CN108535715A - 一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法 - Google Patents

一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法，属于机载光电侦察技术领域。本目标定位方法能够根据载机地理位置信息、载机姿态角度、光电转塔角度、激光测距值、目标点海拔、载机点处大气参数，通过修正大气折射下的光线偏折，并进行不同坐标系统之间的坐标转换运算，可实时解算出目标的地理位置信息。本发明可在现有机载目标定位途径的基础上修正大气折射引起的目标定位误差，即仅通过技术途径的创新实现机载目标定位精度的提升，具有计算精度高、操作简单等特点。

Description

一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法
技术领域
本发明属于机载光电侦察技术领域，主要涉及一种机载光电观瞄系统用大气折射下的目标定位修正方法，该方法可以实时解算大气折射条件下的目标地理位置。
背景技术
由于地球大气在不同位置的温度、压强、水汽压各不相同，则地球大气各点的折射率也不相同，故导致光线在大气传输过程中形成光学折射，使光学传输过程中的路径产生偏移并引起光程增加，影响目标定位精度。机载光电观瞄系统对地/海面目标定位关系图见附图1。
附图1中P为机载光电观瞄系统，T为地面目标。由于大气折射的影响，目标T的光束经过弧线PDT到达机载光电观瞄系统P，光电观瞄系统以观察的方向对目标进行定位，获得T'的定位结果。若根据此定位结果进行地理位置引导攻击，则会给武器系统带来TT'的位置误差和∠TPT'的俯仰角误差，从而降低精确打击的效果。
中国专利申请200810227578.5中介绍了一种无人机实时目标信息解算方法。该方法首先根据光电侦察系统测出目标的距离值、镜头俯仰角、镜头方位角和无人机导航系统测出的方位角、俯仰角、横滚角得到欧拉角转换矩阵，以完成无人机地理坐标系到侦察转台坐标系的转换，并解算出某一地面固定目标在无人机地理坐标系中的坐标值，然后根据该坐标值求得目标点相对于无人机的经度、纬度偏移量，最后根据无人机的经纬信息可以求出该目标点的经纬度。这种方法未考虑大气环境对光线传输的影响，在远距离目标定位情况下，目标地理位置信息解算精度较差。
中国期刊《大气折射引起的雷达定位误差模型》([J].电光与控制.2009.Vol.16No.7)中介绍了一种基于全国大气折射率统计模型，利用雷达站点探空数据直接计算的射线描迹法(简称球面分层法)求取大气折射引起的仰角误差和距离误差。该方法利用统计模型求取全国大气折射率，不能准确求取当前雷达站点与目标点所处环境下的大气折射率；同时该文章利用的射线描迹法基于球面分层模型，与大地水准体存在较大差异，将导致利用该模型求取的仰角误差和距离误差精度较低。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法，由大气折射下目标定位软件模块实现，当机载光电观瞄系统瞄准地面目标，且收到上级系统发出的目标定位指令时，该模块执行具体操作，实现大气折射下目标定位。
本发明的技术方案为：
所述一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立地理坐标系g：用og-xgygzg表示，原点og位于机体质心，xg轴指向东向，yg轴指向北向，zg轴指向天向；机体坐标系b：用ob-xbybzb表示，原点ob位于机体质心，xb轴沿机体横轴向右，yb轴沿机体纵轴向前，zb轴沿机体立轴向上，即对应机体的右-前-上；光电观瞄坐标系s：用os-xsyszs表示，原点os位于光电观瞄系统质心，xs轴沿光电观瞄系统横轴向右，ys轴沿光电观瞄系统纵轴向前，zs轴沿光电观瞄系统立轴向上；地球直角坐标系e：用oe-xeyeze表示，原点oe位于地心，xe、ye轴在地球赤道平面内，xe指向零度本初子午线，ze轴沿地球自转轴，ye轴穿越东经90°子午线与赤道的交点；地球球面坐标系的原点位于旋转椭球体中心，位置用经度、纬度和高度表示；
