CN104237897B - 一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统，属于光电雷达领域，主要解决被探测目标的位置(距离、方位)、速度和时间等问题。其实现步骤是：利用北斗卫星导航系统获得光电探测系统中心的大地坐标；利用光电探测系统获得目标的象元坐标、背景点象元坐标；调用数据库中的背景点已知大地坐标；利用一种基于北斗的光电雷达的目标探测的方法，既通过空间后方会确定光电探测系统成像面的三维空间姿态，通过空间前方交会获得目标的大地坐标，通过连续的解析，获得目标的速度，利用北斗卫星导航系统塔建指挥平台并完成目标数据的远程传递。本发明具有精度高、速度快的优点，适用于组成光电雷达。

Description

一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统

技术领域

本发明步及北斗卫星导航系统的定位和通信、光电雷达技术领域，特别涉及一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统。

背景技术

雷达是通过接受反射电磁波来探测目标的装备，radar是无线电探测与定位的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方位、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。

光电雷达准确地说是用光电技术实现雷达效果的一种装备，是用多光谱的光电探测主站和辅站来被动地发现目标，实现雷达的功能。在物理结构上，主要由光电探测主站和辅站、北斗用户机、计算机等部分组成。在功能实现上，主要是探测目标的方位，获取目标、背景点的像点坐标，解析目标的位置(或距离、方位)、速度和时间等状态参数，显示、传递计算结果。

光电雷达与雷达相比较的优势在于，无电磁波发射、不易被发现，布阵极为简便、机动灵活。

快速的确定电探测主站和辅站镜头中心的位置、同步时间，其方法可以有多种方式，如使用美国的GPS，但是GPS定位的使用存在安全的隐患。我国研发了具有自主知识产权的北斗卫星导航定位系统Compass，拥有自己的空间基础设施，该系统是中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。目前，该系统在原有的有源定位、双向授时和短报文通信服务基础之上，开始向亚太的大部分地区正式提供连续无原定位、导航、授时等服务。计划在2020年后，在全球范围内全天候、全天时，为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

瞬间完成电探测主站和辅站主光轴在大地坐标系中的三维空间的角度、目标位置(距离、方位)、目标速度等的最小二乘法数字摄影测量，运用了摄影测量技术。摄影测量的发展经过了模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量三个阶段，现已进人数字摄影测量阶段。数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。数字摄影测量以数字影像为基础，对三维影像进行量测，获取被摄物体的三维空间信息，正在成为国际公认的地球空间数据获取的重要手段。在数字摄影测量过程中，不仅产品是数字的，而且中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的。

现有的光电雷达，是用光电技术实现雷达效果的一种装备，一般是用红外和可见光探测装置来被动地发现目标，实现雷达的功能，但本发明提出的方法及系统所组成的光电雷达具有机动性强、计算精度高、构成指挥网方便等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统，以解决现有的技术难以解决的利用光电雷达快速确定被探测目标位置(距离、方位)、速度和时间等相关信息的问题，可达到米级甚至更高的计算精度。

为上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种光电探测的空间后方交会方法，所述方法包括如下步骤：

