CN106595668A - 一种用于光电吊舱的无源定位算法 - Google Patents

一种用于光电吊舱的无源定位算法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于光电吊舱的无源定位算法，吊舱通过手动搜索或图像跟踪的方式，将目标锁定在光轴线中心，此时将吊舱通过IMU、GPS和方位俯仰两框架测角器获取的对目标的观测信息，包括自身GPS坐标，吊舱航向俯仰横滚姿态和框架方位俯仰角度。至少获取两组观测信息，通过误差修正、坐标转换和三角变换获取目标精确位置。测试结果显示，本发明精度高、适应性强、稳定性好。

Description

一种用于光电吊舱的无源定位算法
技术领域
本发明属于定位处理算法技术领域，具体为一种用于光电吊舱的无源定位算法，实现计算吊舱光轴上目标的精确位置。
背景技术
传统的光电吊舱目标定位技术是采用激光测距机测得的距离信息，GPS获得的位置信息、IMU(惯性测量单元)解算的姿态信息以及角度传感器测得的角度信息，通过联合解算的方式获取目标的准确坐标，这就要求光电吊舱必须装配激光测距仪，吊舱普遍体积重量大，影响了飞机系统的续航时间、升限和时速，也不适合挂装在小型无人机上。而且，光电吊舱装载激光测距机的有源定位方法越来越不适用于需要隐蔽自身的战场环境。
若不装载激光测距机，使用无源定位的方法，当前主流的技术手段是预先装载飞行区域的地形图，根据角度信息估算目标位置的近似高度，然后根据载机相对高度和位置姿态信息联合解算。这种方法的本质是利用估算的高度信息代替激光测距机的斜距信息来完成解算，但应用成效较差，对地形的平坦程度有要求，地形起伏越大，误差越大，且误差无法定量分析。
因此，现有的定位算法无法兼顾当前市场对于精确性、隐蔽性的要求。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于光电吊舱的无源定位算法，通过多点联合解算、误差筛选、卡尔曼滤波等方法获取目标的精确坐标。
吊舱通过手动搜索或图像跟踪的方式，将目标锁定在光轴线中心，此时将吊舱通过IMU、GPS和方位俯仰两框架测角器获取的对目标的观测信息，包括自身GPS坐标，吊舱航向俯仰横滚姿态和框架方位俯仰角度。至少获取两组观测信息，通过误差修正、坐标转换和三角变换获取目标精确位置。本发明的误差修正方法为误差筛选、卡尔曼滤波和光轴校正。
本发明的技术方案为：
所述一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：控制吊舱运动，通过手动搜索或图像跟踪的方式，将目标锁定在光轴线十字中心；
步骤2：获取当前观测点参数，所述观测点参数包括载机GPS坐标、IMU惯导姿态和框架角度值；
步骤3：根据获得的载机GPS坐标、IMU惯导姿态，通过坐标转换得到观测点在惯导地理坐标系下的位置坐标[xe,ye,ze]T和观测点指向目标的方向矢量[Xe,Ye,Ze]T；
步骤4：待载机移动一定距离后，重复步骤1～3；
步骤5：利用获得的两组观测点参数，通过三角解算获取目标的坐标。
进一步的优选方案，所述一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：在所述吊舱中，IMU以及GPS与光电吊舱刚性固连。
进一步的优选方案，所述一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：步骤2中，对获取的观测点参数中的GPS坐标、IMU惯导姿态进行误差修正，获得修正后的GPS坐标、IMU惯导姿态；所述误差修正方法为误差筛选、卡尔曼滤波和光轴校正。
有益效果
本发明属于定位处理算法技术，用于计算吊舱光轴上目标的精确位置。通过处理至少两组不同位置对目标的观测信息，经过误差修正、坐标转换和三角解算出目标高精度的GPS坐标。测试结果显示，本发明精度高、适应性强、稳定性好。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的光电吊舱安装方式。
图2是本发明的无源定位算法总体方案。
图3是本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
光电吊舱安装方式如图1，IMU和GPS与光电吊舱刚性固连，可以减少减震器械带来的角度误差。
本算法的总体方案如图2，算法流程如图3。
本算法定义的坐标系如下：
1.地球坐标系(OXYZq)
地球坐标系以地球参考椭球面为基准建立，原点Oq位于地球质心，OqXq指向北极，OqYq位于赤道平面与本初子午面的交线上，正向指向0°经度。OqZq由右手定则决定(赤道平面内指向东经90°)。赤道以北为正纬度,范围为±90°，东经为正，西经为负，经度范围为±180°。任意点可表示为经纬高(大地坐标系)或xyz直角坐标(空间直角坐标系)的形式。
