示单元，将光电传感器获取的图像显示出来；
第一确定单元，检测显示单元显示的图像上的触碰信号，将触碰信号对应的地面移动目标确定为待定位的地面移动目标，并将触碰信号转化为待定位的地面移动目标的第一坐标信息。
在实际中，光电传感器20对地面移动目标进行图像获取后，通过下行链路将该图像传送回地面控制终端，以在显示单元显示出来。
显示单元可以为非触摸显示器，操作者可以使用鼠标、键盘、手柄或轨迹球触碰图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标。显示器还可以为触摸显示器，操作者还可以使用触摸笔等物体触碰图像中的地面移动目标来确定待定位的地面移动目标。
显示器能检测到用户的触碰信号，并将该触碰信号转化为触碰点相对于显示器屏幕左上角的坐标值。若触碰点分别为图像的左上角和图像中待定位的移动目标，则分别得到图像的左上角相对于显示器屏幕左上角的坐标值和图像中待定位的地面移动目标相对于显示器屏幕左上角的坐标值，将上述两坐标值做减法运算可得图像中待定位的地面移动目标相对于图像左上角的坐标值，即待定位的地面移动目标在图像中的第一坐标信息(XG，YG)。例如，图像左上角相对于显示器屏幕左上角的坐标值为(50，30)，图像中待定位的地面移动目标相对于显示器屏幕左上角的坐标值为(80，40)，则图像中待定位的地面移动目标相对于图像左上角的坐标值为(XG，YG)为(30，10)。需要说明的是上述坐标值的运算是在显示器同一分辨率下进行的，本发明实施例不对触碰点相对于显示器屏幕的某位置进行限定，可以是左上角，还可以是右下角等。需要说明的是地面移动目标在屏幕上的坐标，因被锁定的地面移动目标往往在跟踪十字叉的正中心位置，因此默认与实际屏幕上的坐标重合。显示单元还可以显示无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度以及稳瞄平台的高低角和方位角，如图4所示，侦察图像显示区40显示光电传感器拍摄到的图像，并在该侦察图像显示区40通过手指点击待定位的地面移动目标。实施目标定位后，将目标定位的文本信息叠加在图像上，并在新窗体显示其轨迹和行进趋势。无人机本体和稳瞄平台姿态角显示表盘 41显示无人机本体的姿态角(俯仰角、滚转角、航向角)和稳瞄平台的姿态角(高低角、方向角)。需要说明的是无人机本体的三轴姿态角指的是无人机本体的质心的三轴姿态角。
跟踪指令生成装置，用于根据待定位的地面移动目标的第一坐标信息、稳瞄平台的高低角和方位角生成跟踪指令。
具体地，根据公式A对待定位的地面移动目标实时跟踪；
其中：
XG、YG为待定位的地面移动目标的第一坐标信息，-1＜k1＜1，-1＜k2＜1，k1、k2不为0，如果摄影坐标系中无人机本体在光电传感器上面的投影坐标在对应光电传感器的坐标轴，重合时k1、k2为正，反向时k1、k2为负。例如CCD摄像机为1/3靶面可见光产品，其成像传感器靶面尺寸为4.8×3.6mm，成像大小为840×620像素。则k1＝4.8/840，k2＝3.6/620。
ξ和η分别为稳瞄平台21在当前时刻的高低角和方位角，ξ0和η0分别为稳瞄平台21在下一时刻(为了实现实时跟踪所期望的指向)的高低角和方位角，和分别为从当前时刻到所述下一时刻稳瞄平台21的高低角和方位角的变化量，即高低角跟踪指令和方位角跟踪指令。
Sξ＝sinξ，Cξ＝cosξ，Sη＝sinη，Cη＝cosη，f为光电传感器的焦距值。
符号函数sign()的值由其括号中自变量的计算结果来决定，即：如果(fSξ-k2YGCξ)的计算结果为大于0、小于0或等于0，则符号函数sign(fSξ-k2YGCξ)的结果就是1、-1或0。如果(fSη-k2YGCη)的计算结果为大于0、小于0或等于0，则符号函数sign(fSη-k2YGCη)的结果就是1、-1或0。如果k1XG的结果就是1、-1或0。则符号函数sign(k1XG)的结果就是1、-1或0。
解算装置31，用于根据第一坐标信息、无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、无人机本体在当前时刻与待定位的地面移动目标的相对高度、以及稳瞄平台21在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息。
具体地，解算装置31包括：
第一转换单元，用于根据大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系，将无人机本体在当前时刻的第二坐标信息转化为无人机本体在当前时刻的第三坐标信息，第三坐标信息为在空间直角坐标系中的坐标信息；
解算单元，用于根据公式B进行解算，得到待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；
第二转换单元，用于根据空间直角坐标系与大地坐标系的转换关系，将待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息转化为待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息；
其中：
(Xm，Ym)为待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；
(Xs，Ys)为无人机本体在当前时刻的第三坐标信息；
H为无人机本体在当前时刻与待定位的地面移动目标的相对高度；
a1＝cos(ψ)*cos(θ)*cos(η)*cos(ξ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-sin(ψ)*cos(γ))-sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
a2＝-cos(ψ)*cos(θ)*sin(η)+cos(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))；
a3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(ψ)*cos(θ)+sin(ξ)*sin(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))+cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
