CN106959097A - 一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电测量领域，涉及一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法，所述系统包括飞艇、系绳收放装置、吊绳和光电测量系统，光电测量系统通过吊绳悬挂于飞艇下方，系绳收放装置连接吊绳并控制吊绳的收放。本发明基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法利用吊绳悬挂光电测量系统，可以扩大光经纬仪器视轴的测量范围；稳定平台保持特定的姿态，为光电经纬仪正常工作提供一个稳定的环境；光电经纬仪可以对目标持续跟踪，并给出目标测量信息；通过两套或以上系统进行交会测量，可以求得目标的位置坐标。由于飞艇研发费用低、承载载荷多，可在云层之上机动巡航，并对潜在目标提前测量，在一定程度上拓展了现有的光学测量能力。

Description

一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光电测量领域，涉及一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法。

背景技术

在靶场试验任务中，通过光电经纬仪可以对目标实时测量和自动跟踪，获得较高精度的目标姿态、位置等测量数据。光电经纬仪的测量精度除与设备精度紧密相关外，还与布站位置、布站数目和布站几何有关。为了提高测量精度、充分发挥测量设备的良好性能，通常会选择两站或多站交会测量，并合理设置测量站基线长度、跟踪俯仰角范围等。但是，通常光电经纬仪作用距离有限，且受天气、地面测量站位置影响较大。随着高性能武器的发展，对光电测量系统的机动能力、作用范围和测量精度等要求越来越高，因此需要对传统的光电测量方式进行拓展。

试验靶场光电测控系统大多采用地基光电设备，其好处是测量站固定，可以通过现有的方法得到极为精确的坐标，方便测量空中目标的精确位置和姿态。但是，地基光电测控系统受天气影响较为严重，观测距离有限，对远程导弹或其他较远距离目标几乎无能为力。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电经纬仪交会测量系统及方法，扩展对目标的测量范围。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统，包括飞艇、系绳收放装置、吊绳和光电测量系统，光电测量系统通过吊绳悬挂于飞艇下方，系绳收放装置连接吊绳并控制吊绳的收放；

光电测量系统由光电经纬仪和稳定平台组成，在光电经纬仪方位轴和俯仰轴上分别安装有轴角编码器，光电经纬仪安装在稳定平台上，稳定平台采用三轴稳定控制系统，三轴为平台方位轴、平台俯仰轴和光电经纬仪视轴，在稳定平台三个主轴上正交配备姿态敏感器和姿态执行器，稳定平台满足平台方位轴自由旋转。

一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量方法，包括如下步骤：

S1，构建两套或以上如权利要求1所述的光电经纬仪交会测量系统；

S2，通过吊绳将光电测量系统自由悬挂于飞艇下方，设置系绳长度，减小飞艇囊体对光电经纬仪视轴在俯仰方向的遮挡；

S3，通过姿态敏感器、姿态执行器控制稳定平台姿态转角、抑制干扰力矩，为光电经纬仪提供一个供稳定的工作环境；

S4，光电经纬仪本身通过控制回路隔离因飞艇航向变化或气流导致的干扰运动，实现对目标的稳定跟踪；

S5，通过两个或以上光电经纬仪交会测量系统，根据需要改变飞艇距离、飞行高度，完成对目标的交会测量。

进一步，构建两套如权利要求1所述的光电经纬仪交会测量系统，其交会测量如下：

设发射坐标系为o-xyz，两艇载光电经纬仪坐标分别为O₁(x₁,y₁,z₁)和O₂(x₂,y₂,z₂)，两测量站测得目标的方位角和俯仰角分别为α_i和λ_i，i＝1,2；

设两测量站主光轴相交于目标上同一位置M处，根据几何知识可知，目标点坐标M(x_m,y_m,z_m)为：

忽略大地测量误差，光电经纬仪方位角和俯仰角测角误差分别为σ_α和σ_λ，且σ_α1＝σ_α2＝σ_λ1＝σ_λ2＝σ_α；

由误差传递定律可知，目标坐标的测量误差为

上述求解中利用了测站O₁的全部数据，但只利用了测站O₂的部分数据；为了提高目标测量的精度，对两站的测量信息进行数据融合，可得目标点坐标的另外一种形式

同理可知目标坐标的测量误差为

以O₁为主测量站的目标坐标为M(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，测量误差为以O₂为主测量站的目标坐标为M(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，测量误差为