自动控制北斗用户机，获得光电探测镜头中心的大地坐标，及北斗同步时间；

获取光电探测主站和辅站主光轴的俯仰角、方位角，目标点、背景点象元坐标；

目标点、背景点像点坐标由像坐标系转换到像空间坐标系，并将主光轴调整到相应的坐标系中；

从数据库中提取与背景点象元坐标一一对应的背景点已知大地坐标；

背景点数量≤2个时，外方位元素计算完毕；

背景点数量＞2个时，进行下面所述的外方位角元素计算：

俯仰角、方位角作为角元素迭代计算的初始值，镜头径向畸变系数初始值为零；

迭代计算开始；

逐个背景点列出附加卡尔曼滤波的自检校线性参数的共线条件的线性化误差方程；

逐个背景点及目标点列出附加卡尔曼滤波自检校的线性参数的共面条件线性化误差方程；

组成最小二乘法化方程组；

全部背景点及目标点全部列出上述误差方程后，求解法化方程组，获得角元素的改正值及方差和协方差矩阵；

角元素的改正值小于规定值，迭代计算结束，否则继续迭代；

确定角元素计算精度；

保存计算结果，光电探测主站和辅站的外方位角元素计算完毕。

背景点数量＞5个时，进行下面所述的外方位元素计算：

在上述算法的基础上，加入北斗获得的镜头中心大地坐标这个初始条件，进行最小二乘法平差，从而得到光电探测主站和辅站的全部外方位元素。

一种光电探测的空间前方交会算法，所述方法包括如下步骤：

根据光电探测主站和辅站的外方位元素和目标点象元坐标；

目标点像点坐标进行镜头径向畸变误差改正；

空间前方会不必进行探测基线坐标系的转换，而是按最小二乘法计算目标点的投影系数；

计算出目标点的大地坐标，进而确定目标点的距离及方位；

将目标点大地坐标转换到1954年北京坐标系，或1980年西安坐标系，或GWS——84坐标系，或2000国家坐标系。

本发明实例还提供了一种基于北斗的光电雷达目标探测系统，包括如下：

北斗用户机：由定位和通信两个部分组成，定位部分用于获得光电探测镜头中心的位置，通信部分用于传递被探测的目标位置(距离、方位)、速度和时间等解析计算结果。

光电探测系统：由主站和辅站组成，辅站可以多个。通过各自的CCD线性阵列传感器获取目标点、背景点的摄影测量数据。

目标的搜索、锁定、跟踪和解析：人工辅助目标的搜索、自动化锁定、跟踪和解析处理的软件系统，用于计算被探测目标的位置(距离、方位)、速度、时间等参数。

指挥平台：包括北斗指挥机及与其级联的北斗用户机，用北斗指挥机构成树状的逐级指挥关系，接收北斗用户机传递的多个光电雷达探测数据，在GIS地理信息系统上显示被探测目标的位置(距离、方位)、速度、轨迹和时间等参数。

附图说明

图1是一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统工作原理图

图2是一种基于北斗的光电雷达目标探测系统工作原理图

图3是一种基于北斗的光电雷达目标探测方法工作原理图

具体实施方式

本发明提供一种基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统，可以实现快速确定被探测目标的位置(距离、方位)、速度和时间等相关信息问题。

光电雷达是用光电技术实现雷达效果的一种装备，用红外和可见光探测装置来被动地发现目标，实现雷达的功能，本发明要实现基于北斗的光电雷达目标探测方法及系统，快速确定被探测目标的位置(距离、方位)、速度和时间。

利用光电雷达对目标进行寻找的过程即为搜索，主站及辅站同时探测到所要搜索目标的瞬间即为锁定，主站及辅站同时在固定的时间间隔、连续锁定目标的过程即为跟踪。

本发明中首先通过控制北斗用户机，获得光电探测镜头中心的大地坐标。

光电探测主站和辅站进行目标搜索，当目标被锁定后，光电探测主站和辅站向目标解析软件系统传送俯仰角、方位角，目标点、背景点像点坐标。

目标解析软件系统接收到上述参数后，进行光电探测的空间后方交会：

将目标点、背景点象元坐标由像坐标系转换到像空间坐标系，调换坐标轴；

按照背景点标号，从数据库中提取与其对应的已知大地坐标；

远距离探测时，背景点数量很少、甚至没有，外方位角元素即为接收到的光电探测主站和辅站的俯仰角、方位角；

近距离探测时，背景点数量一般都多于3个，此时就可以进行高精度的解算外方位元素；

待求参数的初始化，令俯仰角、方位角、为角元素迭代计算的初始值，北斗坐标为线元素迭代计算的初始值，镜头径向畸变系数初始值为零，法化方程组的初始值为零；

整个求解过程是用迭代计算来完成；

逐个背景点列出附加卡尔曼滤波的自检校线性参数的共线条件的线性化误差方程；

逐个背景点及目标点列出附加卡尔曼滤波的自检校线性参数的共面条件的线性化误差方程；

组成最小二乘法化方程组；

全部背景点及目标点全部参与组成法化方程组后，用逆矩阵的方法求解法化方程组，获得外方位元素的改正值及方差和协方差矩阵；

初始值加改正值。当改正值小于规定值时，控制迭代计算完毕，否则继续迭代；

确定外方位元素计算精度；

至此，光电探测主站和辅站的外方位元素计算完毕，保存计算结果。

接着完成光电探测的空间前方交会：

根据已经求得的光电探测主站和辅站的外方位元素、镜头径向畸变误差系数和目标点象元坐标进行；

目标点象元坐标进行镜头径向畸变误差改正；

按最小二乘法计算目标点的投影系数；

计算目标点的模型坐标、并加主测站坐标，获得目标点的大地坐标；

此时得到的是在2000国家坐标系下的目标点大地坐标。如果需要，可按预先的设置，将2000国家坐标系转换到1954年北京坐标系，或1980年西安坐标系，或GWS——84坐标系；