b1＝cos(η)*cos(ξ)*sin(ψ)*cos(θ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))-sin(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
b2＝-sin(η)*cos(θ)*sin(ψ)+cos(η)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(θ)*sin(γ))；
b3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(ψ)+sin(η)*sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))+cos(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
c1＝-cos(η)*cos(ξ)*sin(θ)+sin(η)*cos(ξ)*cos(θ)*sin(γ)-sin(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
c2＝sin(η)*sin(θ)+cos(η)*cos(θ)*sin(γ)；
c3＝-cos(η)*sin(ξ)*sin(θ)+sin(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(γ)+cos(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
θ为无人机本体在当前时刻三轴姿态角的俯仰角，绕无人机本体的机体系轴旋转，抬头为正；γ为无人机本体在当前时刻三轴姿态角的滚转角，绕无人机本体的机体系轴旋转，右滚为正；ψ为无人机本体在当前时刻三轴姿态角的航向角，从无人机本体的机身上方俯视，机头顺时针旋转为正。
简言之，解算装置31依据大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系，将无人机本体在大地坐标系中的坐标信息(BLH坐标)转换为在空间直角坐标系中的坐标信息(XYZ坐标)，代入公式B中，得到地面移动目标相对于无人机本体的坐标向量，然后再将该坐标向量转换到大地坐标系中的坐标信息(BLH坐标)，得到地面移动目标的实时地理位置，即GPS坐标。
预测装置32，用于根据待定位的地面移动目标在将来第三时刻h T的第二坐标信息和已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息预测待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第二坐标信息。
具体地，预测装置32包括：
第三转化单元，用于将已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息转化为在第四时刻rT以前的第四坐标信息，其集合为：
S1＝{[X(l),Y(l)]|l＝1,2,…r}，第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息；
第二确定单元，用于根据公式C确定预测待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第四坐标信息所需的采样数据，其集合为S2；
拟合单元，利用最小二乘法分别对集合S2的X方向分量Sx和Y方向的分量集合Sy进行多项式拟合，分别得到X方向拟合函数和Y方向的拟合函数
预测单元，根据预测待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T在X方向的位置信息为
根据预测待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T在Y方向的位置信息为待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第四坐标信息为
第四转化单元，将待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第四坐标信息转化为待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第二坐标信息；
其中，公式C为S2＝{[X(h-r+l),Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
集合Sx为{[(h-r+l)T,X(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
集合Sy为{[(h-r+l)T,Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；h、r、l都为自然数，T为采样时间。
由于解算出的地面移动目标在第四时刻rT以前的第四坐标信息(由第二坐标信息转化而来)中会存在一些误差较大或错误的第四坐标信息，为了提高对地面移动目标的预测精度，预测装置还包括筛选单元，用于在对第四时刻rT以前的第四坐标信息进行多项式拟合之前对该第四坐标信息进行筛选。
具体地，设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于判断门限Qm则保留，否则用在该某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替；
其中，公式D和公式E分别为
n为自然数，b为正数；
表示集合S1中第k3个数据，表示集合S1中第k3-i个数据。
进一步而言，筛选单元具体用于将已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息在X方向的分量进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息在X方向的分量小于等于判断门限Qm则保留，否则用在该某一时刻的前一时刻的第四坐标信息在X方向上的分量代替；将已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息在Y方向的分量进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息在Y方向上的分量小于等于判断门限Qm则保留，否则用在该某一时刻的前一时刻的第四坐标信息在Y方向上的分量代替。
