CN110487266A - 一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法，涉及机载光电无源探测与定位技术领域。本方法由八个步骤组成，步骤一，对传感器测量得到的参数初始化；步骤二，计算海面目标方位角和海面目标俯仰角；步骤三，计算海面目标在载机机体坐标系下的坐标系数矢量(X_A',Y_A',Z_A')；步骤四，计算海面目标在东北天坐标系下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)；步骤五，计算载机质心在海面的投影点在地心直角坐标系下的坐标(X_P,Y_P,Z_P)；步骤六，计算海面目标到光电吊舱之间的距离；步骤七，计算海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)；步骤八，计算海面目标的大地坐标。通过以上八个步骤实现了机载光电对海面目标的高精度无源定位技术。

Description

一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法

技术领域

本发明涉及机载光电无源探测与定位技术领域，具体为一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法。

背景技术

近些年来随着各国对海洋资源的勘探和开采由近陆浅海逐步走向深海远洋，给人们带来丰厚利润的同时也衍生出各种碰撞与冲突的风险，面对日益迫切严峻的海防情况，为了更好的探测识别和跟踪定位闯入我国领海的船舶、舰艇等水上航行器，机载光电探测定位设备和定位技术理论越来越受到人们重视，并逐步渗透到众多技术领域，成为各国在科技技术领域的一个重要场所，也成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一。

目前机载光电定位技术按照探测目标的方式分为有源目标定位和无源目标定位两种。通过激光测距机等设备获得目标距离的情况下实施的目标定位称为有源目标定位，不能获得目标距离的情况下实施的目标定位称为无源目标定位。目前激光测距机的距离测量误差在3至5米左右，由于可以获得精度较高的目标距离，所以在其它条件相同的情况下有源目标定位精度远远高于无源目标定位精度。但是，激光测距机等距离测量设备往往需要通过主动发射信号才可以实现测距功能，因此有源目标定位在精确定位敌方目标的同时也暴露了自身，容易受到敌方干扰和攻击，环境适应性差，生存能力低。为了弥补有源目标定位技术的缺陷，人们在积极改进有源目标定位技术的同时也逐步开展无源目标定位技术的研究。无源目标定位技术的优点是自身隐蔽性好、抗干扰性强、作用距离远，环境适应性强等，缺点是定位精度低、定位实施方法复杂、定位应用局限性大。因此，提出一种简单可靠的高精度无源目标定位技术成为迫切需求之一。

专利“一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法”(专利公开号CN201711339814)中公开的一种无源定位方法，其目标距离L₀通过高程数据计算，具体为：L₀＝(H_t-H₀)/cos(λ+θ)，H_t为无人机海拔高度，λ为光电载荷俯仰角，θ为无人机俯仰角，H₀为无人机投影在地面位置的高程。采用这样的方法计算目标距离从而实现无源目标定位，其目标距离的计算原理是利用直角三角形的斜边和临边的余弦关系，即无人机(A点)、无人机在地面的投影点(B点)、无人机与目标的连线和投影点所在水平面的交点(C点)三个点构成直角三角形ABC，(H_t-H₀)为角(λ+θ)的邻边AB的长度，L₀为直角三角形斜边AC的长度。因为目标位置所在点不是C点，而是AC延长线与地面的交点，所以计算值L₀和实际目标距离的误差非常大，当无人机在相同高度下目标越远，目标距离计算误差越大，因此定位误差也越大，L₀仿真计算结果可参考下面“仿真数据表”的“方法1”。

专利“一种全被动探测的目标定位方法和系统”(专利公开号CN109407049A)中公开的一种无源目标定位方法，将光电探测系统与无线电探测系统共站部署，通过光电探测系统获取的目标方位角信息、俯仰角信息和无线电探测系统获取的目标方位角信息和频点信息进行融合、配准、交叉计算等，实现目标定位。采用这样的无源定位方法，要同时具有多种探测设备，实施方法较复杂。

