CN109827541A - 一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法，针对高精度引导的需求，解决目前协同工作的多台光电经纬仪的互引导精度不足的问题。多台光电经纬仪在同一时间跟踪同一个目标时，一台经纬仪首先捕获目标并且稳定跟踪目标，然后发出信号引导其它光电经纬仪也进入跟踪状态的这一过程中，影响引导精度的因素主要有站址误差、指向误差、动态滞后误差。为抑制这三种误差，本发明通过同步拍星校准、将目标轨道数据变换到被引导经纬仪的站心切平面坐标、被引导经纬仪先按照预测目标轨迹运动，接收到偏差量后再对机架位置进行微调、偏差量前馈控制等方法来提高互引导精度。

Description

一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，涉及提高协同工作的多个光电经纬仪之间相互引导精度的方法。具体来说就是多台光电经纬仪在同一时间跟踪同一个目标时，一台经纬仪首先捕获目标并且稳定跟踪目标，然后发出信号引导其它光电经纬仪也进入跟踪状态的这一过程中，提高其引导精度的方法。

背景技术

光电经纬仪作为一种高精度的观测设备，具有高精度、实时性好、可以动态跟踪、可以以图像的形式直观再现等优点，因而被广泛应用于航空、航天等领域的飞行器实验中。有些实验中，一台经纬仪不能够覆盖所有的观测区域，就需要多台经纬仪协同工作，即多台经纬仪在同一时间跟踪并观测同一目标。在多台经纬仪的协同工作过程中，先捕获目标并进入稳定跟踪状态的那台经纬仪需要引导其它经纬仪也将目标捕获，并进入跟踪状态，这就是多台经纬仪的互引导过程。

吴能伟等人提出用光电经纬仪实时交汇数据和雷达的实测数据进行互联，解算目标位置后，再对其进行延时补偿后，转换坐标引导其它经纬仪(《光电经纬仪实时引导的实现》，光子学报，2007,10,Vol.36,No.10:1965～1968；《经纬仪实时引导的研究》，中国科学院研究生院硕士论文，2003,07)。在这种引导方法中，目标的飞行轨迹被统一到发射坐标系中，经纬仪的坐标和雷达的坐标也以发射坐标系中的坐标表示。但在实际应用中，受地球曲率影响，各个经纬仪的水平面并不在同一个平面内，如果采用一套直角坐标系表达目标的空间位置就会出现偏差。而进行高精度观测的经纬仪的观测视场较小，微小的空间位置偏差就有可能引起引导的失败。

杨健等人针对飞行试验中利用地面雷达引导参试飞机的应用场景，提出了基于GPS和通信技术的空基多目标引导系统(《采用GPS数据的空基多目标引导系统》，2011,7,Vol.18,No.7:94～97)。这种方法适用于安装GPS的合作目标，且作为观测设备的雷达也具有较宽视场，因而对引导精度的要求较低。当观测设备视场较小、目标飞行速度较快时，数据更新速率较慢的GPS设备就不能满足精度要求。

