CN111983592A - 一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机载光电系统技术领域，公开了一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，通过无源定位获取目标定位坐标，将周期采集的定位坐标形成有序点集，使用线性拟合方法拟合直线表征短时间内目标的运动轨迹，根据运动距离和采样周期的比值关系以及滑动加权滤波等方法求得目标的运动速率和方向。本发明使用无源定位算法获取目标定位坐标，不受激光测距频率限制，短时间内获取大量定位数据用于直线拟合，配合加权平均算法能够有效降低无源定位精度对测速测向精度的影响；不受光电系统激光测距范围限制，实现远距离目标的测向测速；能够实现速率和方向数据的实时输出，叠加在光电系统输出的视频画面上，更及时、更直观的将目标信息呈现给用户。

Description

一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法

技术领域

本发明属于机载光电系统目标测向测速技术领域，涉及一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法。

背景技术

现代军事变革对武器系统的信息化数据处理能力提出了越来越高的要求。当前的机载光电系统通常配备多波段光电传感器、激光器、惯导模块等设备，用于执行地区持久监视、目标跟踪及制导、目标地理定位等任务。但这些基本功能已经不能满足部队对于全面的战场态势信息感知能力的新需求，这其中就包括对地面及海面目标速率和运动方向的精确测量能力。

当前机载设备对地面目标实施目标测速通常有两种方法：

第一种方法是通过机载SAR雷达进行目标定位及测速，这种方法虽然能够获得较高的测量精度但由于其目标识别分辨率低，信息更新相对滞后，且受体积和重量所限，在小型无人机上推广应用难度较高。

第二种方法是使用光电设备对目标进行有源定位，通过位置差与测距时差的比值关系求出目标的速率与方向值，这种方法在可测距范围内具有较高的精度，但其受到激光器能力的限制，一旦目标超出测距范围该方法就不再适用。且测速算法周期必须为激光测距周期的整数倍，以保证数据同步性来提升测量精度。而目前光电系统常用的测距机频率为1Hz或5Hz，短时间内能采集到的定位数据较少，不利于线性拟合等方法的应用。

为了能够在获取目标图像的同时，实时测量高精度的远距离目标运动速率和方向信息，使用无源定位并将前序采集的若干定位点组成坐标集，基于线性拟合原理将其拟合成一条直线，再将各点投影到直线上形成新的坐标集。通过不断迭代及滑动加权滤波等方式，求得目标在经纬度坐标系中的速率以及运动方向。

发明内容

(一)发明目的

为了解决机载光电系统对地面及海面目标测向测速问题，提出一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，实现实时、高精度、远距离的目标运动速率和方向的测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，通过无源定位获取目标的定位坐标，将周期采集的定位坐标形成有序点集，使用线性拟合方法拟合直线表征短时间内目标的运动轨迹，根据运动距离和采样周期的比值关系以及滑动加权滤波等方法求得目标的运动速率和方向，具体包括如下步骤：

(1)操控光电系统对被测目标进行跟踪，在整个测速过程中，机载光电系统需要一直处于稳定跟踪状态。

(2)使用无源定位算法，实时获取目标的经纬度坐标，将最近n个周期的坐标数据有序地存储于缓存区内。

(3)根据坐标点分布规律判断目标运动属性，若为静止目标则认为速率和方向为0，若为运动目标则继续做线性拟合。

(4)使用最小二乘法将n个坐标点拟合为直线，获得经纬度坐标系下的直线方程。

(5)将原坐标点的经度分别带入直线方程，求得该坐标点投影到直线上点的纬度值，将投影后的各坐标点重新组成新的有序坐标点集和。

(6)根据Haversine公式求得n-1个分段的实际距离，除以定位点采样周期可得每个分段的速率值。使用加权平均算法求得平均值，作为本次测量周期的速率输出值。

(7)取新坐标集合的头尾两个坐标点，根据Vensenty公式计算目标的运动方向。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，使用无源定位算法获取目标定位坐标，不受激光测距频率的限制，可以短时间内获取大量定位数据用于直线拟合，配合加权平均算法能够有效降低无源定位精度对测速测向精度的影响；不受光电系统激光测距范围限制，可以实现远距离目标的测向测速；能够实现速率和方向数据的实时输出，可以叠加在光电系统输出的视频画面上，更及时、更直观的将目标信息呈现给用户。