专利“一种用于光电吊舱的无源定位算法”(专利公开号CN106595668A)中公开的一种无源定位方法，需要将光电吊舱在空中两个不同的位置指向目标，获取对相同目标的定位输入参数两次，实现无源目标定位。采用这样的无源定位方法，需要被定位的目标为静止目标，应用局限性较大。

发明内容

为了解决现有机载光电无源定位技术存在的问题，本发明提出一种适用于海面目标的机载光电无源定位方法，由八个步骤组成，步骤一，对传感器测量得到的参数初始化；步骤二，计算海面目标方位角和海面目标俯仰角；步骤三，计算海面目标在载机机体坐标系下的坐标系数矢量(X_A',Y_A',Z_A')；步骤四，计算海面目标在东北天坐标系下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)；步骤五，计算载机质心在海面的投影点在地心直角坐标系下的坐标(X_P,Y_P,Z_P)；步骤六，计算海面目标到光电吊舱之间的距离；步骤七，计算海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)；步骤八，计算海面目标的大地坐标(L',B',H')，其中L'为海面目标经度，B'为海面目标纬度，H'为海面目标高度。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

1)与有源定位相比，无源定位不需要安装激光测距设备，能够缩小机载光电吊舱的结构空间，减轻重量，降低成本，有利于进一步小型化和模块化；

2)与有源定位相比，无源定位是一种目标被动定位方法，在探测、跟踪、定位过程中不易被敌方发现，隐蔽性高，有利于快速适应不同战场环境；

3)与现有的无源定位方法相比，本发明的无源定位方法在计算目标距离时带入地球模型公式，在对海面目标进行距离计算时不需要考虑地势高低起伏，可引入地球椭球体公式，计算得到的目标距离精度高，因此定位精度高；

4)与现有的无源定位方法相比，本发明采用单点获取输入数据，应用局限性小，且不需借助其它探测设备，实施方法简单。

5)本发明的无源定位方法对硬件依赖性低，定位设计与实现方法简单，通用性好、可靠性强，有利于在不同机载作战平台上推广和移植。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法的流程示意图。

图2是本发明步骤3中海面目标在载机机体坐标系的投影图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法，包括以下步骤：

1)初始化所需的输入参数，包括载机经度L、载机纬度B、载机高度H、载机真航向θ、载机俯仰角ε、载机横滚角γ、光电吊舱瞄准线方位角T_x、光电吊舱瞄准线俯仰角T_y、目标水平像素偏差σ_x、目标垂直像素偏差σ_y、视频图像水平分辨率R_x、视频图像垂直分辨率R_y、视频图像水平视场角V_x、视频图像垂直视场角V_y。

2)计算海面目标俯仰角α、海面目标方位角β和海面目标在载机机体坐标系下的坐标系数矢量；然后依次绕Y轴顺时针旋转载机横滚角γ、绕X轴顺时针旋转载机俯仰角ε、绕Y轴逆时针旋转载机真航向θ，将海面目标的坐标系数矢量从载机机体坐标系下旋转至东北天坐标系下；然后计算载机质心垂直投影到海面的大地坐标，并计算出此点在地心直角坐标系下的坐标(X_P、Y_P、Z_P)；再通过坐标旋转和平移等步骤计算出海面目标到载机质心的距离值，最后计算出海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)。

3)根据海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)，推算出海面目标的大地坐标(L',B',H')，从而实现了机载光电系统对海面目标的高精度无源定位。

具体的，本发明针对海面目标提出一种机载光电高精度无源定位方法，如图1所示，步骤如下：

步骤1，通过机上的惯性导航设备和光电设备获得目标定位所需的下列参数：载机经度(L)、载机纬度(B)、载机高度(H)、载机真航向(θ)、载机俯仰角(ε)、载机横滚角(γ)、光电吊舱瞄准线方位角(T_x)、光电吊舱瞄准线俯仰角(T_y)、目标水平像素偏差σ_x、目标垂直像素偏差σ_y、视频图像水平分辨率R_x、视频图像垂直分辨率R_y、视频图像水平视场角V_x、视频图像垂直视场角V_y。