对两组目标坐标点数据进行加权平均，权重为相应测量方差的倒数，则可以得到融合后的空间目标坐标为

融合后的方差为

本发明的技术效果是：

本发明基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统及方法利用吊绳悬挂光电测量系统，可以扩大光经纬仪器视轴的测量范围；稳定平台保持特定的姿态，为光电经纬仪正常工作提供一个稳定的环境；光电经纬仪可以对目标持续跟踪，并给出目标测量信息；通过两套或以上系统进行交会测量，可以求得目标的位置坐标。由于飞艇研发费用低、承载载荷多，可在云层之上机动巡航，并对潜在目标提前测量，在一定程度上拓展了现有的光学测量能力。

附图说明

图1为本发明基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统的结构示意图。

图2为本发明最大俯仰角测量范围示意图。

图3为本发明交会测量示意图。

具体实施方式

一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统，如图1所示，包括飞艇、系绳收放装置、吊绳和光电测量系统，光电测量系统通过吊绳悬挂于飞艇下方，系绳收放装置连接吊绳并控制吊绳的收放；

光电测量系统由光电经纬仪和稳定平台组成，光电经纬仪安装在稳定平台上，稳定平台采用三轴稳定控制系统，三轴为平台方位轴、平台俯仰轴和光电经纬仪视轴，在稳定平台三个主轴上正交配备姿态敏感器和姿态执行器，稳定平台满足平台方位轴自由旋转。

其中，各部件具体如下：

(1)飞艇：飞艇包含艇体分系统、飞控分系统、测控分系统和动力分系统等。飞艇载重能力不小于300kg，最大飞行高度不低于3km，最大横截面可近似为圆形，其半径约为R～10m。

系绳收放装置和飞艇吊舱硬连接，飞艇起飞前，系绳收放装置收起吊绳(即系绳)，待飞艇到达预定高度后，再缓慢释放吊绳。

吊绳一端与系绳收放装置固定，另一端连接光电测量系统，光电测量系统悬挂于飞艇下方。

(2)吊绳：吊绳需满足低重量、高强度的特点，且吊绳长度足够长，尽量减小飞艇囊体对光电经纬仪视轴的遮挡，使得光电经纬仪视轴在俯仰方向有足够大的测量范围。

选用高强轻质迪尼玛(Dyneema)绳，由荷兰DSM公司生产的超强聚乙烯纤维加工而成，具有破断负荷高、重量轻、耐磨性好等特点。吊绳密度为0.97g/cm³，直径8mm的迪尼玛绳破断力约为6t，适合本发明使用环境。设吊绳完全放开后长度为L～300m，如图2所示，根据几何关系易知最大可测俯仰角λ_max范围为

式中R为飞艇横截面半径(假设飞艇最大横截面为圆形)，L为吊绳长度，θ为光电经纬仪视轴与飞艇横截面切线和吊绳的夹角，式中忽略吊舱尺寸及吊绳倾斜的影响。

除吊绳外，光电测量系统还通过电缆和飞艇吊舱内测控分系统相连，可由地面测控计算机对光电测量系统进行遥控，并获取目标测量信息。

(3)系绳收放装置：可以选用直升机绞车，由直流/交流电驱动，承重不小于200kg。

(4)稳定平台：稳定平台通过抵消光电经纬仪跟踪架转动力矩以及其它干扰力矩，提供一个可供光电经纬仪稳定工作的环境，也可通过调整姿态扩大光电经纬仪的视轴的跟踪范围。

采用卫星上常用的三轴稳定系统，在平台三个主轴上正交配备姿态敏感器和执行器，通过有效的控制逻辑(常用PID控制器)，保持平台本体坐标轴相对于某一参考基准的方位。姿态敏感器包含陀螺仪、星敏感器和太阳敏感器等，为了提高精度，可以将不同敏感器配合使用。通过控制姿态执行器，可以确保平台本体坐标系相对于惯性坐标系的方位。姿态执行器以动量飞轮为主，飞轮根据控制系统所发指令，通过直流或交流电机驱动飞轮转动，飞轮转动时产生一个偏置力矩，该力矩可用于控制平台姿态转角，也可用于抑制干扰力矩。但是当飞轮达到最大角速度后便进入饱和状态，此时再增加转速，将不能提供力矩，需要用磁力矩器对飞轮进行动量卸载。

平台姿态控制方式包含两种：第一种通过平台上信息处理模块自主处理姿态敏感器的测量信息，然后平台上计算机按照预设算法产生控制指令，驱动飞轮系统工作，从而控制平台姿态；第二种是通过地面控制计算机发送遥控指令，从而驱动平台上的飞轮系统进行工作。两种方式相互配合，提高平台控制的可靠性。

