CN108286959A - 一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，在对目标进行搜索、跟踪和激光照射的各个阶段，通过接收无人机系统的遥测数据，提取出无人机姿态、位置信息，载荷方位角、俯仰角、目标距离、工作状态等信息。针对光电载荷不同的工作状态，分别利用基于姿态测量和目标测距有源定位模型、基于目标定位系统状态方程和测量方程无源定位模型实时解算侦照区域的空间位置信息，并将其标绘在电子地图上。本发明无需更改机载光电载荷，仅通过接收无人机系统的遥测数据即可为地面指挥决策人员提供实时的目标位置和环境信息，提高载荷操作人员空间感知和操作感知能力。

Description

一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法

技术领域

本发明涉及目标定位技术领域，尤其涉及一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法。

背景技术

近年来，随着无人机系统技术的成熟，无人机已被广泛应用。机载光电载荷作为无人机系统的机载设备在侦察监视、目标打击、作战效能评估、抢险救灾、森林防火等方面发挥着不可替代的作用。

任务执行过程中，掌握任务区态势发展和瞬时变化是完成飞行任务的关键，随着无人机所执行任务的多样化、复杂化，地面指挥决策人员已不再满足于仅得到光电载荷侦照目标的方位角、俯仰角和距离。找到一种全面有效的无人机光电载荷侦照目标定位方法，将目标位置实时标绘在电子地图上呈现给指挥决策人员，已是无人机光电载荷应用的发展方向和迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，通过接收无人机系统的遥测数据，为地面指挥决策人员提供实时的光电载荷视场目标位置和环境信息，方便对目标和周围环境进行分析和监视。

本发明采用的技术方案为：

一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，步骤如下：

步骤一，接收无人机系统遥测数据；

步骤二，判断光电载荷所处的工作状态；

步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标；光电载荷具有搜索态、跟踪态和激光照射态三种工作状态。

步骤四，计算视场区域坐标；根据光电载荷视场中心坐标、焦距、俯仰角、方位角、飞机坐标、飞机俯仰角和偏航角计算当前视场区域边界四个角的坐标。

步骤五，根据计算得到的视场区域坐标，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域。

当光电载荷处于激光照射态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(3.1)计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(x_b y_b z_b)；步骤(3.1)目标在光电载荷基座坐标系中的坐标(x_b y_b z_b)具体为：

其中，

α，λ，R分别为光电载荷基座坐标系下从光电载荷到目标的方位角、俯仰角、测距值；

(3.2)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T；

步骤(3.2)求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T，具体为：

其中，

通过大地直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵求逆得到，

A₁＝sinλ_s，B₁＝cosλ_s，C₁＝cosα_s，H₁＝-h_s-R_n，L₁＝R_Ne²sinλ_s，α_s，λ_s，h_s分别为无人机的经度、纬度和高度，e为地球参考椭球的第一偏心率，R_N为卯酉圈曲率半径；

通过地理坐标系到载机坐标系的变换矩阵求逆得到，

C₂＝sinθ_as，D₂＝cosθ_as，E₂＝sinψ_as，分别为无人机的横滚角、俯仰角和偏航角；

通过载机坐标系到基座坐标系的变换矩阵求逆得到，

C₃＝sinΔθ_ba，D₃＝cosΔθ_ba，E₃＝sinΔψ_ba，分别为减震器的横滚角、俯仰角和偏航角；

(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)；

步骤(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)，其中，

目标经度：

目标高度：

目标纬度：

x_g，y_g，z_g分别为步骤(3.2)求得的目标在大地直角坐标系下的坐标，R_e，R_p分别为地球参考椭球的长半径和短半径。

(3.4)更新并存储计算得到的视场中心目标大地坐标。

当光电载荷处于搜索态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(5.1)清空视场中心坐标；

(5.2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L₀；具体为：H_t为无人机海拔高度，λ为光电载荷俯仰角，θas为无人机俯仰角，H₀为无人机所在位置的高程。

(5.3)以估算的视场中心目标距离L₀替代激光测距值R，计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(x_b y_b z_b)；

(5.4)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]T；

(5.5)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)。

当光电载荷处于跟踪态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(7.1)判断视场中心坐标是否已清空，

若未清空，则代表在跟踪过程中光电载荷已执行过激光测距功能，此时存储的坐标即为当前光电载荷视场中心坐标；

若已清空，则代表在跟踪过程中光电载荷未执行过激光测距功能，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的状态方程和测量方程，计算得到当前光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程；

步骤(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程，当无人机对目标进行第k次观测时，无人机的位置坐标为目标的坐标为(tx，ty，tz)，选取状态变量代表目标位置估计，则系统离散状态方程为：