步骤2，计算海面目标俯仰角α和海面目标方位角β，方法见下列公式。

β＝(V_x/R_x)*σ_x+T_x

α＝(V_y/R_y)*σ_y+T_y

α为当海面目标出现在光电视频图像正中心时，光电伺服输出的俯仰角，β为当海面目标出现在光电视频图像正中心时，光电伺服输出的方位角。

步骤3，计算海面目标在载机机体坐标系(O_A-X_AY_AZ_A)下的坐标系数矢量(X_A',Y_A',Z_A')，方法见下列公式：

X_A'＝cosαsinβ

Y_A'＝cosαcosβ

Z_A'＝sinα

参考图2，O_A点为载机质心所在点，T点为目标所在点，R为O_A和T点之间的距离。载机机体坐标系的坐标原点在载机质心O_A，X_A轴指向载机右翼，向右为正；Y_A轴指向载机机头，向前为正；Z_A轴和X_A轴、Y_A轴成右手直角坐标系。

步骤4，计算海面目标在东北天坐标系(O_A-X_MY_MZ_M)下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)，方法见下列公式：

C_x1＝(cosθcosγ+sinθsinεsinγ)*X_A'+(sinθcosε)*Y_A'+(cosθsinγ-sinθsinεcosγ)*Z_A'

C_y1＝(-sinθcosγ+cosθsinεsinγ)*X_A'+(cosθcosε)*Y_A'+(-sinθsinγ-cosθsinεcosγ)*Z_A'

C_z1＝(-cosεsinγ)*X_A'+(sinε)*Y_A'+(cosεcosγ)*Z_A'

载机东北天坐标系的坐标原点在载机质心O_A，X_M轴指向正东，向东为正；Y_M轴指向正北，向北为正；Z_M轴和X_M轴Y_M轴成右手直角坐标系。已知海面目标在载机机体坐标系下的坐标系数矢量(X_A',Y_A',Z_A')、载机真航向θ、载机俯仰角ε、载机横滚角γ，可计算出海面目标在载机东北天坐标系下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)。

步骤5，计算载机质心在海面的投影点在地心直角坐标系下的坐标(X_P,Y_P,Z_P)，方法见下列公式：

已知载机质心的大地坐标(L,B,H)，则载机质心在海面的投影点的大地坐标为(L,B,0)。并且，已知地球椭球面的长半轴a＝6378137米，地球椭球面的短半轴b＝6356750米，可求得地球第一偏心率e和卯酉圈曲率半径N和载机质心在海面的投影点在地心直角坐标系下的坐标(X_P,Y_P,Z_P)。

步骤6，计算海面目标到光电吊舱之间的距离R，方法见以下过程：

已知地球的形状接近于旋转椭球体，地球长半轴a＝6378137米、地球短半轴b＝6356752米，满足地球椭球体公式的点(X,Y,Z)近似于大地水准面。地球椭球体公式如下，其原点在地球中心。

因为所述目标为海面目标，如果海面目标在地心直角坐标系下的坐标记为(X_d,Y_d,Z_d)，其坐标值必定满足地球椭球体的公式如下：

已知载机经度L、载机纬度B、载机高度H，步骤4已得出海面目标在东北天坐标系下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)，如果目标距离记为R，则目标在东北天坐标系下的坐标为(C_x1*R,C_y1*R,C_z1*R)。将目标在东北天坐标系下的坐标通过平移、旋转、再平移至地心直角坐标系下，满足以下关系：

求解式(1)和式(2)联立所得的四元二次方程，未知数是X_d、Y_d、Z_d和R，过程如下：

首先，已在步骤4求得参数C_x1、C_y1、C_z1和步骤5求得参数X_P、Y_P、Z_P，先计算参数C_x2、D_x2、C_y2、D_y2、C_z2、D_z2。