进而计算出各个探测站到目标点的距离及方位；

将目标点位置(距离、方位)、速度和时间传递给指挥机，锁定目标的计算完毕。

显示目标点位置(距离、方位)、速度和时间，如果目标点不是首次锁定、绘出目标点运动轨迹。

等待下一个时间间隔的连续锁定，完成对目标的跟踪计算。

在指挥机上设置所属的全部光电雷达，当指挥机接到目标点位置(距离、方位)、速度和时间信息后，在GIS上显示目标点位置(距离、方位)、速度、时间和轨迹。

以上所述仅为本发明实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电探测的空间后方交会方法，其特征在于，所述空间后方交会方法包括以下步骤：

(1)利用北斗用户机确定光电探测主站和辅站镜头中心的大地坐标，即外方位线元素，及精确的北斗同步时间；

(2)利用光电探测主站和辅站主光轴的俯仰角、方位角，背景点象元坐标；

(3)获取数据库中已知的背景点大地坐标；

(4)依据的原理为，探测瞬时的光电探测镜头中心、背景点像点、背景点物点在同一条直线上的共线条件，以此，构成基础算法；通过共线条件的线性化，按最小二乘法原理进行空间后方会，确定光电探测主站和辅站主光轴的三维空间位置及姿态、即外方位元素；

从而获得全部探测站的外方位元素，用以恢复成像面在探测瞬时的空间位置，重建成像面与被探测空间背景、目标之间的相互关系。

2.如权利要求1所述的光电探测的空间后方交会方法，其特征在于：所述空间后方交会方法还包括：完成不同坐标框架下的坐标系转换，使目标点的大地坐标可以方便的转换到1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、GWS——84坐标系、2000国家坐标系下。

3.如权利要求1所述的光电探测的空间后方交会方法，其特征在于：所述空间后方交会方法还包括：通过连续解析，获得目标点的速度、轨迹。

4.如权利要求1所述的光电探测的空间后方交会方法，其特征在于：所述空间后方交会方法还包括以下步骤：

(1)主光轴的平视或俯、仰视所进行的空间后方会；

(2)附加共面条件方程，以提高光电探测主站和辅站间的几何强度，具体包括以下步骤：

①在探测瞬时，光电探测主站和辅站的基线、目标点同名光线在一个核面内组成的共面条件方程；

②线性化共面条件方程与线性化共线条件方程按最小二乘法原理联立方程组，加权最小二乘法迭代计算；

(3)附加卡尔曼滤波自检校的线性方程

Δx＝x(a₁r²+a₂r¹)

Δy＝y(a₁r²+a₂r¹)

r＝(x³+y²)^′2

a₁、a₂——待求的镜头径向畸变系数，x、y——目标点的像点坐标；

将上述方程附加到线性化共线条件、共线条件方程中，以消除镜头径向畸变误差，提高目标点大地坐标的计算精度。

5.如权利要求1所述的光电探测的空间后方交会方法，其特征在于：

以北斗用户机确定光电探测主站和辅站镜头中心的大地坐标及光电探测主站和辅站主光轴的俯仰角、方位角为最小二乘法迭代计算的初始值，可以精确的计算出目标点的大地坐标，可达到米级的精度。

6.一种光电探测的空间前方交会方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据光电探测主站和辅站的外方位元素和目标点像点坐标，依据被探测点投影系数算法、同名光线投影算法，确定光电探测主站和辅站的基线、以及投影系数，计算出目标点的大地坐标，进而确定目标点的距离及方位。

7.如权利要求6所述的光电探测的空间前方交会方法，其特征在于，所述空间前方交会算法还包括：通过连续解析，获得目标点的速度、轨迹。

8.如权利要求6所述的光电探测的空间前方交会方法，其特征在于：所述空间前方交会方法还包括以下步骤：

(1)主光轴的平视或俯、仰视所进行的空间前方会；

(2)目标点像点坐标进行镜头径向畸变误差改正；

(3)投影系数按最小二乘法计算，使主光轴水平或俯、仰扫描时的空间前方会不必进行探测基线坐标系的转换。

9.如权利要求6所述的光电探测的空间前方交会方法，其特征在于：

以北斗用户机确定光电探测主站和辅站镜头中心的大地坐标及光电探测主站和辅站主光轴的俯仰角、方位角为最小二乘法迭代计算的初始值，可以精确的计算出目标点的大地坐标，可达到米级的精度。

10.一种基于北斗的光电雷达目标探测系统，其特征在于，包括：

北斗用户机：用于获得光电探测镜头中心的位置、传递被探测的目标位置、速度和时间的解析计算结果；

光电探测系统：用于获得目标点、背景点象元坐标；

目标的搜索、锁定、跟踪和解析：用于计算被探测目标的位置、速度、时间参数；

指挥平台：包括北斗指挥机及与其级联的北斗用户机，北斗指挥机用于接收北斗用户机数据，在GIS地理信息系统上显示被探测目标的位置、速度、轨迹和时间参数。