综上所述，本发明实施例的有益效果如下：
通过稳瞄平台实时跟踪待定位的地面移动目标，地面控制终端实时输出被跟踪的待定位的地面移动目标的经纬度等地理坐标信息，还对原始地理坐标信息准确快速拟合，预测评估其运动趋势，并对原始地理坐标信息进行筛选，实现地面移动目标轨迹展示与预测，其得到的定位精度逼近静态定位，能够满足火炮等武器初始对准要求，并为无人机情报系统与全军情报收集网络融合处理提供了可能。
在另一方面，本发明另一实施例还提供了一种对地面移动目标动态定位的方法，参见图3，该方法包括：
步骤S10，机载光电转塔的光电传感器获取含有地面移动目标的图像，并将图像发送至地面控制终端的确定装置；
步骤S20，在确定装置中，操作者通过触碰图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标，得到待定位的地面移动目标的第一坐标信息，第一坐标信息为在图像中的坐标信息；
步骤S30，无人机本体的获取装置获取无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和无人机本体在当前时刻与待定位的地面移动目标的相对高度；
步骤S35，地面控制终端的跟踪指令生成装置根据待定位的地面移动目标的第一坐标信息、稳瞄平台的高低角和方位角生成跟踪指令，跟踪指令包括稳瞄平台的高低角跟踪指令和方向角跟踪指令；
步骤S40，机载光电转塔的稳瞄平台根据跟踪指令对待定位的地面移动目标进行实时跟踪；
步骤S50，地面控制终端的解算装置根据第一坐标信息、无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、无人机本体在当前时刻与待定位的地面移动目标的相对高度、以及稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；
步骤S60，地面控制终端的预测装置根据待定位的地面移动目标在将来第三时刻hT的第二坐标信息和已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息预测待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第二坐标信息；其中，h、r均为自然数，T为采样时间。
为了提高定位精度，在预测所述待定位的地面移动目标在将来第五时刻(h+1)T的第二坐标信息还包括筛选步骤，关于筛选步骤的具体实现方法可参见上述实施例中关于筛选单元的相关描述，此处不再一一赘述。
进一步而言，将已解算的在第四时刻rT以前的第二坐标信息转化为在第四时刻时刻rT以前的第四坐标信息后，将已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息在X方向的分量进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息在X方向的分量小于等于判断门限Qm则保留，否则用在该某一时刻的前一时刻的第四坐标信息在X方向上的分量代替；将已解算的在第四时刻rT以前的第四坐标信息在Y方向的分量进行筛选，如果已解算的在第四时刻rT以前的某一时刻的第四坐标信息在Y方向上的分量小于等于判断门限Qm则保留，否则用在该某一时刻的前一时刻的第四坐标信息在Y方向上的分量代替，然后再进行拟合，预测。
其中，关于步骤S20的具体实现方法可参见上述实施例中关于确定装置30的相关描述，此处不再一一赘述；关于步骤S30的具体实现方法可参见上述实施例中关于获取装置10的相关描述，此处不再一一赘述；关于步骤S35的具体实现方法可参见上述实施例中关于跟踪指令生成装置33的相关描述，此处不再一一赘述；关于步骤S40的具体实现方法可参见上述实施例中关于稳瞄平台21的相关描述，此处不再一一赘述；关于步骤S50的具体实现方法可参见上述实施例中关于解算装置31的相关描述，此处不再一一赘述；关于步骤S60的具体实现方法可参见上述实施例中关于预测装置32的相关描述，此处不再一一赘述。
另外，本系统和方法还可以针对多个(例如P个)地面移动目标同时进行定位，并实时输出多个地面移动目标的地理位置信息(GPS坐标)。具体地，首选确定第一待定位的地面移动目标，并实时跟踪(稳瞄平台会保持第一待定位的地面移动目标始终为视场内)，当(P-1)个待定位的地面移动目标在视场内时，根据其余(P-1)个待定位的地面移动目标与该第一待定位的地面移动目标的矢量间距以及该第一待定位的地面移动目标的地理位置信息，得到其余(P-1)个待定位的地面移动目标的地理位置信息。
采用本发明实施例提供的系统对在地面移动的一车辆进行动态定位的结果如下：
图6为采用本发明的系统绘制该车辆的移动轨迹路径图，并分别绘制了筛选掉瑕点与没筛选瑕点的轨迹路径图；
图5为该车辆上的车载GPS采集的该车辆的移动轨迹路径图，并分别绘制了筛选掉瑕点与没筛选瑕点的轨迹路径图；
图7为采用本发明的系统绘制的移动轨迹路径图与采用高精度车载GPS绘制的移动轨迹路径图的对比。
从图5和图6中可知筛选掉瑕点的轨迹路径比没筛选掉瑕点的轨迹路径更接近实际的轨迹路径。
从图7中可知，本发明的系统绘制的移动轨迹路径图与实际一致性更好。
综上所述，本发明提供的对地面移动目标动态定位的方法的有益效果如下：
通过实时跟踪待定位的地面移动目标，实时输出被跟踪的待定位的地面移动目标的经纬度等地理坐标信息，还对原始地理坐标信息准确快速拟合，预测评估其运动趋势，并对原始地理坐标信息进行筛选，实现地面移动目标轨迹展示与预测，提高了定位精度，其得到的定位精度逼近静态定位，能够满足火炮等武器初始对准要求，并为无人机情报系统与全军情报收集网络融合处理提供了可能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种对地面移动目标动态定位的无人机系统，其特征在于，所述无人机系统包括：
无人机本体、机载光电转塔和地面控制终端；
所述机载光电转塔具有：
光电传感器，用于获取含有地面移动目标的图像；
稳瞄平台，用于获取所述稳瞄平台的高低角和方位角，并接收所述地面控制终端发送的跟踪指令，对待定位的地面移动目标进行实时跟踪，所述跟踪指令包括高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；
所述无人机本体具有：