2.惯导地理坐标系(OXYZe)
以惯导器件IMU为原点，OeXe轴沿经线切向方向指向北，OeYe轴指向天，OeZe轴沿纬线方向指向东。
3.惯导坐标系(OXYZa)
以惯导器件IMU为原点，由惯导地理坐标系(OXYZe)绕OeYe轴逆时针转过航向角(惯导水平坐标系(OXYZb))，再绕OeZe轴逆时针转过俯仰角(θ)，再绕OaXa轴逆时针转过横滚角(γ)得到。
当IMU三姿态角均为0时，惯导坐标系与惯导地理坐标系重合。
4.光电平台视轴坐标系(OXYZs)
坐标原点为光电平台成像中心，由(OXYZa)绕OaYa轴逆时针转过框架方位角(v)，再绕OsZs轴逆时针转过框架俯仰角(μ)得到。
因此，目标在视轴坐标系的方向向量可表示为：[1,0,0]T。
算法步骤如下：
步骤1：控制吊舱运动，通过手动搜索或图像跟踪的方式，将目标锁定在光轴线十字中心；
步骤2：获取当前观测点参数，所述观测点参数包括载机GPS坐标、IMU惯导姿态和框架角度值；对获取的观测点参数中的GPS坐标、IMU惯导姿态进行误差修正，获得修正后的GPS坐标、IMU惯导姿态；所述误差修正方法为误差筛选、卡尔曼滤波和光轴校正；
步骤3：根据获得的载机GPS坐标、IMU惯导姿态，如图3所示，通过坐标转换得到观测点在惯导地理坐标系下的位置坐标[xe,ye,ze]T和观测点指向目标的方向矢量[Xe,Ye,Ze]T；
步骤4：待载机移动一定距离后，重复步骤1～3；
步骤5：利用获得的两组观测点参数，通过三角解算获取目标的坐标。
本实施例中使用国产某型光电吊舱验证，在不同的位置对一已知精确GPS坐标的目标点进行观测，测得数据如下：
观测点1 观测点2 观测点3 观测点4 观测点5
经 538604.944 538875.979 539362.575 539220.919 538877.001
纬 3368507.437 3368826.491 3369096.7 3368911.498 3368826.947
高 10.463 9.952 9.964 10.038 9.98
横滚角 -0.435 -1.338 -1.666 0.338 0.44
俯仰角 2.175 1.336 1.525 1.234 1.574
航向角 105.443 53.072 56.598 218.881 227.113
吊舱方位角 26.317 39.117 20.583 -132.883 -135.017
吊舱俯仰角 1.417 1.3 1.467 -0.9 -1.15
目标距离 522.45310 651.61234 1160.00042 996.31963 652.60450
注：经纬坐标已转换为UTM平面坐标，角度单位为度，距离单位为米。
已知目标点坐标为：(538225.608，3368866.686，9.2)，解算结果如下：
1、2解算 2、3解算 3、4解算 4、5解算
经 538223.4193 538224.493 538222.4886 538226.7844
纬 3368864.368 3368865.158 3368862.563 3368868.565
高 11.0647 11.0577 11.9689 11.9773
距离偏差 3.69 2.65 5.86 3.55
按上述结果推算，在目标距离5000m情况下，定位误差不大于50m。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：控制吊舱运动，通过手动搜索或图像跟踪的方式，将目标锁定在光轴线十字中心；
步骤2：获取当前观测点参数，所述观测点参数包括载机GPS坐标、IMU惯导姿态和框架角度值；
步骤3：根据获得的载机GPS坐标、IMU惯导姿态，通过坐标转换得到观测点在惯导地理坐标系下的位置坐标[xe,ye,ze]T和观测点指向目标的方向矢量[Xe,Ye,Ze]T；
步骤4：待载机移动一定距离后，重复步骤1～3；
步骤5：利用获得的两组观测点参数，通过三角解算获取目标的坐标。
2.根据权利要求1所述一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：在所述吊舱中，IMU以及GPS与光电吊舱刚性固连。
3.根据权利要求1所述一种用于光电吊舱的无源定位算法，其特征在于：步骤2中，对获取的观测点参数中的GPS坐标、IMU惯导姿态进行误差修正，获得修正后的GPS坐标、IMU惯导姿态；所述误差修正方法为误差筛选、卡尔曼滤波和光轴校正。
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