CN104535078A - 一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，包括如下步骤，(1)确定光电设备光心的空间绝对位置；(2)根据目标理论弹道估计光电设备的视场范围；(3)在光电设备的视场范围内架设标志点；(4)测量标志点的空间绝对位置；(5)目标经过视场范围时，光电设备拍摄包含目标和标志点信息的图像，确定标志点的图像脱靶量和目标的图像脱靶量；(6)根据光电设备的空间绝对位置、标志点的空间绝对位置和拍摄的图像，得到光电设备的综合测角误差；(7)根据光电设备的码盘指示值、目标图像脱靶量信息和设备综合测角误差，得到飞行目标相对每台光电设备的方位信息；至少两台光电设备进行交会，测量得到飞行目标的空间位置或姿态信息。

Description

一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法

技术领域

本发明涉及一种目标光学测量方法，具体为一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法。

背景技术

飞行目标跟踪测量包括目标位置和姿态测量，在军事以及民用领域具有重大的意义。目前，在测控领域，飞行目标位置和姿态测量方法主要有两种：1、遥测法：在目标上装载陀螺、惯导、GPS等测量设备进行位置、姿态信息测量；2、外测法：利用地面上光电经纬仪等外测设备采集飞行目标信息，经过处理得到所需的目标位置信息和目标特性参数，获取目标飞行实况图像资料。

其中遥测法利用陀螺、惯导等设备测量成本高，GPS大部分是每秒测量一次，一秒内的测量数据通过插值完成，目标高速运动情况下可信度不高，并且利用遥测法测量时在目标高速运动情况下可能造成信号传输不稳定，可靠性不高。而外测法在测量目标位置和姿态时，具有测量成本低，直观性强，可靠性高等优点，成为现代靶场试验中对飞行目标跟踪测量常用方法。

在利用外测法测量目标位置、姿态时，一般采用光电经纬仪随动跟踪测量方式。光电经纬仪由很多分系统组成，其中影响目标测量精度的主要系统是测角系统和跟踪测量系统。测角系统记录相机光轴的方位角和俯仰角信息，跟踪测量系统记录目标偏离光轴的脱靶量。由于光电经纬仪在使用中存在很多误差来源，有垂直轴、水平轴、视准轴误差，轴角编码器误差，零位差，定向差，判读误差等，造成光电经纬仪在跟踪测量时测角精度不是很高，一般在几十角秒左右。无法满足一些高精度测量试验中对目标测量的精度需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种测量精度高，操作简单，成本低廉的基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，包括如下步骤，

(1)确定光电设备光心的空间绝对位置(X₀,Y₀,Z₀)；

(2)根据目标理论弹道估计光电设备的视场范围；

(3)在光电设备的视场范围内架设标志点；

(4)测量标志点的空间绝对位置(X_S,Y_S,Z_S)；

(5)目标经过视场范围时，光电设备拍摄包含目标和标志点信息的图像，确定标志点的图像脱靶量(x_s,y_s)和目标的图像脱靶量(x_t,y_t)；

(6)根据光电设备的空间绝对位置、标志点的空间绝对位置和拍摄的图像，得到光电设备的综合测角误差(ΔA,ΔE)；

(7)根据光电设备的码盘指示值(A_c,E_c)、目标图像脱靶量信息和设备综合测角误差，得到飞行目标相对每台光电设备的方位信息；至少两台光电设备进行交会，测量得到飞行目标的空间位置或姿态信息。

优选的，步骤(1)所述的光电设备采用包括光电经纬仪和实时弹道相机的靶场光电测量设备。

优选的，步骤(3)中架设的标志点数量至少为一个，当标志点为多个时，步骤(6)中的光电设备的综合测角误差为所用标志点分别对应的光电设备综合测量误差的加权平均值。

进一步，步骤(6)中，得到光电设备综合误差的步骤如下：

6.1)根据标志点的大地坐标，得到标志点相对光电设备的方位角和俯仰角，方位角为 $A_s=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}},$ 俯仰角为 $E_s=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0};$

6.2)根据光电设备码盘读出标志点相对光电设备的方位角和俯仰角，方位角为 $A_s=A_c+\frac{x_s}{f\cos E_c}+\mathrm{\ΔA},$ 俯仰角为 $E_s=E_c+\frac{y_s}{f}+\mathrm{\ΔE},$ 其中(A_c,E_c)为设备码盘指示值，f为光电设备相机焦距；

6.3)根据步骤6.1)和步骤6.2)的相等关系，得到光电设备综合误差如下，

$\mathrm{\ΔA}=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}}-A_c-\frac{x_s}{f\cos E_c};$

$\mathrm{\ΔE}=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0}-E_c-\frac{y_s}{f}.$

优选的，步骤(7)中，飞行目标相对每台光电设备的方位信息为， $A_t=A_c+\frac{x_t}{f\cos E_c}+\mathrm{\ΔA};$ $E_t=E_c+\frac{y_t}{f}+\mathrm{\ΔE}.$

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过光电设备对飞行目标进行定位测量，避免了其运动时产生的误差；利用标志点的设置作为固定靶标，对光电设备跟踪测量时的误差进行校对和核准，同时将光电设备的误差综合在一起对飞行目标的测量进行修正；测量中只需要对飞行目标在视场范围内进行图像的拍摄，然后根据各精确的绝对位置结合综合误差的修订，从而能够快速精准的完成飞行目标的跟踪测量，极大的提高了光电设备的测量精度，适用于目标航迹测量以及姿态测量。

进一步的，通过多个标志点的设置，能够更好的对图像内的目标位置进行定位和测量，同时也能够对光电设备的综合误差进行更精确的加权平均计算，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明所述方法的测量示意图。