步骤2：实时采集当前测距点数据组(αP，βP，γP，λP，LP，hP，θEL，θRO，θAZ，d)；其中：αP、βP、γP分别为在机体坐标系b下，载机组合导航系统输出的当前测距点下载机的俯仰角、横滚角和航向角；λP、LP、hP分别为在地球球面坐标系下，组合导航系统输出的当前测距点的经度、纬度和高度信息；θEL、θRO、θAZ分别为在光电观瞄坐标系s下，机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标点俯仰角、横滚角和航向角；d为机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标至光电观瞄系统的激光测距值；同时采集当前测距点的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH；采集目标点海拔高度hT；
步骤3：根据当前测距点的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH，利用大气模型计算hT到hP高度区间内的各海拔高度点对应的大气压强P(h)、温度T(h)与水汽压E(h)；
步骤4：采用以下算法求取各海拔高度点折射率：
nh＝1+Nh×10-6
大气折射度Nh计算公式如下，单位为ppm：
λ为光学波长，单位为μm，P(h)、T(h)和E(h)分别为步骤3中求取出的各海拔高度点对应的大气压强、温度与水汽压；
步骤5：采用以下算法计算机体坐标系到光电观瞄坐标系的转换矩阵
步骤6：采用以下算法计算地理坐标系到机体坐标系的转换矩阵
步骤7：采用以下算法计算地理坐标系到光电观瞄坐标系的俯仰角θP：
θP＝arcsin(a23)
步骤8：采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光程增加导致的距离误差ΔL：
上式中，Re为WGS-84参考旋转椭球体的半长轴，Re＝6378137m；e为WGS-84参考旋转椭球体的扁率，e＝1/298.257；RN为机载光电观瞄系统所在点的地理垂线与WGS-84参考旋转椭球体交点处的主曲率半径；为目标点T和机载光电观瞄系统所在点P间的扇形圆心角；np为机载光电观瞄系统所在点P所在大气环境的折射率；r为积分变量，积分区间为(RN+hT,RN+hp)；nr为与积分区间(RN+hT,RN+hp)相对应的海拔区间(hT,hp)内各海拔高度所在大气环境的折射率；
步骤9：采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光线偏折导致的仰角误差δθP：
步骤10：采用以下算法计算目标T在修正后的光电观瞄坐标系s1内的坐标
步骤11：采用以下算法计算机体坐标系到误差修正后的光电观瞄坐标系转换矩阵
步骤12：采用以下算法计算地球直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵
步骤13：采用以下算法计算机载光电观瞄系统所在点P在地球直角坐标系下的坐标
步骤14：采用以下算法计算目标T在地球直角坐标系下的坐标
步骤15：采用以下算法计算目标点在地球球面坐标系下的坐标(λT,LT,hT)：
LT和hT由下述迭代公式求出：
经多次迭代计算，当计算精度满足使用要求时，则：
hT＝(RN+h)i+1-(RN)i+1
有益效果
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(一)本发明建立了既适用于Snell定律，又近似于参考旋转椭球体的地球描述模型，提高了大气折射条件下地球模型的描述精度；同时在此模型下，建立了大气折射引起的光程增加导致的距离误差ΔL修正方法，和大气折射引起的光线偏折导致的仰角误差δθP修正方法，并将距离误差和仰角误差解算信息引入到目标定位流程中，可在解算目标位置信息的同时实时修正大气折射对目标定位信息的影响，该方法计算速度快、解算精度高。
(二)本发明通过软件算法实时解算大气折射条件下的目标经纬度信息，在现有光电系统的基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位软件包便可实现机载光电观瞄系统的功能升级，应用方式简单。
