CN108592860B - 用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法 - Google Patents

用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机载光电观瞄系统(以下简称EO)在基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，适用于光电观瞄系统，属于机载光电侦察技术领域。当EO安装在直升机、无人机上并校正EO初始角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性(基轴对准或校靶)后，EO的主计算机板根据校靶时记录并存储在Flash中的方位、俯仰和横滚零位角度偏差值，采用坐标变换方法精确修正并输出在载机坐标系下的EO瞄准线方位/俯仰角度。本发明的计算方法是对简化的‘取角度差值’计算方法的改进，具有计算速度快、适用范围广的特点。

Description

用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计 算方法
技术领域
本发明属于机载光电侦察技术领域，涉及一种用于机载光电观瞄系统(以下简称EO)在基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法。当EO安装在直升机、无人机上并进行基轴对准操作(校靶)后，本方法可以精确计算出EO在载机坐标系下的瞄准线方位/俯仰角度。
背景技术
当直升机或无人机载光电观瞄系统(以下简称EO)安装在载机上后需要校正EO本身角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性，这个过程就是校靶。校靶操作后EO的主计算机板需要根据校靶时记录并存储在Flash中的零位角度偏差值修正其输出的在载机坐标系下瞄准线方位/俯仰角度。因为EO的瞄准线方位/俯仰角度是对目标进行攻击时的射击诸元，也是实现对目标精确定位等的重要因素，EO上报的角度数据应精确反映瞄准线在载机坐标系下的实际角度。对于校靶前后零位偏差绝对值较小情况(一般情况下在方位/俯仰方向不大于1°，横滚方向不大于0.5°)，可以采用简化的‘取角度差值’的方法，即从EO光电码盘读到的当前瞄准线方位/俯仰角度减去校靶过程中记录的在方位和俯仰方向零位偏差量作为EO输出的瞄准线方位/俯仰角度；如果校靶前后零位偏差量数值较大，这种简化的‘取角度差值’的方法就难以保证精度要求。
经查询中国专利、美国专利、欧洲专利及中国知网、中外科技期刊，没有发现与‘机载光电观瞄系统在基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法’相关的内容。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，对于使用角度传感器的光电观瞄系统(以下简称EO)，当安装在载机上并校靶后，基于测得的校靶前后EO初始零位与惯导零位在方位、俯仰和横滚方向的偏差以及从EO光电码盘读取的初始零位下瞄准线方位/俯仰角度，建立合适的数学模型并进行坐标转换计算，计算出校靶后EO在载机坐标系下的瞄准线方位/俯仰角度，对进行了基轴对准操作(校靶)后EO的瞄准线方位/俯仰角度进行修正。
本发明的技术方案为：
所述一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，其特征在于：当机载光电观瞄系统在载机上安装，并校正机载光电观瞄系统角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性后，通过以下步骤计算得到机载光电观瞄系统在载机坐标系下的瞄准线方位和俯仰角度：
步骤1：记录校靶前后机载光电观瞄系统角度零位在方位、俯仰和横滚方向的偏差值；其中方位、俯仰和横滚方向的偏差值依次为αF、βF、γF；所述校靶指校正机载光电观瞄系统角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性；
步骤2：周期性读取机载光电观瞄系统输出的方位角度θAZ(1)以及俯仰角度θEL(1)；根据公式
Figure BDA0001593606230000021
