CN106468552A - 一种基于机载光电平台的双机交会定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法。使用本发明能够实现对目标全程跟踪定位，能完成对静态或动态目标的实时定位。本发明首先建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系，然后利用双机的摄像机同时对目标进行成像，获得各载机的目标视线向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示；然后通过坐标转换，得到各载机的目标视线向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示，进而结合载机坐标建立直线方程，通过联立两个直线方程实现对目标的定位。本发明不需要测量目标与平台间的距离，光电平台中无需装配激光测距仪，有效减小载机的负载，且能够满足实时性、机动性要求。

Description

一种基于机载光电平台的双机交会定位方法

技术领域

本发明涉及机载光测目标定位技术领域，具体涉及一种基于机载光电平台的双机交会定位方法。

背景技术

靶场光测设备作为侦察定位领域的重要工具，在军事和民用中具有重要作用。根据基座不同，现代光测设备主要可分为地面光电经纬仪、海上测量船以及机载光电平台。在实际应用中，由于目标的位置和运动特征、地球曲率半径以及光传播的直线性等因素的影响，使得地面光电经纬仪和海上测量船的作用距离受到限制，从而制约了光电装备潜能的充分发挥。在此背景下，机载光电平台以其实时性强、机动灵活等特点在定位领域受到广泛应用。

机载光电平台常用的对目标定位的方法是传统的单机REA方法，即利用光电平台载荷测量出目标相对光电平台的距离R、俯仰角E和方位角A，通过齐次坐标转换获取目标的大地坐标。该定位方法需要测量距离，目前普遍的测距方法是在平台中加入激光测距仪，这就为载机增加了负载要求，并且激光测距仪的测量距离有限，目前普遍有效测量距离只能达到20km，这也限制了该方法的使用范围；并且该方法定位精度有限，尤其是在目标跟踪和定位阶段对飞机有两个必要的约束条件，即跟踪阶段的盘旋和过顶，因此需要提出新的定位方法来满足高精度定位要求。

空间两点交会可以有效提高定位精度，该方法是在单点定位的基础上增加了第二个测量点，与目标三点构建一个空间三角形，可以有效避免过顶定位这一局限性，增加了适应力的同时也可以极大提高定位精度。但该方法只能用于对地面上的静目标进行定位，在实际应用中，很多时候需要对地面上的移动目标或空中飞行目标进行定位，因此，该方法适用性也有一定限制。并且由于该方法在测量时需对目标进行多次测量，因此不能保证定位的实时性，极大影响力其战场实用性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，能够实现对目标全程跟踪定位，能完成对静态或动态目标的实时定位。

本发明的基于机载光电平台的双机交会定位方法，包括如下步骤：

步骤1，建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系；

其中，大地坐标系采用国际地球参考系统WGS-84系统；大地直角坐标系中，原点在地球质心，Z_g轴指向地球的北极，X_g轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Y_g轴与X_gO_gZ_g平面垂直并与Z_g轴、X_g轴构建成笛卡尔坐标系；载机地理坐标系中，原点是载机质心，Z_s指向正北方向，X_s由原点指向天顶，Y_s与Z_s、X_s构成右手坐标系；载机坐标系中，原点与载机地理坐标系的原点重合，Z_a指向机头方向，X_a指向飞机上方，Y_a与Z_a、X_a形成右手坐标系；摄像机坐标系中，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Z_t轴为摄像机光轴指向目标，Z_t轴位于水平位置时，X_t轴指向天顶，Y_t轴与Z_t、X_t构成右手坐标系；

步骤2，双机的摄像机同时对目标进行成像，针对载机i，i＝1,2，根据目标M的像点K_i在摄像机坐标系中的位置，以及像点K_i、原点O_i与目标点M共线特性，得到向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(l_i，m_i，n_i)；

步骤3，通过坐标系转换，将步骤2获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(l_i，m_i，n_i)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)：

其中，H_1i为摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵，H_2i为载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵，H_3i为载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵；

步骤4，在大地直角坐标系下，根据向量的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)以及载机i的坐标，构建载机i与目标M的直线方程，联立两个直线方程，得到目标M的大地直角坐标表示；

步骤5，将步骤4获得的目标M的大地直角坐标转换到大地坐标系中，即获得目标的大地坐标，完成对目标的定位。

进一步地，所述步骤3中，摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵H_1i为H_1i＝T_1iT_0i，其中，

其中，α_i为载机i中，摄像机相对载机的方位向转角；β_i为载机i中，摄像机相对载机的俯仰向转角。

进一步地，所述步骤3中，载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵H_2i为H_2i＝T_4iT_3iT_2i，其中，