附图说明
图1是机载光电观瞄系统对地/海面目标定位关系图。
图2是机载光电观瞄系统目标测距大气折射示意图。
图3是本发明大气折射下的目标定位方法工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
本发明优选实施例是针对机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法，该方法是通过机载光电观瞄系统中的计算机实现。计算机带有存储器并装有大气折射下的目标定位软件模块。在载机飞行时，当机载光电观瞄系统瞄准地面目标且收到上级系统发出的目标定位指令时，大气折射下的目标定位软件模块根据图3所示的流程执行以下操作步骤。
步骤1：建立地理坐标系g：用og-xgygzg表示，原点og位于机体质心，xg轴指向东向，yg轴指向北向，zg轴指向天向；机体坐标系b：用ob-xbybzb表示，原点ob位于机体质心，xb轴沿机体横轴向右，yb轴沿机体纵轴向前，zb轴沿机体立轴向上，即对应机体的右-前-上；光电观瞄坐标系s：用os-xsyszs表示，原点os位于光电观瞄系统质心，xs轴沿光电观瞄系统横轴向右，ys轴沿光电观瞄系统纵轴向前，zs轴沿光电观瞄系统立轴向上；地球直角坐标系e：用oe-xeyeze表示，原点oe位于地心，xe、ye轴在地球赤道平面内，xe指向零度本初子午线，ze轴沿地球自转轴，ye轴穿越东经90°子午线与赤道的交点；地球球面坐标系的原点位于旋转椭球体中心，位置用经度、纬度和高度表示。
步骤2：实时采集当前测距点数据组(αP，βP，γP，λP，LP，hP，θEL，θRO，θAZ，d)；其中：αP、βP、γP分别为在机体坐标系b下，组合导航系统输出的当前测距点载机俯仰角、横滚角和航向角；λP、LP、hP分别为在地球球面坐标系下，组合导航系统输出的当前测距点载机经度、纬度和高度信息；θEL、θRO、θAZ分别为在光电观瞄坐标系s下，机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标点俯仰角、横滚角和航向角；d为机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标至光电观瞄系统的激光测距值；同时采集当前测距点载机处的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH；采集目标点海拔高度hT。
在本优选实施例中，选用(35°N，120°E)处海面1月份月平均大气参数作为当前测距点环境参数。设定当前测距点具体数据为：
(αP,βP,γP,λP,LP,hP,θEL,θRO,θAZ,d)
＝(0°,0°,0°,120°,35°,10000m,-10°,30°,30°,58949m)
设定目标点海拔高度hT＝0m。
步骤3：根据当前测距点的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH，利用大气模型计算hT到hP高度区间内的各海拔高度点对应的大气压强P(h)、温度T(h)与水汽压E(h)。
本实施例中采用以下方法，根据T(hP)、P(hP)、RH计算hT到hP区间内的各海拔高度点对应的大气压强P(h)、温度T(h)与水汽压E(h)：
其中大气模型如以下a)，b)，c)三式所示：
a)温度T(单位：K)随海拔高度h的变化为：
b)大气压强P(单位：hPa)随海拔高度h的变化为：
c)水汽压E(单位：hPa)用下式计算：
E＝E1·RH(h)/100
式中，RH(h)为相对湿度，单位为％；a、b、c为与空气温度有关的系数，t为空气温度，单位为℃；
当t≥0，时，a＝6.1121，b＝17.502，c＝240.97；
当t<0，时，a＝6.1115，b＝22.452，c＝272.55；
将当前测距点的大气环境温度T(hP)以及当前测距点的海拔高度hP代入温度模型，计算出海拔高度0处的温度T(0)；将当前测距点的压强P(hP)以及当前测距点的海拔高度hP代入压强模型，计算出海拔高度0处的压强P(0)；进而可以利用大气模型计算计算hT到hP区间内的各海拔高度点对应的大气压强P(h)、温度T(h)与水汽压E(h)。