附图说明

图1本发明的目标测向测速流程示意图。

图2周期获取定位结果示意图。

图3静止目标的定位结果分布示意图。

图4运动目标的定位结果分布示意图。

图5定位点拟合直线及生成新定位点示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1和图2，本发明机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，原理如下：控制光电系统瞄准线指向被测目标，进入稳定跟踪；启动无源定位功能，存储前序n个周期T的定位点坐标{x_n，y_n}，组成坐标集合G[n][2]，其中忽略了目标的高度变化；计算相邻坐标平均差μ，判断目标运动属性，分为静止目标和运动目标；使用最小二乘法将n个坐标点拟合为直线，获得经纬度坐标系下的直线方程；将原坐标点集的各点经度x_i带入直线方程求得新的纬度值y_i'，组成新的坐标点集；使用Haversine公式求得n-1个分段的实际距离L_i，除以定位点采样周期T可得每个分段的速率值V_i，再使用加权平均算法求得平均值，作为本次测量周期的速率输出值V；取新坐标集合的头尾两个坐标点，使用Vensenty公式计算目标的运动方向γ。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：控制光电系统瞄准线指向被测目标，进入跟踪模式，使跟踪波门稳定跟住明显的特征点，避免跟踪过程中发生跟踪丢失的情况对测量结果产生影响。

步骤2：启动无源定位功能，存储前序n个周期的定位点坐标，组成坐标集合。

本步骤具体实施方法如下：

现有光电系统无源定位的方法已相对成熟，一般先计算EO瞄准线与地面法线的夹角θ，以及飞机与目标的海拔高度差ΔH，从而求得斜距

再使用坐标转换，将目标在稳瞄坐标系下的坐标转换为地理坐标系的坐标。

若使用有源定位的测速方法，采样周期T必须为激光测距机的测距周期t′的整数倍，即T＝M*t'；若为无源定位，采样周期T是惯导数据更新周期t的整数倍，即T＝M*t，而t远小于δ，因此相同时间内，无源定位能够比有源定位输出更多的定位结果。因定位算法周期一般取值较短，目标的高度变化可忽略不计，故此定位高度不带入算法运算。

使用一个可存储n个元素的二维数组G，每个元素包含两个变量，表征前序n次定位结果，可以表示为：

G[n][2]＝{{x₁，y₁},{x₂，y₂},…，{x_n，y_n}}

其中x表示定位经度，y表示定位纬度。每周期存储新的定位结果时去掉{x₁，y₁}，将后面的坐标值依次向前赋值，新的坐标值赋给{x_n，y_n}，依次保证数组的先后次序。

步骤3：判断目标运动属性，分为静止目标和运动目标。

本步骤具体实施方法如下：

静止目标与运动目标的定位点集合在经纬度坐标系中的分布具有明显的不同。如图3及图4所示，静止目标的定位点集中分布于某一点附近，而运动目标的定位点具有明显的线性分布特征。这种差异性可以使用求相邻坐标平均差μ的方法予以区分，公式如下：

其中μ_x和μ_y分别表示定位经度相邻平均差和定位纬度相邻平均差。若两者的绝对值|u_x|和|u_y|都小于阈值Z，则认为当前目标为静止目标，速率和方向的测量结果为0。否则认为当前目标为运动目标，进入步骤4。

步骤4：使用最小二乘法将n个坐标点拟合为直线，获得经纬度坐标系下的直线方程。

本步骤具体实施方法如下：

根据最小二乘法直线拟合原理，假设直线公式为y＝a*x+b；

A为坐标点经度平方和，即

B为坐标点经度的和，即

C为坐标点经度乘以纬度的和，即

D为坐标点纬度的和，即

则

且

即拟合直线公式的公式为：

步骤5：将原坐标点集的各点经度X_i带入直线方程求得新的纬度值y′_i，组成新的坐标点集，如图5所示即：

G[n][2]＝{{x₁，y′₁},{x₂，y′₂},…，{x_n，y′_n}}

步骤6：根据新的n个坐标点求得n-1个分段的实际距离，除以定位点采样周期可得每个分段的速率值。使用加权平均算法求得平均值，作为本次测量周期的速率输出值。

本步骤具体实施方法如下：

依据Haversine公式，可以求得n-1个分段的地球表面距离。即：

该分段速度可以使用分段距离L_i除以采样周期T，即

使用加权平均计算n-1个速率值的平均值，作为当前时刻的测量速度输出，即

步骤7：取坐标集合的头尾两个坐标点，根据经纬度计算目标的运动方向。

本步骤具体实施方法如下：

使用Vensenty公式，先计算两个中间变量：

p＝sin(x_n-x₁)*cos(y′_n)

q＝cos(y′₁)*sin(y′_n)-sin(y′₁)*cos(y′_n)*cos(x_n-x₁)