其中，

为状态转移矩阵，wk为系统噪声矩阵，w_k～N(0，θ_k)，为单位矩阵，θ_k为零矩阵；

系统测量方程为：

Z_k＝h(x_k)+v_k，其中，

v_k为测量随机噪声，系统噪声w_k和测量噪声v_k均为互不相关零均值高斯白噪声，为第k次观测时光电载荷视轴角，px，p_y，pz为第k次观测时无人机的坐标，tx，t_y，tz为目标坐标；

(b)计算无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角；

步骤(b)根据第k次观测时无人机的偏航角、俯仰角、横滚角和光电载荷的方位角、俯仰角，通过齐次坐标变换计算第k次观测时无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角μ代表视轴的俯仰角度，v代表视轴的方位角度；

(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程确定视场中心目标坐标。

步骤(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的方程组，当观测次数大于2次时，利用最小二乘估计法求得目标坐标(tx，t_y，tz)。

大地坐标系，原点O位于地心，X轴指向地球赤道与本初子午圈的交点，Z轴指向与地球自转轴平行，指向北极，Y轴垂直于平面XOZ，与Z轴、X轴构成右手螺旋坐标系，以经度、纬度、高度表示任意一点的位置；

大地直角坐标系，坐标轴定义与大地坐标系相同，大地直角坐标系以(x_g y_g z_g)表示任意一点的位置；

地理坐标系，原点O位于无人机质心，Y轴在无人机所处位置的当地平面内，指向正北，Z轴平行于当地地理垂线，指向天顶；

无人机载机坐标系，原点O位于无人机质心，X轴平行于无人机横轴指向右，Y轴平行于无人机纵轴指向前，Z轴平行于无人机竖轴指向上；

光电载荷基座坐标系，原点O位于光电载荷方位轴和俯仰轴的交点，X轴指向无人机机头方向，Y轴指向无人机机头顺时针90°方向，Z轴垂直向下。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)本发明无需更改机载程序，利用遥测数据，在地面即可计算，所用数据均为无人机和光电载荷的基本遥测数据，实用性和推广性强；

(2)本发明涉及光电载荷最主要的三种工作状态：搜索态、跟踪态和激光照射态，基本可满足载荷全作业周期内目标位置的计算；

(3)本发明结合电子地图对目标位置进行显示，可有效提升载荷操作人员空间感知和操作感知能力，提高飞行和载荷作业效率。

附图说明

图1为本发明的无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法流程示意图；

图2为本实施例中基于姿态测量和目标测距模型的坐标转换流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

结合附图和实施例，对本发明的无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法作进一步详细说明，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一，接收无人机系统遥测数据

本发明方法用于在无人机指挥控制站内为指挥决策人员提供实时的目标位置和环境信息，故首先通过无人机数据链接收无人机系统的遥测数据，解析出相关状态参数，包括：无人机大地坐标(纬度、经度、海拔高度)、无人机姿态角(横滚角、俯仰角和偏航角)、光电载荷的方位角、俯仰角、光电载荷工作状态(激光照射态、搜索态、跟踪态)以及激光照射态下的测距值。

步骤二，判断光电载荷工作状态

光电载荷工作过程中主要涉及搜索、跟踪和激光照射测距等阶段。光电载荷在不同工作阶段可提供的工作参数不同，激光照射态可提供目标的激光测距信息，目标定位属于有源定位，定位结果相对最为准确；搜索和跟踪态不提供目标的激光测距信息，目标定位属于无源定位。故需判断光电载荷的工作状态，利用不同的计算方法进行目标定位。

步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标。

3-1针对激光照射态，基于姿态测量和目标测距模型利用齐次坐标转换计算视场中心坐标，如图2所示，具体过程如下：

(1)计算目标在光电载荷基座坐标系中的坐标(x_b y_b z_b)

式中，α，λ，R分别为光电载荷基座坐标系下从光电载荷到目标的方位角、俯仰角、测距值。

(2)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T

式中，可通过(大地直角坐标系到地理坐标系变换矩阵)求逆得到，

取A₁＝sinλ_s，B₁＝cosλ_s，C₁＝cosα_s，H₁＝-h_s-R_n，L₁＝R_Ne²sinλ_s，其中，α_s，λ_s，h_s分别为无人机的经度、纬度和高度，e为地球参考椭球的第一偏心率，R_N为卯酉圈曲率半径；

可通过(载机地理坐标系到载机坐标系的变换矩阵)求逆得到，

取C₂＝sinθ_as，D₂＝cosθ_as，E₂＝sinψ_as，F₂＝cosψ_as，其中，θ_as，ψ_as分别为无人机的横滚角、俯仰角和偏航角；

可通过(载机坐标系到基座坐标系的变换矩阵)求逆得到，

取C₃＝sinΔθ_ba，D₃＝cosΔθba，E₃＝sinΔψba，F₃＝cosΔψba，其中，Δθ_ba，Δψ_ba分别为减震器的横滚角、俯仰角和偏航角，经过仿真测试和实际飞行验证，减震器的角度变化对坐标转换影响较小，故计算过程中减震器角度默认为0度。