图2为图1中光电设备拍摄到的标志点和飞行目标的图像示意图；其中，21为包含一个标志点的图像，22为包含两个标志点的图像。

图中：1是光电设备，2是标志点，3是飞行目标。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明所述一种基于标志点的提高光电设备测量精度的方法的步骤详细描述如下：

(1)确定光电设备1的空间绝对位置(X₀,Y₀,Z₀)；其中光电设备1可以是光电经纬仪、实时弹道相机等靶场光电测量设备。

(2)根据目标理论弹道估计光电设备的视场范围；

(3)在步骤(2)确定的光电设备视场范围内架设标志点2；其中标志点2可以是1个或多个。

(4)测量步骤(3)架设的标志点2的空间绝对位置(X_S,Y_S,Z_S)；

(5)目标经过步骤(2)确定的视场范围时，光电设备1拍摄包含目标3和步骤(3)架设的标志点2等信息的图像，如图2所示，确定标志点2的图像脱靶量为(x_s,y_s)和飞行目标3的图像脱靶量为(x_t,y_t)；

(6)根据步骤(1)确定的光电设备1的空间绝对位置、步骤(4)测量的标志点2的空间绝对位置和步骤(5)拍摄的图像，求解光电设备综合测角误差；

光电设备在测量过程中影响其测角精度的因素有很多，比如垂直轴误差、水平轴误差、照准差、零位差、定向差等，统一这些误差并设由这些因素引起的设备综合测角误差为(ΔA,ΔE)，求解该综合误差的具体过程如下：标志点相对光电设备的方位角和俯仰角可通过其大地坐标准确计算，方位角为 $A_s=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}},$ 俯仰角为 $E_s=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0},$ 同时标志点相对光电设备的方位角和俯仰角根据光电设备码盘读出，方位角为 $A_s=A_c+\frac{x_s}{f\cos E_c}+\mathrm{\ΔA},$ 俯仰角为 $E_s=E_c+\frac{y_s}{f}+\mathrm{\ΔE},$ 其中(A_c,E_c)为设备码盘指示值，f为光电设备相机焦距。因此可得出光电设备综合测角误差：

$\mathrm{\ΔA}=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}}-A_c-\frac{x_s}{f\cos E_c}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔE}=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0}-E_c-\frac{y_s}{f}---\left(2\right)$

另外，如果设置的标志点为多个，则可以按照上述步骤分别计算后进行加权平均求解光电设备综合测角误差。

(7)确定目标3相对光电设备1的方向，包括方位角和俯仰角，两台光电设备1进行交会，测量出目标3的空间位置或姿态信息。

具体的，根据光电设备的码盘指示值、目标图像脱靶量信息和设备综合测角误差，求解目标相对光电设备的方位信息公式如下：

$A_t=A_c+\frac{x_t}{f\cos E_c}+\mathrm{\ΔA}---\left(3\right)$

$E_t=E_c+\frac{y_t}{f}+\mathrm{\ΔE}---\left(4\right)$

得到目标相对每台光电设备的方位信息后进行交会，即可测量出目标的空间位置或姿态信息。

Claims (5)

1.一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，其特征在于，包括如下步骤，

(1)确定光电设备光心的空间绝对位置(X₀,Y₀,Z₀)；

(2)根据目标理论弹道估计光电设备的视场范围；

(3)在光电设备的视场范围内架设标志点；

(4)测量标志点的空间绝对位置(X_S,Y_S,Z_S)；

(5)目标经过视场范围时，光电设备拍摄包含目标和标志点信息的图像，确定标志点的图像脱靶量(x_s,y_s)和目标的图像脱靶量(x_t,y_t)；

(6)根据光电设备的空间绝对位置、标志点的空间绝对位置和拍摄的图像，得到光电设备的综合测角误差(ΔA,ΔE)；

(7)根据光电设备的码盘指示值(A_c,E_c)、目标图像脱靶量信息和设备综合测角误差，得到飞行目标相对每台光电设备的方位信息；至少两台光电设备进行交会，测量得到飞行目标的空间位置或姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，其特征在于，步骤(1)所述的光电设备采用包括光电经纬仪和实时弹道相机的靶场光电测量设备。

3.根据权利要求1所述的一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，其特征在于，步骤(3)中架设的标志点数量至少为一个，当标志点为多个时，步骤(6)中的光电设备的综合测角误差为所用标志点分别对应的光电设备综合测量误差的加权平均值。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，其特征在于，步骤(6)中，得到光电设备综合误差的步骤如下：

6.1)根据标志点的大地坐标，得到标志点相对光电设备的方位角和俯仰角，方位角为 $A_s=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}},$ 俯仰角为 $E_s=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0};$

6.2)根据光电设备码盘读出标志点相对光电设备的方位角和俯仰角，方位角为俯仰角为其中(A_c,E_c)为设备码盘指示值，f为光电设备相机焦距；

6.3)根据步骤6.1)和步骤6.2)的相等关系，得到光电设备综合误差如下，

$\mathrm{\ΔA}=\arctan \frac{Y_s-Y_0}{\sqrt{{(X_s-X_0)}^2+{(Z_s-Z_0)}^2}}-A_c-\frac{x_s}{f\cos E_c};$

$\mathrm{\ΔE}=\arctan \frac{Z_s-Z_0}{X_s-X_0}-E_c-\frac{y_s}{f}.$

5.根据权利要求1所述的一种基于标志点的光电设备对飞行目标的测量方法，其特征在于，步骤(7)中，飞行目标相对每台光电设备的方位信息为， $A_t=A_c+\frac{x_t}{f\cos E_c}+\mathrm{\ΔA};$ $E_t=E_c+\frac{y_t}{f}+\mathrm{\ΔE}.$