其中，λ_i、θ_i和κ_i分别为载机的偏航角、俯仰角和横滚角。

进一步地，步骤3中，载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵H_3i为H_3i＝T_6iT_5i，其中，

其中，h_si为载机i质心沿垂直于地表方向到大地直角坐标系Z_g轴的距离，λ_si为载机i质心沿垂直于地表方向的法线与平面X_gOY_g的夹角。

有益效果：

(1)本发明采用无人机作为基座进行交会定位，利用无人机的高机动性和灵活性，解决了地面经纬仪和海上测量船跟踪定位目标时的位置局限性，提高了光电测量的适用性。

(2)本发明不需要测量目标与平台间的距离，光电平台中无需装配激光测距仪，有效减小载机的负载。

(3)针对传统的两点交会定位方法只能对地面固定目标进行定位的局限性，本发明使用双机协同对目标进行测量，可实时获取定位解算需要的全部参数，通过算法实时解算出目标位置，从而实现对目标的定位，故该定位方法适用范围不受目标运动特性的影响，可以适用于对固定目标或动态目标的定位，适用性更高，实时性更强。

(4)本发明使用双机交会定位方法，定位解算算法不需要目标与平台的距离参数，因此无需考虑激光测距仪的测量距离限制，提高了机载测量定位的使用距离范围。

附图说明

图1为双机交会示意图。

图2为基于机载光电平台的双机交会定位的系统示意图。

图3为摄像机坐标系下的物像位置关系图。

图4为摄像机坐标系到载机坐标系的转换示意图。

图5为载机坐标系的姿态变换示意图。

图6为双机在大地直角坐标系下的位置图。

图7为双机交会定位解算原理图。

图8为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，采用两架无人机对静止或机动目标进行定位，如图1所示，其中，两架无人机的机载光电平台中均配置有红外热像仪、可见光摄像机、测角器、信号处理单元和通讯模块，其中信号处理单元与各设备建立有信号连接，用以收集测量数据并进行目标位置解算，通讯模块用以接收和发送测量数据。定位方法如2所示，具体包括如下步骤：

步骤1，建立辅助坐标系：摄像机坐标系，载机坐标系，载机地理坐标系，大地直角坐标系，大地坐标系。

其中，大地坐标系：采用国际地球参考系统WGS-84系统，使用经纬度和大地高(B,L,H)表示空间任一点位置；

大地直角坐标系：为惯性坐标系，原点在地球质心，Z_g轴指向地球的北极，X_g轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Y_g轴与X_gO_gZ_g平面垂直，并与Z_g轴、X_g轴构建成笛卡尔坐标系。

载机地理坐标系：为惯性坐标系，原点是载机质心在某一刻的位置(λ_si，α_si，h_si)，Z_s指向正北方向，X_s由原点指向天顶，Y_s与Z_s、X_s构成右手坐标系；

载机坐标系：为惯性坐标系，原点与载机地理坐标系的原点重合，Z_a指向机头方向，X_a指向飞机上方，Y_a与Z_a、X_a形成右手坐标系；

摄像机坐标系：为惯性坐标系，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Z_t轴为摄像机光轴指向目标，Z_t轴在初始位置时位于水平位置，X_t轴指向天顶，Y_t轴与Z_t、X_t构成右手坐标系。

步骤2，双机同时对目标进行跟踪定位，实时记录各测量参数，为方便记录，对双机数据参数采用下标i记录，其中i＝1,2，分别代表载机1和载机2的测量数据。实时记录各测量参数：目标M对应的像点K_i在摄像机坐标系中的位置可表示为(x_ti，y_ti，-f_i)，测量模块测量得到摄像机相对载机的方位向转角α_i和俯仰向转角β_i；GPS/INS组合定位模块测量获得载机位置信息的大地坐标表示(B_i,L_i,H_i)以及载机的姿态信息(偏航角λ_i、俯仰角θ_i和横滚角κ_i)。

由图3可知，目标M对应的像点K_i在摄像机坐标系中的位置可表示为(x_ti，y_ti，-f_i)，根据共线特性，像点K_i、原点O_i与目标点M共线，可得到向量O_iM的方向余弦(l_i，m_i，n_i)，其中，

l_i＝-x_ti/k

m_i＝-y_ti/k

n_i＝f_i/k

步骤3，通过坐标系转换，将步骤1获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(l_i，m_i，n_i)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)：

其中，H_1i为摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵，H_2i为载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵，H_3i为载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵；