计算得到机载光电观瞄系统当前瞄准线矢量在机载光电观瞄系统初始零位坐标系O-X1Y1Z1下的方向余弦[cos(α1)，cos(β1)，cos(γ1)]；
步骤3：根据公式
Figure BDA0001593606230000022
计算机载光电观瞄系统瞄准线矢量在校靶后的机载光电观瞄系统零位坐标系O-X2Y2Z2下的方向余弦[cos(α2)，cos(β2)，cos(γ2)]；
步骤4：根据公式
Figure BDA0001593606230000023
Figure BDA0001593606230000031
计算在校靶后的机载光电观瞄系统零位坐标系O-X2Y2Z2下，机载光电观瞄系统瞄准线方位角度θAZ(2)以及俯仰角度θEL(2)的正弦和余弦值；
步骤5：根据步骤4计算出的方位以及俯仰角度的正弦和余弦数值，以及机载光电观瞄系统对角度范围的定义，确定具体的校靶后输出的瞄准线方位和俯仰角度。
进一步的优选方案，所述一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，其特征在于：步骤5中，机载光电观瞄系统对角度范围的定义为方位角度范围为0°～360°以及俯仰角度范围为-180°～+180°；再通过以下判断过程，得到具体的校靶后输出的瞄准线方位和俯仰角度：
如果sin(θAZ(2))>0且cos(θAZ(2))>0，则θAZ(2)在第一象限；sin(θAZ(2))>0且cos(θAZ(2))<0，则θAZ(2)在第二象限；sin(θAZ(2))<0且cos(θAZ(2))<0，则θAZ(2)在第三象限；sin(θAZ(2))<0且cos(θAZ(2))>0，则θAZ(2)在第四象限；
如果sin(θEL(2))>0且cos(θEL(2))>0，则θEL(2)在第一象限；sin(θEL(2))>0且cos(θEL(2))<0，则θEL(2)在第二象限；sin(θEL(2))<0且cos(θEL(2))<0，则θEL(2)在第三象限；sin(θEL(2))<0且cos(θEL(2))>0，则θEL(2)在第四象限。
有益效果
(一)本发明适用于含有角度传感器的EO，当其安装在直升机或无人机上并校靶后，提供一种精确的计算EO在载机坐标系下瞄准线方位/俯仰角度的方法。对于简化的‘取角度差值’处理方法，如果测量出校靶前后两个坐标系间的横滚零位角度偏差(一般情况下认为横滚零位角度偏差是0°)，输出的EO瞄准线方位/俯仰角度也无法包含对横滚角度偏差的处理，本发明的方法中包含了对两个角度零位坐标系间横滚角度偏差的坐标变换处理。
(二)本发明在现有光电系统的基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加相关软件模块便可实现对EO输出瞄准线方位/俯仰角度的修正，应用方式简单，适用于各种机载光电观瞄侦察系统，具有广泛的可移植性。
附图说明
图1是载机坐标系下EO瞄准线方位/俯仰角度定义的示意图；
图2是本发明的工作流程图；
图3是校靶前后坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
结合图3，首先说明本发明的原理：
图3中O-X1Y1Z1是校靶前机载光电观瞄系统的初始零位坐标系，X1轴、Y1轴、Z1轴互相垂直，构成右手坐标系；O-X2Y2Z2是载机坐标系(也可理解为就是载机的惯导坐标系，因为惯导系统装到载机上后也要校靶，认为校靶后载机坐标系与惯导坐标系重合了)，X2轴、Y2轴、Z2轴互相垂直，构成右手坐标系。
OA是EO的瞄准线指向(矢量)，A点在平面O-X1Y1中的投影点是B1(B1点在平面O-X1Y1内)，A点在平面O-X2Y2中的投影点是B2(B2点在平面O-X2Y2内),则：
1)校靶前在机载光电观瞄系统初始零位坐标系O-X1Y1Z1下，EO瞄准线的方位、俯仰角分别是∠B1OY1和∠B1OA；
2)校靶后在载机坐标系(惯导坐标系)O-X2Y2Z2下，EO瞄准线的方位、俯仰角分别是∠B2OY2和∠B2OA。
不论校靶前或校靶后，机载光电观瞄系统中的绝对零位光电码盘在任何时候采集的值都是在初始零位坐标系O-X1Y1Z1下的方位/俯仰角度，但机上其它系统需要的是EO在载机坐标系下的角度，即需要EO输出在O-X2Y2Z2坐标系下的方位/俯仰角度∠B2OY2和∠B2OA.
