CN111913171A - 一种低空红外目标精确定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低空红外目标精确定位方法及系统,首先系统在工作前,完成站点布设,以各站点的大地经纬度坐标为输入条件,通过坐标转换算法,将各站点坐标统一到大地直角坐标系下;系统在工作时,根据转台获取的目标方位角和俯仰角信息,通过最小距离算法,得到目标相对于各站的距离信息,以假关联滤除算法为基础,设定“门限”,剔除假目标,降低虚警率;最后,通过多站解算融合算法,对目标相对于各站点的距离信息进行加权融合,提高测距精度。本发明可以判别虚假目标,适用于多目标的检测和定位;同时考虑地球曲率引入的误差,减少了不必要的测量误差。
Description
技术领域
本发明属于光电跟踪技术领域,具体涉及一种低空红外目标精确定位方法及系统。
背景技术
我国地域广阔,为了能保卫国家的生命财产安全,无论在和平年代还是在战争年代,对进入我国领空的非协作目标进行搜索、探测和监视,对有威胁的目标实施预警、跟踪和打击,是我国国防力量的重要使命。而对进入防空区域的单目标或者多目标进行精确定位,提供如经度、纬度、高度和距离等有用信息,是防空指挥装置对该区域安全防护不可或缺的支持。
传统的激光测距或者超声波测距虽能精确获得目标距离信息,但容易暴露我方位置,不利于装置的全被动、反隐身预警功能。本公开涉及低空近程红外目标探测领域,具体涉及一种低空红外目标精确定位方法、一种低空红外目标快速搜索装置。所述精确定位方法为多站交叉测距算法,包括:获取各站点坐标信息,通过红外搜索装置获取目标相对各站点的实时方位角和俯仰角;对所述站点坐标通过坐标转换将其从大地经纬度坐标转换到大地直角坐标系下;采用最小距离算法可计算出大地直角坐标系下目标相对各站点的距离;利用假关联滤波算法剔除虚假目标;在获得真实目标相对各站点的距离信息之后,通过多站解算融合算法得到目标相对于主站的距离,提高目标距离解算精度,实现低空红外目标的精确定位。
现有技术中采用双站对低空单目标进行搜索,若发现目标便对其进行检测、捕获并进入跟踪状态,根据目标相对于双站的方位角、俯仰角以及双站之间的距离、角度信息获取目标的位置信息。此方法存在以下缺点:①无法判别虚假目标,不适用于多目标的检测和定位;②在利用三角定位法确定目标位置时,没有考虑地球曲率引入的误差,增加了不必要的测量误差。
需要注意的是,本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明目的在于提供了一种低空红外目标精确定位方法及系统,可以判断虚假目标,实现了高精度测量。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案:
该低空红外目标精确定位方法,包括以下步骤:
S1:站点布设
先读取各站点的大地坐标系坐标,完成对各站点进行布设;
S2:站点坐标转换
通过坐标转换算法,将站点所处位置的大地坐标系坐标转换成以地心为原点的大地直角坐标系坐标;
S3:最小距离定位算法
由已知的两站坐标值和两站光电搜索装置在同一时刻探测同一目标时的方位角、俯仰角,建立两站交叉测距的数学模型,利用最小距离定位算法获取目标的距离信息;
S4:假点剔除
根据当前时刻两站观测线最小距离和上一时刻两站观测线最小距离的前后起伏,判断目标观测线上的两点是否正确关联;若两点是虚假关联点,予以剔除,否则反之;
S5:数据融合
通过多站解算融合算法,对目标相对于各站点的距离信息进行加权融合,从而得出目标精确位置。
进一步地,上述步骤S2具体是:假设大地坐标系的位置为点P(x,y,z),对应的经纬度坐标为P(L,B,H),则由大地坐标向大地直角坐标的变换关系为:
进一步地,上述步骤S3具体是:
假设两站光电搜索装置在大地地心坐标系下的坐标分别为S1(xs1,ys1,zs1),S2(xs2,ys2,zs2),S1在某一时刻t观察到目标P的位置在P2处,方位角为β1,俯仰角为ε1,S2在同一时刻t观察到目标P的位置在P1处,方位角为β2,俯仰角为ε2。两条目标观测线的异面夹角为α,P1P2为两条目标观测线的距离,r1,r2为目标相对于两站的距离;
由此,两条目标观测线用向量可表示为
根据最小距离测距算法,通过两条观测线上距离最近的两点,求出目标距离各测量站点的距离;设两条观测线上距离最近的两点分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2),则两条观测线上任意两点距离的平方为:
d2=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2 (4)
将(3)式带入(2)式,再将所得结果带入(4)式可得:
令d2=M,对M求导,令其为0,并联立有:
解(6)式可得:
其中
n=cosε1 cosε2 cosβ1 cosβ2+cosε1 cosε2 sinβ1 sinβ2+sinε1 sinε2 (9)
将r1、r2用矩阵的形式可表示为:
式(10)可表示为:
利用(11)式计算出在大地地心坐标系下目标距两站点的距离,再将求出的r1、r2回带入(4)式,求出两条观测线上两点的最小距离。
进一步地,上述步骤S4具体是:
记录上一时刻两站观测线最小距离d1,根据当前时刻两站观测线最小距离d2,计算最小距离前后起伏大小:
D=|d1-d2| (12)
设定最小距离门限D'对D进行判决,如果D小于D',则认为目标观测线上的两点正确关联,是可信的,予以保留;如果D大于或等于D',则认为目标观测线上的两点是虚假关联点,不可信,予以剔除。
进一步地,上述步骤S5具体是:
交叉定位解算的精度与两条目标观测线之间交会角的正弦成近似正比例关系,当两条目标观测线交会角接近90°时,则精度好,否则相反;由余弦定理可知,两条目标观测线的交会角为:
其中,l12是两站点之间的距离;
对三站进行解算时,可通过上述算法得到一组融合数据;融合数学模型为:
其中,若编号为1的站点为主站话,其中α1、α2分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的两条观测线的交会角,r21、r31分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的目标相对于两辅站的距离,r1(2)、r1(3)表示将主站与两辅站进行交叉定位解算得到的目标对主站的斜距;
多站交叉定位时,有多条目标观测线对目标定位,根据两两观测线交会角的计算结果进行选优数据融合,交会角越接近90°,精度越高,相当于权值取1,反之权值相当于取0,滤除假关联点,从而输出目标定位距离。
该低空红外目标精确定位系统,包括:
光电探测模块,所述光电探测模块用于对目标进行搜索、探测、预警;
通信传输模块,所述通信传输模块用于接收上级指挥中心各类作战命令,解析整编后转各站点执行;
支持保障模块;所述支持保障模块用于系统的时统、定位和供电任务。
进一步地,上述光电探测模块包括红外热像仪、精密转台、图像处理器和显控终端;所述红外热像仪位于所述精密转台上,所述图像处理器和显控终端与所述通信传输模块连接。
进一步地,上述通信传输模块包括通信网络控制器、网络交换机和超短波平台;所述网络交换机与所述光电探测模块连接,所述网络交换机依次与通信网络控制器和超短波平台连接。
进一步地,上述支持保障模块包括电源控制箱、UPS电源、北斗GPS定位授时一体机和用于放置各机构的支架;
所述UPS电源与所述电源控制箱连接,所述电源控制箱连接分别与所述光电探测模块、通信传输模块和北斗GPS定位授时一体机连接;所述北斗GPS定位授时一体机与所述网络交换机连接。
本发明的有益效果:
1)本发明公开一种低空红外目标精确定位方法及系统,既可采用双站定位又可以组网的形式对低空目标进行预警和指示,当侦察区域出现多目标时,装置可依次对目标进行编批,通过选择不同批号实现多目标的定位。在多站交叉测距时,为了消除地球曲率对计算结果的影响,算法将各站点从大地经纬度坐标转换到了以地心为中心的大地直角坐标系中,实现了坐标的统一,减小了定位误差。
2)本发明公开一种低空红外目标精确定位方法及系统,在虚假目标判定时,采用假关联滤除算法,计算各站点最小距离随目标运动的起伏关系,并与门限作对比,通过“一帧判断、多帧确认”的方法,剔除假目标。
3)本发明公开一种低空红外目标精确定位方法及系统,采用多站解算融合算法,对目标相对于各站点的斜距进行加权求和,得到目标相对于主站的距离,有效提高了解算精度。
附图说明
图1是本发明的工作原理图;
图2是本发明多站交叉测距中涉及到的坐标系;
图3是本发明最小距离定位算法数学模型;
图4是本发明虚假关联示意图;
图5是本发明的具体流程图;
图6是本发明的系统单套装置连接框图;
图7是本发明的系统外形示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