C_x2＝-sin L*C_x1-cos L*sin B*C_y1+cos L*cos B*C_z1

D_x2＝X_P+cosL*cosB*H

C_y2＝cos L*C_x1-sin L*sin B*C_y1+sin L*cos B*C_z1

D_y2＝Y_P+sin L*cos B*H

C_z2＝cos B*C_y1+sin B*C_z1

D_z2＝Z_P+sin B*H

然后，计算参数C_a、C_b、C_c、D_eta。

C_a＝(C_x2*C_x2+C_y2*C_y2)/(a*a)+(C_z2*C_z2)/(b*b)

C_b＝(2*C_x2*D_x2+2*C_y2*D_y2)/(a*a)+(2*C_z2*D_z2)/(b*b)

C_c＝(D_x2*D_x2+D_y2*D_y2)/(a*a)+(D_z2*D_z2)/(b*b)-1

D_eta＝C_b*C_b-4*C_a*C_c

最后，计算海面目标到光电吊舱之间的距离R。

R＝min(R₁,R₂)

当D_eta＞＝0时，可求得海面目标到光电吊舱之间的距离R，可转入步骤7。当_aD_te＜0时，无法求得海面目标到光电吊舱之间的距离R，无解，算法结束。

步骤7，计算海面目标在地心直角坐标系(O_d-X_dY_dZ_d)下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)。地心直角坐标系的坐标原点O_d在地球质心，X_d轴为格林尼治子午面与地球赤道平面的交线，向外为正；Z_d轴与参考椭球体旋转轴重合，向上为正；Y_d轴在赤道平面内，并与X_d轴Z_d轴成右手直角坐标系。

已知步骤6所求参数C_x2、D_x2、C_y2、D_y2、C_z2、D_z2和距离R，可得出海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)，方法见下列公式：

步骤8，计算海面目标的大地坐标(L',B',H')，其中L'为目标经度，B'为目标纬度，H'为目标高度。方法见下列公式：

η＝arctan(a*Z_db*P)

L'＝arctanY_d/X_d

先计算参数P、η和地球的第二偏心率e₂，然后计算海面目标的大地坐标(L',B',H')。

本方法的主要优点在于：1)机载光电吊舱与海面目标之间的距离计算精度高，经过仿真验证，当小于20公里时距离计算精度与激光测距机测量精度具有相同数量级，参考数据见“仿真数据表”。2)目标定位操作实施方法简单，除光电吊舱外，只需要通过惯导系统获取载机位置、航向和姿态数据即可，而且几乎所有的载机平台都配有惯导系统，有的光电吊舱本身自带惯导。3)采用单点定位，应用局限性小，既可对静止目标定位也可对运动目标定位。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种适用于海面目标的机载光电高精度无源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，通过机上的惯性导航设备和光电设备获得目标定位所需的下列参数：载机经度L、载机纬度B、载机高度H、载机真航向θ、载机俯仰角ε、载机横滚角γ、光电吊舱瞄准线方位角T_x、光电吊舱瞄准线俯仰角T_y、目标水平像素偏差σ_x、目标垂直像素偏差σ_y、视频图像水平分辨率R_x、视频图像垂直分辨率R_y、视频图像水平视场角V_x、视频图像垂直视场角V_y；

步骤2，根据公式

β＝(V_x/R_x)*σ_x+T_x

α＝(V_y/R_y)*σ_y+T_y

计算海面目标俯仰角α和海面目标方位角β，其中α为当海面目标出现在光电视频图像正中心时，光电伺服输出的俯仰角，β为当海面目标出现在光电视频图像正中心时，光电伺服输出的方位角；

步骤3，根据公式

X_A'＝cosαsinβ

Y_A'＝cosαcosβ

Z_A'＝sinα

计算海面目标在载机机体坐标系(O_A-X_AY_AZ_A)下的坐标系数矢量(X_A',Y_A',Z_A')，其中载机机体坐标系的坐标原点在载机质心O_A，X_A轴指向载机右翼，向右为正，Y_A轴指向载机机头，向前为正，Z_A轴和X_A轴、Y_A轴成右手直角坐标系；