则运动方向计算公式为：

其中arctan2()表示p/q对应的反正切弧度，且该角度是象限敏感的。它的返回值值域为[-π，π]。该函数在大多数编程语言中都有对应的函数库以供直接调用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，该方法的过程为：

步骤一：控制光电系统瞄准线指向被测目标，进入稳定跟踪；

步骤二：启动无源定位功能，存储前序n个周期T的定位点坐标{x_n，y_n}，组成坐标集合G[n][2]；

步骤三：计算相邻坐标平均差μ，判断目标运动属性，分为静止目标和运动目标；静止目标的速率和方向的测量结果为0，运动目标转步骤四；

步骤四：使用最小二乘法将n个坐标点拟合为直线，获得经纬度坐标系下的直线方程；

步骤五：将原坐标点集的各点经度x_i带入直线方程求得新的纬度值y′_i，组成新的坐标点集；

步骤六：使用Haversine公式求得n-1个分段的实际距离L_i，除以定位点采样周期T得到每个分段的速率值V_i，再使用加权平均算法求得平均值，作为本次测量周期的速率输出值V；

步骤七：取新坐标集合的头尾两个坐标点，使用Vensenty公式计算目标的运动方向γ。

2.如权利要求1所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤二中，确定定位点坐标时，先计算瞄准线与地面法线的夹角θ，以及飞机与目标的海拔高度差ΔH，求得斜距

再使用坐标转换，将目标在稳瞄坐标系下的坐标转换为地理坐标系的坐标。

3.如权利要求2所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤二中，使用有源定位测速时，采样周期T为激光测距机的测距周期t′的整数倍，即T＝M*t′；若为无源定位，采样周期T是惯导数据更新周期t的整数倍，即T＝M*t。

4.如权利要求3所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤二中，组成坐标集合时，使用一个可存储n个元素的二维数组G，每个元素包含两个变量，表征前序n次定位结果，表示为：

G[n][2]＝{{x₁，y₁}，{x₂，y₂}，...，{x_n，y_n}}

其中x_i表示定位经度，y_i表示定位纬度，i＝1，2，...，n；每周期存储新的定位结果时去掉{x₁，y₁}，将后面的坐标值依次向前赋值，新的坐标值赋给{x_n，y_n}，依次保证数组的先后次序。

5.如权利要求4所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤三中，判断目标运动属性的过程为：

使用求相邻坐标平均差μ的方法予以区分，公式如下：

其中μ_x和μ_y分别表示定位经度相邻平均差和定位纬度相邻平均差；若两者的绝对值|μ_x|和|μ_y|都小于阈值Z，则认为当前目标为静止目标，速率和方向的测量结果为0；否则认为当前目标为运动目标，进入步骤四。

6.如权利要求5所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤四中，根据最小二乘法直线拟合原理，假设直线公式为y＝a*x+b；

A为坐标点经度平方和，即

B为坐标点经度的和，即

C为坐标点经度乘以纬度的和，即

D为坐标点纬度的和，即

则

且

即拟合直线公式的公式为：

7.如权利要求6所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤五中，新的坐标点集即：

G[n][2]＝{{x₁，y′₁}，{x₂，y′₂}，...，{x_n，y′_n}}。

8.如权利要求7所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤六中，依据Haversine公式，求得n-1个分段的地球表面距离。即：

该分段速度使用分段距离L_i除以采样周期T，即

使用加权平均计算n-1个速率值的平均值，作为当前时刻的测量速度输出，即

9.如权利要求8所述的机载光电系统无源定位拟合测向测速方法，其特征在于，所述步骤七中，使用Vensenty公式，先计算两个中间变量：

p＝sin(x_n-x₁)*cos(y′_n)

q＝cos(y′₁)*sin(y′_n)-sin(y′₁)*cos(y′_n)*cos(x_n-x₁)

则运动方向计算公式为：

其中，arctan2()表示p/q对应的反正切弧度，且该角度是象限敏感的，它的返回值值域为[-π，π]。

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