本发明提出的提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法，针对轨道先验数据已知的目标，满足多台光电经纬仪之间高精度互引导的应用需求。目前尚未有公开发表的文献探讨这一问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对高精度引导的需求，解决目前协同工作的多台光电经纬仪的互引导精度不足的问题。具体的，多台经纬仪互引导工作如图1所示：几台经纬仪分别处于不同的观测站，要求在同一时间段跟踪同一目标，已知各经纬仪所在的观测站站址坐标的经度L_i、纬度B_i和高度H_i数据(i为经纬仪编号)。光电经纬仪均为地平式，规定方位角θ_{A_i}的零位为正北方向，从天顶方向俯视顺时针为旋转正方向；俯仰角θ_{E_i}的0位处于水平面内，90°为天顶方向。目标的高度、速度已知，轨道数据已经由天文部门根据先验数据给出，目标轨道数据以站心切平面坐标系的极坐标形式给出：方位角θ_{A0_i}，高度角θ_{E0_i}，距离r_{0_i}。目标经过时，实际轨道数据与预测数据略有差别，设经纬仪A发现并跟踪目标，实测值轨道数据为：方位角θ_{A_1}，俯仰角θ_{E_1}。根据目标轨道数据重新计算其它经纬仪的目标轨道数据，并将发送至其它经纬仪，引导其进入跟踪状态，并确保引导精度达到角秒级。目前的引导过程精度较低，主要原因在于存在以下误差：1、站址误差，即引导数据为经纬仪A的站心切平面极坐标数据，其相对于被引导的其它经纬仪的站心切平面坐标有一定偏差；2、指向误差，引导与被引导的各个经纬仪的零位方向不同，同样的指向数据造成各个经纬仪实际指向不同；3、动态滞后误差，目标在运动，被引导的经纬仪机架从静止状态运行到引导位置需要花费一定的时间，此时目标又向前运动了一定距离，所以经纬仪的实际指向与目标实际位置始终存在滞后误差。

综上，是本发明要解决的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法，包括：

步骤(1)、同步拍星校准：为保证分布在不同站址的经纬仪机架方位角的零位一致性，各经纬仪在同一时间拍摄北极星，并以拍摄到的图像校准机架方位角零位。；

步骤(2)、计算目标轨道数据：先跟踪到目标的经纬仪A，根据目标的实测轨道数据θ_{A_1}、θ_{E_1}、天文部门提供的轨道数据，得到目标的距离信息r₁，进而合成为基于经纬仪A的站心切平面坐标系坐标；

步骤(3)、坐标变换：过程如图2所示，将目标在经纬仪A的站心切平面坐标系中的坐标转换为WGS84坐标系坐标，再将目标的WGS84坐标变换为待引导的各个光电经纬仪的站心切平面坐标(θ_{A_i}，θ_{E_i}，r_i)(i＝1,…,N，N为待引导经纬仪个数)；

步骤(4)、被引导的经纬仪在未接收到引导信息之前，按天文部门给定的目标预测轨道数据θ_B0进行运动，当接收到引导信息后，计算实测信息与预测信息的偏差量△θ，并将与θ_B0叠加，得到B的机架控制器给定θ_BT，对B的机架进行调整。

本发明实现的框架如图3所示。经纬仪A的机架实际指向和光学测量器件得到的粗跟踪误差组合得到相对于经纬仪A的目标位置测量值；目标位置的测量值经坐标变换转换为被引导经纬仪B的站心切平面坐标系坐标；将之与天文部门给出的目标轨迹预测值θ_B0比较，得到B的站心切平面坐标下目标轨迹预测值与目标轨迹实测值的差值△θ；B先按照天文部门提供的目标轨迹预测值θ_B0运动，得到差值△θ后，△θ与θ_B0再按照新合成的目标位置θ_BT施加到反馈闭环控制器；目标轨迹预测值θ_B0和差值△θ均增加前馈控制器以提高经纬仪B的动态跟踪能力。

本发明实现原理：本发明通过以下方法减小引导误差：1、通过将目标位置变换到被引导经纬仪所在的站心切平面坐标减小站址误差；2、通过同步拍星校准减小各经纬仪的指向误差；3、被引导经纬仪在接收到引导信号之前，按照天文部门提供的目标轨道预测值运动，接收到引导信号后只需要调整目标实测值与预测值的差量部分，缩短了响应时间，减小了目标运动引起的动态滞后误差。4、采用预测量和偏差量的前馈控制，也可以减小动态滞后误差。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对影响引导精度的三种误差，提出了一套提高协同工作的多台经纬仪互引导精度的方法。目前的提高引导精度的技术中，吴能伟等人提出的方法是用延时补偿减小因目标运动引起滞后误差，但这一方法依赖于对目标运动的预测精度且对传感器的噪声较为敏感，而本文提出方法通过使被引导经纬仪按预测轨道提前运动以减小调整量、前馈两种方法结合以减小这一误差，针对性强，可实现程度高。