步骤4：采用以下算法求取各海拔高度点折射率。因为大气折射率数值的小数部分一般在3×10-4以内变化，故而为了方便计算本发明引入大气折射度这一定义，海拔高度为h处的大气折射度Nh与大气折射率nh的关系如下式所示：
nh＝1+Nh×10-6
大气折射度Nh计算公式如下，单位为ppm，即10-6：
λ为光学波长，单位为μm，P(h)、T(h)和E(h)分别为步骤3中求取出的各海拔高度点对应的大气压强、温度与水汽压。本实施例中水汽压E(h)
步骤5：采用以下算法计算机体坐标系到光电观瞄坐标系的转换矩阵
步骤6：采用以下算法计算地理坐标系到机体坐标系的转换矩阵
步骤7：采用以下算法计算地理坐标系到光电观瞄坐标系的俯仰角θP。
θP＝arcsin(a23)
步骤8：采用以下方法建立地球为近似旋转椭球体模型的描述方式。考虑到Snell定律的使用条件为圆球体模型，为提高大气折射的目标定位误差修正精度，本发明建立如下模型来近似描述地球：近似认为观测点和目标点间的扇形为圆球扇形，扇形半径以观测点垂直投影到地球表面所在点的主曲率半径为扇形半径，该模型介于圆球体和参考旋转椭球体之间，与参考旋转椭球体模型具有较高近似度。该模型下机载光电观瞄系统目标测距大气折射示意图见附图2。
附图2中，Oe-XeYeZe为地球直角坐标系，O-XYZ为地球直角坐标系沿Ze轴向下平移OeO后得到的直角坐标系。P点为机载光电观瞄系统，P点发出的光线只有沿着直线方向I射出时，才能沿PT弧线段(实线)到达目标点T处(T为旋转椭球面上某一点)，我们称直线I为目标视方向。在真空环境下，P点发出的光线只有沿着直线方向II射出时，才能沿PT直线段(虚线)到达目标点T处，我们称直线II为目标真方向。直线III为P点的地理垂线，P0为直线III与参考旋转椭球面的交点，P0O为参考旋转椭球面在P0点处的主曲率半径。直线IV为平面TPO上PT弧线段在T点处的切线。
采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光程增加导致的距离误差ΔL：
上式中，Re为WGS-84参考旋转椭球体的半长轴，Re＝6378137m；e为WGS-84参考旋转椭球体的扁率，e＝1/298.257；RN为机载光电观瞄系统所在点的地理垂线与WGS-84参考旋转椭球体交点处的主曲率半径；为目标点T和机载光电观瞄系统所在点P间的扇形圆心角；np为P点所在大气环境的折射率；r为积分变量，积分区间为(RN+hT,RN+hp)；nr为与积分区间(RN+hT,RN+hp)相对应的海拔区间(hT,hp)内各海拔高度所在大气环境的折射率。
在本优选实施例中，计算得到的大气折射引起的光程增加导致的距离误差ΔL具体数据为：
ΔL＝10.567m
步骤9：采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光线偏折导致的仰角误差δθP：
在本优选实施例中，计算得到的地理坐标系到光电观瞄坐标系的俯仰角θP具体数据为：
δθP＝-0.0288
步骤10：采用以下算法计算目标T在修正后的光电观瞄坐标系s1内的坐标
步骤11：采用以下算法计算机体坐标系到误差修正后的光电观瞄坐标系转换矩阵
步骤12：采用以下算法计算地球直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵
步骤13：采用以下算法计算机载光电观瞄系统所在点P在地球直角坐标系下的坐标
步骤14：采用以下算法计算目标T在地球直角坐标系下的坐标
步骤15：采用以下算法计算目标T在地球球面坐标系下的坐标(λT,LT,hT)。
LT和hT由下述迭代公式求出，i为迭代次数：
经多次迭代计算，当计算精度满足使用要求时，则：
hT＝(RN+h)i+1-(RN)i+1
在本优选实施例中，计算得到的目标T在地球球面坐标系下的坐标具体数据为：
。这里计算出的目标T的高度hT与采集的目标点海拔高度hT存在较小的计算精度误差。

Claims (1)