即使两个坐标系间横滚方向旋转角度为0°，平面X1OY1与平面X2OY2也并不重合，相互间是倾斜的(即两个平面间是有夹角的)。这样EO输出的在O-X2Y2Z2坐标系下的方位/俯仰角度(∠B2OY2和∠B2OA)严格地说并不是在O-X1Y1Z1坐标系下的方位/俯仰角度(∠B1OY1和∠B1OA)减去‘校靶差值’，而应通过坐标旋转得到结果。
基于上述原理，本发明提出一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，当机载光电观瞄系统在载机上安装，并校正机载光电观瞄系统角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性后，通过以下步骤计算得到机载光电观瞄系统在载机坐标系下的瞄准线方位和俯仰角度：
EO在载机坐标系下的方位/俯仰角度定义见附图1，图中O-XUYUZU是载机坐标系，OA是EO当前瞄准线矢量方向。A点在平面O-XUYU中的投影点是B，过B点与XU轴的平行线与YU轴交于C点，与YU轴的平行线与XU轴交于D点。∠BOC就是EO瞄准线(或转塔)的方位角度，∠AOB就是EO瞄准线(或转塔)的俯仰角度。
EO的瞄准线指向是一个矢量，在任一坐标系下可以用它的方向余弦来表示。附图1中EO瞄准线矢量OA的方向余弦设为[cos(α)，cos(β)，cos(γ)]，其中α，β，γ分别是OA与三个坐标轴OXU、OYU、OZU的夹角。设A点在O-XUYUZU中的坐标是(XA，YA，ZA)，EO瞄准线矢量OA的方位、俯仰角为θAZ、θEL，即∠BOC＝θAZ，∠AOB＝θEL。
从瞄准线的方向余弦到方位/俯仰角度的计算公式为：
Figure BDA0001593606230000051
Figure BDA0001593606230000052
从瞄准线的方位/俯仰角度到方向余弦的计算公式为：
Figure BDA0001593606230000053
EO瞄准线输出角度计算方法的工作流程图见附图2。首先在校靶操作后记录EO角度零位在方位、俯仰和横滚方向的偏差，建立EO的初始零位坐标系和校靶后新的零位坐标系。EO主计算机板实时周期采集光电码盘的方位、俯仰角度数据，软件模块从以下第三步起周期执行：
第一步，记录校靶前后EO角度零位在方位、俯仰和横滚方向的偏差值并存储在主计算机板Flash中。设方位、俯仰和横滚方向的偏差值为αF、βF、γF，αF的正负定义为右转为正，左转为负；βF的正负定义为上转为正，下转为负；γF的正负定义为从载机尾部朝机头方向看，右倾斜为正，左倾斜为负。本实施例中αF＝1.50°，βF＝-1.20°,γF＝0o。
第二步，建立以下坐标系：O-X1Y1Z1为EO的初始角度零位坐标系，校靶后的EO零位坐标系为O-X2Y2Z2(O-X2Y2Z2是校靶后的载机坐标系，即为附图1中的坐标系O-XUYUZU)。设EO当前瞄准线矢量在O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2中的方向余弦分别为[cos(α1)，cos(β1)，cos(γ1)]和[cos(α2)，cos(β2)，cos(γ2)]。
第三步，周期读取机载光电观瞄系统光电码盘输出的初始方位角度θAZ(1)以及俯仰角度θEL(1)，设θAZ(1)＝-20.00°、θEL(1)＝10.00°，按照以上公式得出EO当前瞄准线矢量在校靶前初始坐标系O-X1Y1Z1下的方向余弦[cos(α1)，cos(β1)，cos(γ1)]；
Figure BDA0001593606230000061
第四步，按照以下公式得出EO瞄准线矢量在校靶后坐标系O-X2Y2Z2下的方向余弦[cos(α2)，cos(β2)，cos(γ2)]；从O-X1Y1Z1坐标系到O-X2Y2Z2坐标系变换时，要按照‘先方位后俯仰再横滚’的顺序转换；
Figure BDA0001593606230000062
第五步，根据公式
Figure BDA0001593606230000071
Figure BDA0001593606230000072
计算在校靶后的机载光电观瞄系统零位坐标系O-X2Y2Z2下，机载光电观瞄系统瞄准线方位角度θAZ(2)以及俯仰角度θEL(2)的正弦和余弦值；
第六步，根据计算出的方位以及俯仰角度的正弦和余弦数值，确定具体的角度值：