本发明在此设计多站交叉测距算法对目标进行测距,实现全被动精确定位。双站交叉测距是根据各站点坐标位置、方位角和俯仰角,通过坐标转换、最小距离定位算法、假点剔除和数据融合的方法来达到精确定位的目的。
多站交叉测距是指多部光电搜索装置的组网在对目标捕获之后对目标进行定位的过程。基于双站交叉测距的思想,根据光电搜索装置探测原理,建立目标跟踪状态下多站测距的数学模型,精确计算移动目标与测量站点之间的距离,实现在防空区域内对空间目标的多站点交叉精确定位。
如图1所示,低空红外目标精确定位方法包括五个步骤,分别是站点布设、坐标转换、最小距离计算、假关联滤除和多站解算融合。
系统在工作前,完成站点布设,以各站点的大地经纬度坐标为输入条件,通过坐标转换算法,将各站点坐标统一到大地直角坐标系下;系统在工作时,根据转台获取的目标方位角和俯仰角信息,通过最小距离算法,得到目标相对于各站的距离信息,以假关联滤除算法为基础,设定“门限”,剔除假目标,降低虚警率;最后,通过多站解算融合算法,对目标相对于各站点的距离信息进行加权融合,提高测距精度。
如图5所示,本发明的低空红外目标精确定位方法具体如下:
①站点布设
在系统在工作前,先读取各站点的大地坐标系坐标,完成对各站点进行布设
②坐标转换
已知的各坐标位置都是在测站的测量坐标系中,为了消除地球曲率对计算结果的影响,必须将这些坐标转换到以地心为原点的统一坐标系中。
如图2所示,假设某光电搜索装置在大地直角坐标系中位于点P(x,y,z),对应的经纬度坐标为P(L,B,H),则由大地坐标向大地直角坐标的变换关系为:
任意光电搜索装置的大地坐标系可以通过(1)式转换到大地直角坐标系来完成。
③最小距离定位算法
在对目标进行监视、跟踪时,需要通过交叉定位获得目标的距离信息,实现对目标的三维定位。交叉定位是经多个高精度的光电搜索设备对目标进行探测,通过计算各个观测线的交点确定目标位置。
由已知的两站坐标值和两站光电搜索装置在同一时刻探测同一目标时的方位角、俯仰角,建立两站交叉测距的数学模型,如图3所示,从而计算出目标至各站的距离信息。
本方法将利用最小距离定位算法获取目标的距离信息,其主要思路是:理论上,若无误差存在时,参加测距的两个光电搜索装置对同一目标探测,两条观测线一定会交于空间某一点。但是由于平台运动、以及光电设备装置误差,两条目标观测线一般不会相交,此时将这两条目标观测线上距离最近的两个点分别作为两站观测到的目标位置。
如图3和4所示,两站光电搜索装置在大地地心坐标系下的坐标分别为S1(xs1,ys1,zs1),S2(xs2,ys2,zs2),S1在某一时刻t观察到目标P的位置在P2处,方位角为β1,俯仰角为ε1,S2在同一时刻t观察到目标P的位置在P1处,方位角为β2,俯仰角为ε2。两条目标观测线的异面夹角为α,P1P2为两条目标观测线的距离,r1,r2为目标相对于两站的距离。
由此,两条目标观测线用向量可表示为
由最小距离测距算法可知,要求出目标距离各测量站点的距离,需要知道两条观测线上距离最近的两点。设两条观测线上距离最近的两点分别为
(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2),则两条观测线上任意两点距离的平方为:
d2=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2 (4)
将(3)式带入(2)式,再将所得结果带入(4)式可得:
令d2=M,对M求导,令其为0,并联立有:
解(6)式可得:
其中
n=cosε1 cosε2 cosβ1 cosβ2+cosε1 cosε2 sinβ1 sinβ2+sinε1 sinε2 (9)
将r1、r2用矩阵的形式可表示为:
式(10)可表示为:
利用(11)式就可以计算出在大地地心坐标系下目标距两站点的距离,再将求出的r1、r2回带入(4)式,就可以求出两条观测线上两点的最小距离。
④假关联滤除算法
光电搜索装置不能保证正确的关联,在多目标的情况下可能出现假关联的情况。
由几何知识可知,对同一目标正确关联时,两条目标观测线上两点之间的最小距离较小,且随着目标的移动,最小距离起伏较小;假关联时,两条目标观测线上两点之间的最小距离明显增大,而且随着目标的移动最小距离起伏较大,即使在某一时刻,观测线上的两点距离较小,但随着目标的移动,最小距离也会发生明显变化。最小距离门限判决算法就是利用这一特性进行假点剔除的。
记录上一时刻两站观测线最小距离d1,根据当前时刻两站观测线最小距离d2,计算最小距离前后起伏大小:
D=|d1-d2| (12)
设定最小距离门限D'对D进行判决,如果D小于D',则认为目标观测线上的两点正确关联,是可信的,予以保留;如果D大于或等于D',则认为目标观测线上的两点是虚假关联点,不可信,予以剔除。利用这种方法,可滤除假点,门限与光电设备角度测量精度、站址定位与标定精度、时间同步精度与假点剔除的概率有关,可根据多次实测值进行矫正。
⑤多站解算融合算法模型
交叉定位解算的精度与两条目标观测线之间交会角的正弦成近似正比例关系,当两条目标观测线交会角接近90°时,认为其精度较好,相反则认为其精度不好。由余弦定理可知,两条目标观测线的交会角为:
其中l12是两站点之间的距离。
对三站进行解算时,可通过上述算法得到一组融合数据。融合数学模型为:
若编号为1的站点为主站话,其中α1、α2分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的两条观测线的交会角,r21、r31分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的目标相对于两辅站的距离,r1(2)、r1(3)表示将主站与两辅站进行交叉定位解算得到的目标对主站的斜距。
多站交叉定位时,可能有多条目标观测线对目标定位,可以根据两两观测线交会角的计算结果进行选优数据融合,交会角越接近90°,精度越高,相当于权值取1,反之权值相当于取0,这也可以滤除假关联点。
如图6和图7所示,低空红外目标精确定位系统包括:低空红外目标定位装置可由多组探测系统联网工作,每套探测系统包含光电探测模块、通信传输模块和支持保障模块三部分。光电探测模块由红外热像仪、精密转台、图像处理器和显控终端组成;通信传输模块由通信网络控制器、网络交换机、超短波平台组成;支持保障模块由支架、电源控制箱、UPS电源、北斗GPS定位授时一体机组成。单套装置连接框图如图6所示,其外形示意如图7所示。
①光电探测模块
光电探测模块的主要功能是:对方位n×360°、俯仰-5°~80°范围内的所有动目标进行搜索、探测、预警。发现目标后及时报警,实时处理输出目标批号、测角(方位角、俯仰角)数据,并按照规定格式输出带有时间标签的测量数据,并实时生成、显示多目标态势图。通过多站组网探测,对同一目标进行连续自动跟踪测距,计算、输出目标的方位、俯仰、距离和时间等数据。
②通信传输模块
通信传输模块由通信网络控制器、网络交换机及超短波电台组成。其主要功能是:接收上级指挥中心各类作战命令,解析整编后转各站点执行;接收主站发送的全域搜索探测输出的多目标编批、方位角、俯仰角、距离、时间等目标属性信息,上报至上级指挥中心;完成装置内部以及与外部所有的数据、语音、图像的传输。
③支持保障模块
主要为保障整个装置协调、稳定工作,完成装置的时统、定位、供电等任务。
本发明的工作原理具体如下:
红外探测设备在光电转台的作用下对方位n×360°、俯仰-5°~80°范围内的所有动目标进行搜索、探测、预警。发现目标后及时报警,将目标的视频信息实时传输至显控终端,输出目标批号、测角(方位角、俯仰角)数据,并实时生成、显示多目标态势图。通过多站对同一目标进行连续自动跟踪,经过数据融合算法计算、输出目标的方位、俯仰、距离和时间等数据。
目标定位装置以组网的形式对低空、超低空的目标进行侦察预警和目标指示,各站之间通过光纤通信。当有不明飞行目标侵入防区后装置自动报警,并进行目标检测、识别和自动跟踪,辅站将目标信息通过光纤传至主站,通过信息融合和处理,输出目标的方位、俯仰及距离信息,实现目标的精确定位,形成作战指挥决策,完成区域防空的侦察预警任务。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (9)
1.一种低空红外目标精确定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:站点布设
先读取各站点的大地坐标系坐标,完成对各站点进行布设;
S2:站点坐标转换
通过坐标转换算法,将站点所处位置的大地坐标系坐标转换成以地心为原点的大地直角坐标系坐标;
S3:最小距离定位算法
由已知的两站坐标值和两站光电搜索装置在同一时刻探测同一目标时的方位角、俯仰角,建立两站交叉测距的数学模型,利用最小距离定位算法获取目标的距离信息;
S4:假点剔除
根据当前时刻两站观测线最小距离和上一时刻两站观测线最小距离的前后起伏,判断目标观测线上的两点是否正确关联;若两点是虚假关联点,予以剔除,否则反之;