1.一种适用于机载光电观瞄系统的大气折射下目标定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立地理坐标系g：用og-xgygzg表示，原点og位于机体质心，xg轴指向东向，yg轴指向北向，zg轴指向天向；机体坐标系b：用ob-xbybzb表示，原点ob位于机体质心，xb轴沿机体横轴向右，yb轴沿机体纵轴向前，zb轴沿机体立轴向上；光电观瞄坐标系s：用os-xsyszs表示，原点os位于光电观瞄系统质心，xs轴沿光电观瞄系统横轴向右，ys轴沿光电观瞄系统纵轴向前，zs轴沿光电观瞄系统立轴向上；地球直角坐标系e：用oe-xeyeze表示，原点oe位于地心，xe、ye轴在地球赤道平面内，xe指向零度本初子午线，ze轴沿地球自转轴，ye轴穿越东经90°子午线与赤道的交点；地球球面坐标系的原点位于旋转椭球体中心，位置用经度、纬度和高度表示；
步骤2：实时采集当前测距点数据组(αP，βP，γP，λP，LP，hP，θEL，θRO，θAZ，d)；其中：αP、βP、γP分别为在机体坐标系b下，载机组合导航系统输出的当前测距点下载机的俯仰角、横滚角和航向角；λP、LP、hP分别为在地球球面坐标系下，组合导航系统输出的当前测距点的经度、纬度和高度信息；θEL、θRO、θAZ分别为在光电观瞄坐标系s下，机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标点俯仰角、横滚角和航向角；d为机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标至光电观瞄系统的激光测距值；同时采集当前测距点的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH；采集目标点海拔高度hT；
步骤3：根据当前测距点的大气环境温度T(hP)、压强P(hP)和相对湿度RH，利用大气模型计算hT到hP高度区间内的各海拔高度点对应的大气压强P(h)、温度T(h)与水汽压E(h)；
步骤4：采用以下算法求取各海拔高度点所在大气环境折射率：
nh＝1+Nh×10-6
大气折射度Nh计算公式如下，单位为ppm：
λ为光学波长，单位为μm，P(h)、T(h)和E(h)分别为步骤3中求取出的各海拔高度点对应的大气压强、温度与水汽压；
步骤5：采用以下算法计算机体坐标系到光电观瞄坐标系的转换矩阵
步骤6：采用以下算法计算地理坐标系到机体坐标系的转换矩阵
步骤7：采用以下算法计算地理坐标系到光电观瞄坐标系的俯仰角θP：
θP＝arcsin(a23)
步骤8：采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光程增加导致的距离误差ΔL：
上式中，Re为WGS-84参考旋转椭球体的半长轴，Re＝6378137m；e为WGS-84参考旋转椭球体的扁率，e＝1/298.257；RN为机载光电观瞄系统所在点的地理垂线与WGS-84参考旋转椭球体交点处的主曲率半径；为目标点和机载光电观瞄系统所在点间的扇形圆心角；np为机载光电观瞄系统所在点所在大气环境的折射率；r为积分变量，积分区间为(RN+hT,RN+hp)；nr为与积分区间(RN+hT,RN+hp)相对应的海拔区间(hT,hp)内各海拔高度所在大气环境的折射率；
步骤9：采用以下算法计算近似椭球体模型下大气折射引起的光线偏折导致的仰角误差δθP：
步骤10：采用以下算法计算目标点在修正后的光电观瞄坐标系s1内的坐标
步骤11：采用以下算法计算机体坐标系到误差修正后的光电观瞄坐标系转换矩阵
步骤12：采用以下算法计算地球直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵
步骤13：采用以下算法计算机载光电观瞄系统所在点在地球直角坐标系下的坐标
步骤14：采用以下算法计算目标点在地球直角坐标系下的坐标
步骤15：采用以下算法计算目标点在地球球面坐标系下的坐标(λT,LT,hT)：
LT和hT由下述迭代公式求出：
经多次迭代计算，当计算精度满足使用要求时，则：
hT＝(RN+h)i+1-(RN)i+1
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