如果sinθAZ(2)>0且cosθAZ(2)>0，θAZ(2)在第一象限；sinθAZ(2)>0且cosθAZ(2)<0，θAZ(2)在第二象限；sinθAZ(2)<0且cosθAZ(2)<0，θAZ(2)在第三象限；sinθAZ(2)<0且cosθAZ(2)>0，θAZ(2)在第四象限。同理根据sinθEL(2)和cosθEL(2)的符号可以确定θEL(2)在哪一个象限。根据系统中对角度范围的定义，方位角度范围为0°～360°以及俯仰角度范围为-180°～+180°，就能确定具体的方位/俯仰角度，这个计算出的角度就是EO在校靶后输出的瞄准线方位/俯仰角度。
本实施例中，设方位/俯仰角度范围定义为-180°～+180°，因此θAZ(2)＝-21.58°，θEL(2)＝11.12°。
从以上计算结果可知：在本例中，如果用本专利提供的更精确的坐标变换修正方法，校靶后EO输出的瞄准线方位/俯仰角度是：θAZ(2)＝-21.58°，θEL(2)＝11.12°；如果用简单的‘取角度差值’计算方法，即使校靶前后零位坐标系在横滚方向偏差是0°(γF＝0°)，从当前码盘读到的方位、俯仰角度减去校靶过程中记录的方位、俯仰方向的零位偏差αF、βF，校靶后输出的瞄准线方位和俯仰角度分别是：θAZ＝-20°.00-1.50°＝-21.50°，θEL＝10.00°-(-1.20°)＝11.20°。两种方法相比较，输出瞄准线方位和俯仰角度的绝对值也都相差了0.08°。所以，当EO安装在载机上进行校靶操作后，如果零位角度偏差绝对值较大(一般情况下在方位/俯仰方向大于1°或在横滚方向大于0.5°)，应采用本专利所描述更精确的坐标变化方法来计算并输出EO的瞄准线方位/俯仰角度。

Claims (2)

1.一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，其特征在于：当机载光电观瞄系统在载机上安装，并校正机载光电观瞄系统角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性后，通过以下步骤计算得到机载光电观瞄系统在载机坐标系下的瞄准线方位和俯仰角度：
步骤1：记录校靶前后机载光电观瞄系统角度零位在方位、俯仰和横滚方向的偏差值；其中方位、俯仰和横滚方向的偏差值依次为αF、βF、γF；所述校靶指校正机载光电观瞄系统角度基轴与载机惯导系统基轴的平行性；
步骤2：周期性读取机载光电观瞄系统输出的方位角度θAZ(1)以及俯仰角度θEL(1)；根据公式
Figure FDA0002505745200000011
计算得到机载光电观瞄系统当前瞄准线矢量在机载光电观瞄系统初始零位坐标系O-X1Y1Z1下的方向余弦[cos(α1)，cos(β1)，cos(γ1)]；
步骤3：根据公式
Figure FDA0002505745200000012
计算机载光电观瞄系统瞄准线矢量在校靶后的机载光电观瞄系统零位坐标系O-X2Y2Z2下的方向余弦[cos(α2)，cos(β2)，cos(γ2)]；
步骤4：根据公式
Figure FDA0002505745200000013
Figure FDA0002505745200000014
计算在校靶后的机载光电观瞄系统零位坐标系O-X2Y2Z2下，机载光电观瞄系统瞄准线方位角度θAZ(2)以及俯仰角度θEL(2)的正弦和余弦值；
步骤5：根据步骤4计算出的方位以及俯仰角度的正弦和余弦数值，以及机载光电观瞄系统对角度范围的定义，确定具体的校靶后输出的瞄准线方位和俯仰角度。
2.根据权利要求1所述一种用于机载光电观瞄系统基轴对准操作后的瞄准线输出角度计算方法，其特征在于：步骤5中，机载光电观瞄系统对角度范围的定义为方位角度范围为0°～360°以及俯仰角度范围为-180°～+180°；再通过以下判断过程，得到具体的校靶后输出的瞄准线方位和俯仰角度：
如果sin(θAZ(2))>0且cos(θAZ(2))>0，则θAZ(2)在第一象限；sin(θAZ(2))>0且cos(θAZ(2))<0，则θAZ(2)在第二象限；sin(θAZ(2))<0且cos(θAZ(2))<0，则θAZ(2)在第三象限；sin(θAZ(2))<0且cos(θAZ(2))>0，则θAZ(2)在第四象限；
如果sin(θEL(2))>0且cos(θEL(2))>0，则θEL(2)在第一象限；sin(θEL(2))>0且cos(θEL(2))<0，则θEL(2)在第二象限；sin(θEL(2))<0且cos(θEL(2))<0，则θEL(2)在第三象限；sin(θEL(2))<0且cos(θEL(2))>0，则θEL(2)在第四象限。
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