(5)光电经纬仪：国内自主研制的某种型号机载电视经纬仪与普通光电经纬仪相似，由照准架、两轴陀螺精密转台、减震基座、变焦电视摄像系统、电视跟踪器、伺服控制系统、图像记录仪、数据处理机等分系统组成，其最大水平作用距离大于15km，方位角测量范围为-150°～150°，俯仰角测量范围为-45°～90°，最小角速度为0.02°/s，最大角速度为10°/s，最大角加速度为5°/s²，仪器自身动态指向误差均方值和投影到水平面的测角误差均方值均达到角秒级，体积为Φ0.4m×1m，最大回转半径为0.5m，重量小于80kg。该经纬仪配备弹道测量使用的标准B码接口，接入靶场测控网后，可作为中等精度的外弹道测量设备使用。

其跟踪架应采用体积小、重量轻、应用较为成熟的地平式跟踪架，它由绕水平线旋转的俯仰轴和绕垂直轴旋转的方位轴组成。跟踪架方位轴转动范围为0～360°，俯仰轴转动范围至少为0～90°，望远镜筒等安装于俯仰轴上，可实现半球面跟踪。当光电经纬仪视轴转动能力受限时，可通过调整稳定平台姿态辅助光电经纬仪进行跟踪测量。

在光电经纬仪方位轴和俯仰轴上分别安装有轴角编码器，实时记录视轴的方位角和俯仰角，综合考虑目标的脱靶量，可以给出修正后的目标方位角和俯仰角。

一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量方法，包括如下步骤：

S1，构建两套上述的光电经纬仪交会测量系统；

S2，通过吊绳将光电测量系统自由悬挂于飞艇下方，设置系绳长度，减小飞艇囊体对光电经纬仪视轴在俯仰方向的遮挡；

S3，通过姿态敏感器、姿态执行器控制稳定平台姿态转角、抑制干扰力矩，为光电经纬仪提供一个供稳定的工作环境；

S4，光电经纬仪本身通过控制回路隔离因飞艇航向变化或气流导致的干扰运动，实现对目标的稳定跟踪；

S5，通过两个光电经纬仪交会测量系统，根据需要改变飞艇距离、飞行高度，完成对目标的交会测量

如图3所示，设发射坐标系为o-xyz，两艇载光电经纬仪坐标分别为O₁(x₁,y₁,z₁)和O₂(x₂,y₂,z₂)，两测量站测得目标的方位角和俯仰角分别为α_i和λ_i，i＝1,2；

设两测量站主光轴相交于目标上同一位置M处，根据几何知识可知，目标点坐标M(x_m,y_m,z_m)为：

忽略大地测量误差，光电经纬仪方位角和俯仰角测角误差分别为σ_α和σ_λ，且σ_α1＝σ_α2＝σ_λ1＝σ_λ2＝σ_α；

由误差传递定律可知，目标坐标的测量误差为

上述求解中利用了测站O₁的全部数据，但只利用了测站O₂的部分数据；为了提高目标测量的精度，对两站的测量信息进行数据融合，可得目标点坐标的另外一种形式

同理可知目标坐标的测量误差为

以O₁为主测量站的目标坐标为M(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，测量误差为以O₂为主测量站的目标坐标为M(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，测量误差为

对两组目标坐标点数据进行加权平均，权重为相应测量方差的倒数，则可以得到融合后的空间目标坐标为

融合后的方差为

本发明并不限于构建两套光电经纬仪交会测量系统，根据实际情况构建两套或以上光电经纬仪交会测量系统。

本发明通过把光电经纬仪的功能延伸到飞艇，可以在云层之上对潜在目标进行测量，减少大气层的不利影响，进一步拓展光学观测能力。

飞艇主要依靠净浮力在空中飞行，通过调节囊体内气体比例或改变螺旋桨转速、方向，可以对飞艇高度进行调整，或者保持在一定高度并进行机动巡航。相比于无人机、侦察机、卫星等，飞艇具研发费用低、承载载荷多等特点，故搭载了光电经纬仪的飞艇可以扩展对目标的测量范围，在交会测量领域有着重要的价值。

Claims (3)

1.一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量系统，其特征在于，光电经纬仪交会测量系统包括飞艇、系绳收放装置、吊绳和光电测量系统，光电测量系统通过吊绳悬挂于飞艇下方，系绳收放装置连接吊绳并控制吊绳的收放；