(3)计算视场中心在大地坐标系下的坐标(B H L)，其中，

目标经度：

目标高度：

目标纬度：

x_g，y_g，z_g分别为步骤(3.2)求得的目标在大地直角坐标系下的坐标，R_e，R_p分别为地球参考椭球的长半径和短半径。

(4)更新并存储计算得到的视场中心大地坐标。

3-2针对搜索态，由于搜索状态光电载荷激光器不工作，无法获取测距信息，因此，在估算目标距离后，参照激光照射态完成视场中心坐标计算，具体过程如下：

(1)清空视场中心坐标。

光电载荷在执行搜索态指令后，原有视场发生变化，由激光照射态计算得到的视场中心坐标已发生变化，对于跟踪态已无参考意义，故需及时清除，以免对后续跟踪态视场中心坐标计算产生影响。

(2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L₀。

假设搜索态飞行过程中，飞行空域地形平坦，地面起伏较小。记录无人机海拔高度Ht，光电载荷俯仰角λ，无人机俯仰角θ_as，在数字地形高程(DEM)文件内提取无人机所在位置的高程H₀。结合三角关系，估算光电载荷距视场中心目标的距离

(3)以估算的视场中心目标距离L₀替代激光测距值R，计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(x_b y_b z_b)。

(4)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]T。

(5)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)。

3-3针对跟踪态，假设跟踪目标为静止目标，首先判断视场中心坐标是否已清空。

若未清空，则代表在跟踪过程中光电载荷已执行过激光测距功能，此时存储的坐标即为当前光电载荷视场中心坐标，其结果较为准确，直接执行步骤四即可。

若已清空，则代表在跟踪过程中光电载荷未执行过激光测距功能。由于跟踪状态下光电载荷会对同一目标持续观测，利用基于目标定位系统状态方程和测量方程模型，利用无人机与目标的状态方程和测量方程，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的方程组计算得到相对准确的计算结果，具体过程如下；

(1)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程，当无人机对目标进行第k次观测时，无人机的位置坐标为目标的坐标为(t_x，t_y，t_z)，选取状态变量代表目标位置估计，则系统离散状态方程为：

其中，

为状态转移矩阵，w_k为系统噪声矩阵，由于本方法针对静止目标跟踪，wk～N(0，θ_k)，为单位矩阵，θ_k为零矩阵；

系统测量方程为：

Z_k＝h(x_k)+v_k，其中，

v_k为测量随机噪声，系统噪声w_k和测量噪声v_k均为互不相关零均值高斯白噪声，为第k次观测时光电载荷视轴角，p_x，p_y，p_z为第k次观测时无人机的坐标，t_x，t_y，t_z为目标坐标。

(2)根据第k次观测时无人机的偏航角、俯仰角、横滚角和光电载荷的方位角、俯仰角，通过齐次坐标变换计算无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角μ代表视轴的俯仰角度，v代表视轴的方位角度。

(3)利用无人机与目标的状态方程和测量方程，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的方程组，当观测次数大于2次时，利用最小二乘估计法求得目标坐标(t_x，t_y，t_z)。

步骤四，计算视场区域坐标

在已知光电载荷视场中心坐标、焦距、俯仰角、方位角，飞机坐标、俯仰角、偏航角等后，得到当前的视场角，求出当前视场区域边界四个角的坐标。

步骤五，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域

根据以上计算结果，在电子地图上实时标绘出无人机位置、光电载荷方位线、目标距离和侦照区域，光电载荷操作人员通过观察目标的方位和区域，可进一步操作调整光电载荷或规划飞行航迹，以达到最佳的使用效果。

应用本发明提供的无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，在实际飞行过程中，载荷操作人员对指定位置目标的搜索时间缩短3到4倍，对指定区域的搜索效率提升2倍以上。

最后应说明的是：本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，接收无人机系统遥测数据；

步骤二，判断光电载荷所处的工作状态；

步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标；

步骤四，计算视场区域坐标；

步骤五，根据计算得到的视场区域坐标，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域。

2.根据权利要求1所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：光电载荷具有搜索态、跟踪态和激光照射态三种工作状态。

3.根据权利要求2所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：当光电载荷处于激光照射态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(3.1)计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(x_b y_b z_b)；

(3.2)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_gy_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T；

(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)；

(3.4)更新并存储计算得到的视场中心目标大地坐标。

4.根据权利要求3所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：

步骤(3.1)目标在光电载荷基座坐标系中的坐标(x_b y_b z_b)具体为：

其中，

α，λ，R分别为光电载荷基座坐标系下从光电载荷到目标的方位角、俯仰角、测距值；

步骤(3.2)求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_g y_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T，具体为：