获取装置，用于获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度；
所述地面控制终端具有：
确定装置，用于通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定所述待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息；
跟踪指令生成装置，用于根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成所述跟踪指令；
解算装置，用于根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；
预测装置，用于根据所述待定位的地面移动目标在将来的一个时刻h T的第二坐标信息和已解算的在r T时刻以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息，r T时刻是处于将来的一个时刻h T和将来的下一个时刻(h+1)T之间的时刻；
其中，h、r都为自然数，T为采样时间。
2.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述确定装置具体包括：
显示单元，将所述光电传感器获取的图像显示出来；
第一确定单元，检测所述显示单元显示的图像上的触碰信号，将所述触碰信号对应的地面移动目标确定为待定位的地面移动目标，并将所述触碰信号转化为所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息。
3.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述跟踪指令生成装置，具体用于：
根据公式A生成跟踪指令；
其中：
XG、YG为待定位的地面移动目标的第一坐标信息，-1<k1<1，-1<k2<1，k1、k2不为0；
ξ和η分别为所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角，ξ0和η0分别为所述稳瞄平台在下一时刻的高低角和方位角，和分别为从当前时刻到所述下一时刻所述稳瞄平台的高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；
Sξ＝sinξ，Cξ＝cosξ，Sη＝sinη，Cη＝cosη，f为光电传感器的焦距值。
4.根据权利要求3所述的无人机系统，其特征在于，所述解算装置具体包括：
第一转换单元，用于根据大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系，将所述无人机本体在当前时刻的第二坐标信息转化为所述无人机本体在当前时刻的第三坐标信息，所述第三坐标信息为在空间直角坐标系中的坐标信息；
解算单元，用于根据公式B进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；
第二转换单元，用于根据空间直角坐标系与大地坐标系的转换关系，将所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息；
其中：
(Xm，Ym)为所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第三坐标信息；
(Xs，Ys)为所述无人机本体在当前时刻的第三坐标信息；
H为所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度；
a1＝cos(ψ)*cos(θ)*cos(η)*cos(ξ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-sin(ψ)*cos(γ))-sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
a2＝-cos(ψ)*cos(θ)*sin(η)+cos(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))；
a3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(ψ)*cos(θ)+sin(ξ)*sin(η)*(cos(ψ)*sin(θ)*sin(γ)-cos(γ)*sin(ψ))+cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)*sin(θ)+sin(ψ)*sin(γ))；
b1＝cos(η)*cos(ξ)*sin(ψ)*cos(θ)+sin(η)*cos(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))-sin(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
b2＝-sin(η)*cos(θ)*sin(ψ)+cos(η)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(θ)*sin(γ))；
b3＝cos(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(ψ)+sin(η)*sin(ξ)*(cos(ψ)*cos(γ)+sin(ψ)*sin(γ)*sin(θ))+cos(ξ)*(sin(ψ)*cos(γ)*sin(θ)-cos(ψ)*sin(γ))；
c1＝-cos(η)*cos(ξ)*sin(θ)+sin(η)*cos(ξ)*cos(θ)*sin(γ)-sin(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
c2＝sin(η)*sin(θ)+cos(η)*cos(θ)*sin(γ)；
c3＝-cos(η)*sin(ξ)*sin(θ)+sin(η)*sin(ξ)*cos(θ)*sin(γ)+cos(ξ)*cos(θ)*cos(γ)；
θ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的俯仰角，所述俯仰角绕所述无人机本体的机体系轴旋转，抬头为正；γ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的滚转角，所述滚转角绕所述无人机本体的机体系轴旋转，右滚 为正；ψ为所述无人机本体在当前时刻三轴姿态角的航向角，所述航向角从所述无人机本体的机身上方俯视，所述无人机本体的机头顺时针旋转为正。