步骤4，根据公式

C_x1＝(cosθcosγ+sinθsinεsinγ)*X_A'+(sinθcosε)*Y_A'+(cosθsinγ-sinθsinεcosγ)*Z_A'

C_y1＝(-sinθcosγ+cosθsinεsinγ)*X_A'+(cosθcosε)*Y_A'+(-sinθsinγ-cosθsinεcosγ)*Z_A'

C_z1＝(-cosεsinγ)*X_A'+(sinε)*Y_A'+(cosεcosγ)*Z_A'

计算海面目标在东北天坐标系(O_A-X_MY_MZ_M)下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)，其中载机东北天坐标系的坐标原点在载机质心O_A，X_M轴指向正东，向东为正，Y_M轴指向正北，向北为正，Z_M轴和X_M轴Y_M轴成右手直角坐标系；

步骤5，根据公式

计算载机质心在海面的投影点在地心直角坐标系下的坐标，其中a为地球椭球面的长半轴，b为地球椭球面的短半轴，e为地球第一偏心率，N为卯酉圈曲率半径；

步骤6，采用以下过程计算海面目标到光电吊舱之间的距离R：

建立海面目标在地心直角坐标系下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)满足的地球椭球体方程

根据步骤4已得出海面目标在东北天坐标系下的坐标系数矢量(C_x1,C_y1,C_z1)，可以记目标在东北天坐标系下的坐标为(C_x1*R,C_y1*R,C_z1*R)；将目标在东北天坐标系下的坐标通过平移、旋转、再平移至地心直角坐标系下，满足以下关系：

求解式(1)和式(2)联立所得的四元二次方程，未知数是X_d、Y_d、Z_d和R，过程如下：

首先，已在步骤4求得参数C_x1、C_y1、C_z1和步骤5求得参数X_P、Y_P、Z_P，先计算参数C_x2、D_x2、C_y2、D_y2、C_z2、D_z2；

C_x2＝-sinL*C_x1-cosL*sinB*C_y1+cosL*cosB*C_z1

D_x2＝X_P+cosL*cosB*H

C_y2＝cosL*C_x1-sinL*sinB*C_y1+sinL*cosB*C_z1

D_y2＝Y_P+sinL*cosB*H

C_z2＝cosB*C_y1+sinB*C_z1

D_z2＝Z_P+sinB*H

然后，计算参数C_a、C_b、C_c、D_eta；

C_a＝(C_x2*C_x2+C_y2*C_y2)/(a*a)+(C_z2*C_z2)/(b*b)

C_b＝(2*C_x2*D_x2+2*C_y2*D_y2)/(a*a)+(2*C_z2*D_z2)/(b*b)

C_c＝(D_x2*D_x2+D_y2*D_y2)/(a*a)+(D_z2*D_z2)/(b*b)-1

D_eta＝C_b*C_b-4*C_a*C_c

最后，计算海面目标到光电吊舱之间的距离R；

R＝min(R₁,R₂)

当D_eta＞＝0时，可求得海面目标到光电吊舱之间的距离R，转入步骤7；当D_eta＜0时，无法求得海面目标到光电吊舱之间的距离R，无解，算法结束；

步骤7，根据公式

计算海面目标在地心直角坐标系(O_d-X_dY_dZ_d)下的坐标(X_d,Y_d,Z_d)；其中地心直角坐标系的坐标原点O_d在地球质心，X_d轴为格林尼治子午面与地球赤道平面的交线，向外为正；Z_d轴与参考椭球体旋转轴重合，向上为正；Y_d轴在赤道平面内，并与X_d轴Z_d轴成右手直角坐标系；

步骤8，根据公式

η＝arctan(a*Z_d/b*P)

L'＝arctan Y_d/X_d

计算海面目标的大地坐标(L',B',H')，其中L'为目标经度，B'为目标纬度，H'为目标高度。