附图说明

图1为多台经纬仪互引导工作示意图；

图2为目标的坐标变换过程；

图3为引导和被引导经纬仪控制系统框图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

经纬仪A、B需要同时跟踪一个目标，经纬仪A的站址大地坐标系坐标(100，30，500)(经度L₁、纬度B₁、海拔高度H₁)，经纬仪B在A以东约100米处，其站址坐标为(100.001，30，500)。要求先发现并跟踪到目标的经纬仪向另一台经纬仪发出信号，引导其跟踪。

步骤(1)、拍星校准：在进入工作状态前拍摄北极星进行校准，以真北方向为方位角0°方向。设经纬仪A于1月1日19点拍摄，则此时A所认定的正北方向为0.2°，经纬仪B于1月1日21点拍摄，此时经纬仪B认定的正北方向为359.6°。二者的方位角偏差为0.6°。如果二台经纬仪于1月1日20点同步拍摄，则二者认定的方位角正北方向相同，均为359.8°，此时二者的方位角偏差为0°。

步骤(2)、计算目标轨道数据：目标在经纬仪A的观测信息为：方位角70°、俯仰角80°。查询天文部门提供的目标轨道信息得到目标在经纬仪A的站心切平面坐标系中的极坐标为(70°，80°，500000m)。

步骤(3)、坐标变换：首先计算A的站址在WGS84坐标系中的坐标：

上式中N为卯酉圈曲率半径，a＝6378137m；e为椭圆偏心率，b为地球等效的椭球体短半径。

接着，计算目标在A的站心切平面坐标系中的平面直角坐标(x_A,y_A,z_A)：

然后，转换为WGS84坐标P_WGS84(X,Y,Z):

上式中，L_A、B_A分别为A的站址坐标中的经度、纬度信息。

再然后，将目标WGS84坐标转换为经纬仪B的切平面坐标系的直角坐标(x_B,y_B,z_B)：

上式中，L_B、B_B分别为B的站址坐标中的经度、纬度信息。

最后,根据公式(5)得到目标关于B的站心坐标系的极坐标(r_B,θ_{A_B},θ_{E_B})：

其中经纬仪B的方位角θ_{A_B}＝69.9770°,俯仰角θ_{E_B}＝80.0110°。

步骤(4)、经纬仪B在未接收到引导信息之前，按天文部门给定的目标预测轨道数据进行运动，当接收到引导信息θ_{A_B}、θ_{E_B}后，计算实测信息与预测信息的差值，并将之作为修正量引入到机架控制器中。

本例中的控制系统结构与图3相同。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)、同步拍星校准：为保证分布在不同站址的经纬仪机架方位角的零位一致性，各经纬仪在同一时间拍摄北极星，并以拍摄到的图像校准机架方位角零位；

步骤(2)、计算目标轨道数据：先跟踪到目标的经纬仪A，根据目标的实测轨道数据θ_{A_1}、θ_{E_1}、天文部门提供的轨道数据，得到目标的距离信息r₁，进而合成为基于经纬仪A的站心切平面坐标系坐标；

步骤(3)、坐标变换：将目标在经纬仪A的站心切平面坐标系中的坐标转换为WGS84坐标系坐标，再将目标的WGS84坐标变换为待引导的各个光电经纬仪的站心切平面坐标(θ_{A_i}，θ_{E_i}，r_i)(i＝1,…,N，N为待引导经纬仪个数)；

步骤(4)、被引导的经纬仪在未接收到引导信息之前，按天文部门给定的目标预测轨道数据θ_B0进行运动，当接收到引导信息后，计算实测信息与预测信息的偏差量△θ，并将其与θ_B0叠加，得到B的机架控制器给定θ_BT，对B的机架进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法，其特征在于：步骤(4)目标轨迹预测值θ_B0和偏差量△θ均增加前馈控制器以提高经纬仪B的动态跟踪能力。