5.根据权利要求1所述的无人机系统，其特征在于，所述预测装置具体包括：
第三转化单元，用于将已解算的在r T时刻以前的第二坐标信息转化为在r T时刻以前的第四坐标信息，其集合为：
S1＝{[X(l),Y(l)]|l＝1,2,…r}，所述第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息；
第二确定单元，用于根据公式C确定预测所述待定位的地面移动目标在将来下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息所需的采样数据，其集合为S2；
拟合单元，利用最小二乘法分别对集合S2的X方向的分量集合Sx和Y方向的分量集合Sy进行多项式拟合，分别得到X方向拟合函数和Y方向的拟合函数
预测单元，根据所述预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T在X方向的位置信息为根据所述预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T在Y方向的位置信息为所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息为
第四转化单元，将所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第四坐标信息转化为所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息；
其中，公式C为S2＝{[X(h-r+l),Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
X方向的分量集合Sx为{[(h-r+l)T,X(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
Y方向的分量集合Sy为{[(h-r+l)T,Y(h-r+l)]|l＝1,2,…r}；
l为自然数。
6.根据权利要求5所述的无人机系统，其特征在于，所述预测装置还具有筛选单元，所述筛选单元具体用于：
设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在r T时刻以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在r T时刻以前的某一 时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替；
其中，所述公式D和公式E分别为
n为自然数，b为正数；
表示集合S1中第k3个数据，表示集合S1中第k3-i个数据。
7.一种对地面移动目标动态定位的方法，基于权利要求1～6任一权利要求所述的对地面移动目标动态定位的无人机系统，其特征在于，所述方法包括：
机载光电转塔的光电传感器获取含有地面移动目标的图像，并将所述图像发送至地面控制终端的确定装置；
在确定装置中，操作者通过触碰所述图像中的地面移动目标而确定待定位的地面移动目标，得到所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息，所述第一坐标信息为在图像中的坐标信息；
无人机本体的获取装置获取所述无人机本体的三轴姿态角、经度、纬度和所述无人机本体与所述待定位的地面移动目标的相对高度；
所述地面控制终端的跟踪指令生成装置根据所述待定位的地面移动目标的第一坐标信息、所述稳瞄平台的高低角和方位角生成跟踪指令，所述跟踪指令包括稳瞄平台的高低角跟踪指令和方向角跟踪指令；
所述机载光电转塔的稳瞄平台根据所述跟踪指令对所述待定位的地面移动目标进行实时跟踪；
地面控制终端的解算装置根据所述第一坐标信息、所述无人机本体在当前时刻的三轴姿态角、经度、纬度、所述无人机本体在当前时刻与所述待定位的地面移动目标的相对高度、以及所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角进行解算，得到所述待定位的地面移动目标在当前时刻的第二坐标信息，所述第二坐标信息为在大地坐标系中的坐标信息；
地面控制终端的预测装置根据所述待定位的地面移动目标在将来的一 个h T的第二坐标信息和已解算的在r T时刻以前的第二坐标信息预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息，r T时刻是处于将来的一个时刻h T和将来的下一个时刻(h+1)T之间的时刻；
其中，h、r均为自然数，T为采样时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述跟踪指令生成装置根据公式A生成跟踪指令，
其中：
XG、YG为待定位的地面移动目标的第一坐标信息，-1<k1<1，-1<k2<1，k1、k2不为0；
ξ和η分别为所述稳瞄平台在当前时刻的高低角和方位角，ξ0和η0分别为所述稳瞄平台在下一时刻的高低角和方位角，和分别为从当前时刻到所述下一时刻所述稳瞄平台的高低角跟踪指令和方位角跟踪指令；
Sξ＝sinξ，Cξ＝cosξ，Sη＝sinη，Cη＝cosη，f为光电传感器的焦距值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预测装置在预测所述待定位的地面移动目标在将来的下一个时刻(h+1)T的第二坐标信息之前还包括：
设置判断门限Qm和判据Q，并根据公式D和公式E对所述已解算的在rT时刻以前的第四坐标信息进行筛选，如果已解算的在r T时刻以前的某一时刻的第四坐标信息小于等于所述判断门限Qm则保留，否则用在所述某一时刻的前一时刻的第四坐标信息代替；
其中，所述公式D和公式E分别为
n为自然数，b为正数；
已解算的在r T时刻以前的第四坐标信息的集合为：
S1＝{[X(l),Y(l)]|l＝1,2,…r}；表示集合S1中第k3个数据，表示集合S1中第k3-i个数据，所述第四坐标信息为在高斯平面坐标系中的坐标信息。
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