其中，

通过大地直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵求逆得到，

A₁＝sinλ_s，B₁＝cosλ_s，C₁＝cosα_s，H₁＝-h_s-R_n，L₁＝R_Ne²sinλ_s，α_s，λ_s，h_s分别为无人机的经度、纬度和高度，e为地球参考椭球的第一偏心率，R_N为卯酉圈曲率半径；

通过地理坐标系到载机坐标系的变换矩阵求逆得到，

C₂＝sinθ_as，D₂＝cosθ_as，E₂＝sinψ_as，F₂＝cosψ_as，θ_as，ψ_as分别为无人机的横滚角、俯仰角和偏航角；

通过载机坐标系到基座坐标系的变换矩阵求逆得到，

C₃＝sinΔθ_ba，D₃＝cosΔθ_ba，E₃＝sinΔψ_ba，F₃＝cosΔψ_ba，Δθ_ba，Δψ_ba分别为减震器的横滚角、俯仰角和偏航角；

步骤(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)，其中，

目标经度：

目标高度：

目标纬度：

x_g，y_g，z_g分别为步骤(3.2)求得的目标在大地直角坐标系下的坐标，R_e，R_p分别为地球参考椭球的长半径和短半径。

5.根据权利要求2所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：当光电载荷处于搜索态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(5.1)清空视场中心坐标；

(5.2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L₀；

(5.3)以估算的视场中心目标距离L₀替代激光测距值R，计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(x_b y_b z_b)；

(5.4)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(x_gy_g z_g)的转换矩阵[x_g y_g z_g 1]^T；

(5.5)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(B H L)。

6.根据权利要求5所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：

步骤(5.2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L₀具体为：Ht为无人机海拔高度，λ为光电载荷俯仰角，θ_as为无人机俯仰角，H₀为无人机所在位置的高程。

7.根据权利要求2所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：当光电载荷处于跟踪态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(7.1)判断视场中心坐标是否已清空，

若未清空，则代表在跟踪过程中光电载荷已执行过激光测距功能，此时存储的坐标即为当前光电载荷视场中心坐标；

若已清空，则代表在跟踪过程中光电载荷未执行过激光测距功能，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的状态方程和测量方程，计算得到当前光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：

(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程；

(b)计算无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角；

(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程确定视场中心目标坐标。

8.根据权利要求7所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：

步骤(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程，当无人机对目标进行第k次观测时，无人机的位置坐标为目标的坐标为(t_x，t_y，t_z)，选取状态变量代表目标位置估计，则系统离散状态方程为：

其中，

为状态转移矩阵，w_k为系统噪声矩阵，w_k～N(0，θ_k)，为单位矩阵，θ_k为零矩阵；

系统测量方程为：

Z_k＝h(x_k)+v_k，其中，

v_k为测量随机噪声，系统噪声w_k和测量噪声v_k均为互不相关零均值高斯白噪声， 为第k次观测时光电载荷视轴角，p_x，p_y，p_z为第k次观测时无人机的坐标，t_x，t_y，t_z为目标坐标；

步骤(b)根据第k次观测时无人机的偏航角、俯仰角、横滚角和光电载荷的方位角、俯仰角，通过齐次坐标变换计算第k次观测时无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角μ代表视轴的俯仰角度，v代表视轴的方位角度；

步骤(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的方程组，当观测次数大于2次时，利用最小二乘估计法求得目标坐标(t_x，t_y，t_z)。

9.根据权利要求1所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：所述步骤(4)计算视场区域坐标，具体为：根据光电载荷视场中心坐标、焦距、俯仰角、方位角、飞机坐标、飞机俯仰角和偏航角计算当前视场区域边界四个角的坐标。

10.根据权利要求1所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：

大地坐标系，原点O位于地心，X轴指向地球赤道与本初子午圈的交点，Z轴指向与地球自转轴平行，指向北极，Y轴垂直于平面XOZ，与Z轴、X轴构成右手螺旋坐标系，以经度、纬度、高度表示任意一点的位置；

大地直角坐标系，坐标轴定义与大地坐标系相同，大地直角坐标系以(x_g y_g z_g)表示任意一点的位置；

地理坐标系，原点O位于无人机质心，Y轴在无人机所处位置的当地平面内，指向正北，Z轴平行于当地地理垂线，指向天顶；

无人机载机坐标系，原点O位于无人机质心，X轴平行于无人机横轴指向右，Y轴平行于无人机纵轴指向前，Z轴平行于无人机竖轴指向上；

光电载荷基座坐标系，原点O位于光电载荷方位轴和俯仰轴的交点，X轴指向无人机机头方向，Y轴指向无人机机头顺时针90°方向，Z轴垂直向下。