光电测量系统由光电经纬仪和稳定平台组成，在光电经纬仪方位轴和俯仰轴上分别安装有轴角编码器，光电经纬仪安装在稳定平台上，稳定平台采用三轴稳定控制系统，三轴为平台方位轴、平台俯仰轴和光电经纬仪视轴，在稳定平台三个主轴上正交配备姿态敏感器和姿态执行器，稳定平台满足平台方位轴自由旋转。

2.一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，构建两套或以上如权利要求1所述的光电经纬仪交会测量系统；

S2，通过吊绳将光电测量系统自由悬挂于飞艇下方，设置系绳长度，减小飞艇囊体对光电经纬仪视轴在俯仰方向的遮挡；

S3，通过姿态敏感器、姿态执行器控制稳定平台姿态转角、抑制干扰力矩，为光电经纬仪提供一个供稳定的工作环境；

S4，光电经纬仪本身通过控制回路隔离因飞艇航向变化或气流导致的干扰运动，实现对目标的稳定跟踪；

S5，通过两个或以上光电经纬仪交会测量系统，根据需要改变飞艇距离、飞行高度，完成对目标的交会测量。

3.根据权利要求2所述一种基于飞艇的光电经纬仪交会测量方法，其特征在于，构建两套如权利要求1所述的光电经纬仪交会测量系统，其交会测量如下：

设发射坐标系为o-xyz，两艇载光电经纬仪坐标分别为O₁(x₁,y₁,z₁)和O₂(x₂,y₂,z₂)，两测量站测得目标的方位角和俯仰角分别为α_i和λ_i，i＝1,2；

设两测量站主光轴相交于目标上同一位置M处，根据几何知识可知，目标点坐标M(x_m,y_m,z_m)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_m=x_{12}=x_1+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_2-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}\\ y_m=y_{12}=y_1+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_2-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}{\mathrm{sec\α}}_1{\mathrm{tan\λ}}_1\\ z_m=z_{12}=z_1+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_2-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}{\mathrm{tan\λ}}_1\end{array}\right.$

忽略大地测量误差，光电经纬仪方位角和俯仰角测角误差分别为σ_α和σ_λ，且σ_α1＝σ_α2＝σ_λ1＝σ_λ2＝σ_α；

由误差传递定律可知，目标坐标的测量误差为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{x_{12}}^2=\[{\left(\frac{\∂x_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂x_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\σ}}_{y_{12}}^2=\[{\left(\frac{\∂y_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂y_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\∂y_{12}}{\∂{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\σ}}_{z_{12}}^2=\[{\left(\frac{\∂z_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂z_{12}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\end{array}\right.$

上述求解中利用了测站O₁的全部数据，但只利用了测站O₂的部分数据；为了提高目标测量的精度，对两站的测量信息进行数据融合，可得目标点坐标的另外一种形式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_m=x_{21}=x_2+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_1-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}\\ y_m=y_{21}=y_2+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_1-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}{\mathrm{sec\α}}_2{\mathrm{tan\λ}}_2\\ z_m=z_{21}=z_2+\frac{(x_1-x_2){\mathrm{tan\α}}_1-(z_1-z_2)}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_2}{\mathrm{tan\λ}}_2\end{array}\right.$

同理可知目标坐标的测量误差为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{x_{21}}^2=\[{\left(\frac{\∂x_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂x_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\σ}}_{y_{21}}^2=\[{\left(\frac{\∂y_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂y_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\∂y_{21}}{\∂{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\σ}}_{z_{21}}^2=\[{\left(\frac{\∂z_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂z_{21}}{\∂{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2\]{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2\end{array}\right.$

以O₁为主测量站的目标坐标为M(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，测量误差为以O₂为主测量站的目标坐标为M(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，测量误差为

对两组目标坐标点数据进行加权平均，权重为相应测量方差的倒数，则可以得到融合后的空间目标坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_m=(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{12}}^2}\·x_{12}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{21}}^2}\·x_{21})\·{(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{21}}^2})}^{-1}\\ y_m=(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{12}}^2}\·y_{12}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{21}}^2}\·y_{21})\·{(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{21}}^2})}^{-1}\\ z_m=(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{12}}^2}\·z_{12}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{21}}^2}\·z_{21})\·{(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{21}}^2})}^{-1}\end{array}\right.$

融合后的方差为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x^2={(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{x_{21}}^2})}^{-1}\\ {\mathrm{\σ}}_y^2={(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{y_{21}}^2})}^{-1}\\ {\mathrm{\σ}}_z^2={(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{12}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{z_{21}}^2})}^{-1}\end{array}\right..$