S5:数据融合
通过多站解算融合算法,对目标相对于各站点的距离信息进行加权融合,从而得出目标精确位置。
3.根据权利要求2所述的低空红外目标精确定位方法,其特征在于,所述步骤S3具体是:
假设两站光电搜索装置在大地地心坐标系下的坐标分别为S1(xs1,ys1,zs1),S2(xs2,ys2,zs2),S1在某一时刻t观察到目标P的位置在P2处,方位角为β1,俯仰角为ε1,S2在同一时刻t观察到目标P的位置在P1处,方位角为β2,俯仰角为ε2。两条目标观测线的异面夹角为α,P1P2为两条目标观测线的距离,r1,r2为目标相对于两站的距离;
由此,两条目标观测线用向量可表示为
根据最小距离测距算法,通过两条观测线上距离最近的两点,求出目标距离各测量站点的距离;设两条观测线上距离最近的两点分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2),则两条观测线上任意两点距离的平方为:
d2=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2 (4)
将(3)式带入(2)式,再将所得结果带入(4)式可得:
令d2=M,对M求导,令其为0,并联立有:
解(6)式可得:
其中
n=cosε1cosε2cosβ1cosβ2+cosε1cosε2sinβ1sinβ2+sinε1sinε2 (9)
将r1、r2用矩阵的形式可表示为:
式(10)可表示为:
利用(11)式计算出在大地地心坐标系下目标距两站点的距离,再将求出的r1、r2回带入(4)式,求出两条观测线上两点的最小距离。
4.根据权利要求3所述的低空红外目标精确定位方法,其特征在于,所述步骤S4具体是:
记录上一时刻两站观测线最小距离d1,根据当前时刻两站观测线最小距离d2,计算最小距离前后起伏大小:
D=|d1-d2| (12)
设定最小距离门限D'对D进行判决,如果D小于D',则认为目标观测线上的两点正确关联,是可信的,予以保留;如果D大于或等于D',则认为目标观测线上的两点是虚假关联点,不可信,予以剔除。
5.根据权利要求4所述的低空红外目标精确定位方法,其特征在于,所述步骤S5具体是:
交叉定位解算的精度与两条目标观测线之间交会角的正弦成近似正比例关系,当两条目标观测线交会角接近90°时,则精度好,否则相反;由余弦定理可知,两条目标观测线的交会角为:
其中,l12是两站点之间的距离;
对三站进行解算时,可通过上述算法得到一组融合数据;融合数学模型为:
其中,若编号为1的站点为主站话,其中α1、α2分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的两条观测线的交会角,r21、r31分别表示主站与两辅站进行交叉定位时得到的目标相对于两辅站的距离,r1(2)、r1(3)表示将主站与两辅站进行交叉定位解算得到的目标对主站的斜距;
多站交叉定位时,有多条目标观测线对目标定位,根据两两观测线交会角的计算结果进行选优数据融合,交会角越接近90°,精度越高,相当于权值取1,反之权值相当于取0,滤除假关联点,从而输出目标定位距离。
6.一种低空红外目标精确定位系统,其特征在于,包括:
光电探测模块,所述光电探测模块用于对目标进行搜索、探测、预警;
通信传输模块,所述通信传输模块用于接收上级指挥中心各类作战命令,解析整编后转各站点执行;
支持保障模块;所述支持保障模块用于系统的时统、定位和供电任务。
7.根据权利要求6所述的低空红外目标精确定位系统,其特征在于:所述光电探测模块包括红外热像仪、精密转台、图像处理器和显控终端;所述红外热像仪位于所述精密转台上,所述图像处理器和显控终端与所述通信传输模块连接。
8.根据权利要求7所述的低空红外目标精确定位系统,其特征在于:所述通信传输模块包括通信网络控制器、网络交换机和超短波平台;所述网络交换机与所述光电探测模块连接,所述网络交换机依次与通信网络控制器和超短波平台连接。
9.根据权利要求8所述的低空红外目标精确定位系统,其特征在于:所述支持保障模块包括电源控制箱、UPS电源、北斗GPS定位授时一体机和用于放置各机构的支架;
所述UPS电源与所述电源控制箱连接,所述电源控制箱连接分别与所述光电探测模块、通信传输模块和北斗GPS定位授时一体机连接;所述北斗GPS定位授时一体机与所述网络交换机连接。
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