如图4所示，根据测量模块得到的摄像机相对载机方位向转角α_i和俯仰向转角β_i，得到摄像机坐标系转换到载机坐标系的转换矩阵T_0i，T_1i；

H_1i＝T_1iT_0i

通过GPS/INS组合定位模块获得载机位置信息的大地坐标表示(B_i,L_i,H_i)以及载机的姿态信息(偏航角λ_i、俯仰角θ_i和横滚角κ_i)；

将载机的大地坐标表示通过下式转换成大地直角坐标系下的坐标值(X_gi，Y_gi，Z_gi)；

其中，a＝6378137m，e²＝0.0066943799013；

如图5所示，根据载机三轴姿态信息可以得到载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵T_2i，T_3i，T_4i；

H_2i＝T_4iT_3iT_2i

如图6所示，由载机位置信息(B_i,L_i,H_i)可得相应的载机地理坐标系转换到大地直角坐标系的转换矩阵T_5i，T_6i；

H_3i＝T_6iT_5i

其中，h_si为载机i质心沿垂直于地表方向到大地直角坐标系Z_g轴的距离，λ_si为载机i质心沿垂直于地表方向的法线与平面X_gOY_g的夹角。

运用转换矩阵，得到向量O_iM在大地直角坐标系下的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)：

步骤4，在大地直角坐标系下，根据向量的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)以及载机i的坐标，构建载机i与目标M的直线方程，联立两个直线方程，得到目标M的大地直角坐标表示。

如图7所示，在大地直角坐标系下，向量O_iM的直线方程L_i可描述如下：

式中(X_gi,Y_gi,Z_gi)表示某一时刻载机在大地直角坐标系中的位置，联立直线方程L₁，L₂可得到目标M的坐标值(x_m，y_m，z_m)：

x_m＝X_g1+l_g1t

y_m＝Y_g1+m_g1t

z_m＝Z_g1+n_g1t

根据交会测量方程，得到目标的大地直角坐标表示(x_m，y_m，z_m)；

步骤5，将步骤4获得的目标M的大地直角坐标转换到大地坐标系中，即获得目标的大地坐标，完成对目标的定位。

经过公式转换为大地坐标表示(B_m,L_m,H_m)：

其中，a表示参考椭球长半轴长度，b为参考椭球短半轴长度，a＝6378137m，b＝6356752m,第一偏心率第二偏心率

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (4)

1.一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系；

其中，大地坐标系采用国际地球参考系统WGS-84系统；大地直角坐标系中，原点在地球质心，Z_g轴指向地球的北极，X_g轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Y_g轴与X_gO_gZ_g平面垂直并与Z_g轴、X_g轴构建成笛卡尔坐标系；载机地理坐标系中，原点是载机质心，Z_s指向正北方向，X_s由原点指向天顶，Y_s与Z_s、X_s构成右手坐标系；载机坐标系中，原点与载机地理坐标系的原点重合，Z_a指向机头方向，X_a指向飞机上方，Y_a与Z_a、X_a形成右手坐标系；摄像机坐标系中，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Z_t轴为摄像机光轴指向目标，Z_t轴位于水平位置时，X_t轴指向天顶，Y_t轴与Z_t、X_t构成右手坐标系；

步骤2，双机的摄像机同时对目标进行成像，针对载机i，i＝1,2，根据目标M的像点K_i在摄像机坐标系中的位置，以及像点K_i、原点O_i与目标点M共线特性，得到向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(l_i，m_i，n_i)；

步骤3，通过坐标系转换，将步骤2获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(l_i，m_i，n_i)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)：

其中，H_1i为摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵，H_2i为载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵，H_3i为载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵；

步骤4，在大地直角坐标系下，根据向量的方向余弦表示(l_gi，m_gi，n_gi)以及载机i的坐标，构建载机i与目标M的直线方程，联立两个直线方程，得到目标M的大地直角坐标表示；

步骤5，将步骤4获得的目标M的大地直角坐标转换到大地坐标系中，即获得目标的大地坐标，完成对目标的定位。

2.如权利要求1所述的基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，所述步骤3中，摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵H_1i为H_1i＝T_1iT_0i，其中，

其中，α_i为载机i中，摄像机相对载机的方位向转角；β_i为载机i中，摄像机相对载机的俯仰向转角。

3.如权利要求1所述的基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，所述步骤3中，载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵H_2i为H_2i＝T_4iT_3iT_2i，其中，

其中，λ_i、θ_i和κ_i分别为载机的偏航角、俯仰角和横滚角。

4.如权利要求1所述的基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，步骤3中，载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵H_3i为H_3i＝T_6iT_5i，其中，

其中，h_si为载机i质心沿垂直于地表方向到大地直角坐标系Z_g轴的距离，λ_si为载机i质心沿垂直于地表方向的法线与平面X_gOY_g的夹角。