CN113933802A - 基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法 - Google Patents

基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法 Download PDF

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Abstract

基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法，属于现代雷达的动目标检测技术领域。为了解决当载机的姿态变化剧烈时，传统方法通过载机航向角和伺服方位角直接相加得到目标点的空间方位角，会产生很大的误差的技术问题。本发明考虑了平台飞行的纵摇角和横滚角对空间方位角的影响，采用旋转变换的方法，通过将载机坐标系下的天线单位指向矢量旋转变换到东北天坐标系，进而计算出精确的目标点的空间方位角，进而提高了目标空间位置的跟踪精度。

Description

基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法
技术领域
本发明属于现代雷达的动目标检测技术领域，具体涉及一种基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法。
背景技术
在现代变化多端的战争中，准确无误的获得目标信息是取得胜利的关键。战争环境中的各种目标并非都处于静止不动的状态，有的目标会处于运动的状态，因此目标检测系统在战场上应该具备动目标的检测能力。机载雷达具备动目标的检测能力，能够检测到地面运动目标和超低空运动目标。将雷达部署在高空飞行的飞机上，相比地基雷达来说，具有很强的机动性，其可视范围比较大，延长了预警时间，可以方便快速的部署在急需的地方，因此广泛受到人们的重视。
现代雷达的动目标检测，对检测区域进行发射信号，通过脉冲多普勒处理得到目标点的斜距、相对于载机坐标系的方位角，结合载机的瞬时高度，得到目标点以载机为原点的东北天坐标系下的空间坐标，这可以认为是目标空间位置的一次观测值，结合预测值，通过自适应滤波，对目标空间位置进行跟踪。目标点以载机为原点的东北天坐标系下的空间坐标，一般用球坐标表示，包含斜距、空间方位角、空降俯仰角。作为自适应滤波的原始输入，目标点空间坐标的精度直接决定对目标空间位置的跟踪精度。
机载雷达动目标检测分为信号处理部分和数据处理部分。信号处理部分通过对原始采集数据的处理得到检测出的目标点的斜距、方位误差角，数据处理部分根据信号处理部分上报的结果，得到目标点的空间坐标，即斜距、空间方位角、空间俯仰角，通过数据处理，对目标进行跟踪。其中，空间方位角的定义和航向角的定义一致，正北为0，顺时针为正。在工程上，通常是通过直接相加载机航向角和获得目标点那个CPI时刻的天线方位角，得到目标点在东北天坐标系下空间航向角，这种方式其实是在载机横滚角和纵摇角为0情况下的近似，所以当载机姿态变化比较剧烈时，例如无人机载雷达，就会出现比较大的误差，尤其是针对几十公里的远距情况下。
发明内容
要解决的技术问题
传统工程上，求目标点的空间方位角，是通过载机航向角和伺服方位角，通过直接相加得到的，这是在认为载机的纵摇角和横滚角为0的情况下近似下得到的。当载机的姿态变化剧烈时，这种传统的方法会产生很大的误差。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法。
技术方案
一种基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据天线的方位角θa和俯仰角θe，构造载机坐标系下天线指向的单位矢量；
u'＝[cos(θe)sin(θa),cos(θe)cos(θa),sin(θe)]T
步骤2：根据载机姿态的航向角、纵摇角、横滚角构造旋转矩阵；
Figure BDA0003343852710000021
其中，α,β,γ分别为载机的航向角、纵摇角、横滚角；
步骤3：利用旋转矩阵将载机坐标系下天线指向的单位矢量u'转换为东北天坐标系下的天线指向的单位矢量u；
Figure BDA0003343852710000022
步骤4：根据东北天坐标系下的天线指向的单位矢量的东北分量，求出目标点的空间方位角：
θ＝angle(uy+ux*j)
其中，uy为实部，ux为虚部。
一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
有益效果
本发明提出的一种基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法，考虑了平台飞行的纵摇角和横滚角对空间方位角的影响，采用旋转变换的方法，通过将载机坐标系下的天线单位指向矢量旋转变换到东北天坐标系，进而计算出精确的目标点的空间方位角，进而提高了目标空间位置的跟踪精度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1传统方法说明图；
图2载机坐标系里天线方向矢量示意图；
图3两种方法空间方位角误差曲线对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面对传统工程中求目标点得空间航向角的方法进行说明。为了简化，这里假设信号处理上报的目标点的方位误差角为0，这个假设，不影响对传统方法的说明。
如图1所示，xyz坐标系就是东北天坐标系，xyz分别对应东、北、天方向，OC是载机机头方向，根据航向角的定义，α就是航向角。假设伺服系统的方位角定义为载机机头方向为0，顺时针方向为正，OA是某一个CPI时刻天线面的方向，所以∠COA就是天线方位角，也就是θa，于是这个CPI内，假设信号处理上报的目标点的空间方位角为θ。当载机飞行比较平稳，在飞行过程中，姿态变化不剧烈时，也就是假近似认为载机的纵摇角和横滚角为0时，目标点的空间方位角为：
θ＝α+θa (1)
上述介绍的传统方法，在平台飞行不平稳，载机的纵摇角和横滚角带来的影响不能忽略时，将不能适用。因此，在求目标点的空间方位角时，需要考虑载机的纵摇角和横滚角带来的影响，从而引出了旋转变换的方法。
下面介绍基于旋转变换提高目标点空间方位角精度的方法。
令天线面的法线单位矢量为天线方向矢量，那么天线方向矢量的空间方位角就是所需的值。通过天线伺服的方位角和俯仰角，可以计算出天线方向矢量在载机坐标系下的单位矢量坐标，载机坐标系里的坐标可以根据载机的姿态通过坐标旋转得到其在东北天坐标系里的坐标，通过这种方式可以得到天线方向矢量在东北天坐标系里的坐标，根据这个坐标就可以计算出所需的空间方位角。
如图2所示，x'y'z'坐标系是载机坐标系，y'是机头方向，x'是机身右侧方向，z'是机身向上方向，之所以这样定义坐标系，是因为，根据惯导给出的载机航向角、纵摇角、横滚角的定义，这样定义的载机坐标系可以直接用惯导给出的姿态角旋转到东北天坐标系，而不需要对姿态角进行修正。矢量OZ是天线方向单位矢量，Z'是Z在x'y'平面的投影。假设伺服方位角的定义是机头为正，顺时针为正，俯仰角是向上为正，所以，伺服的方位角和俯仰角，分别是图2中的θa和θe，为了描述简单，假令u'是载机坐标系里的天线方向单位矢量，那么
u'＝[cos(θe)sin(θa),cos(θe)cos(θa),sin(θe)]T (2)
设天线方向单位矢量在东北天坐标系里的坐标为u，载机的航向角、纵摇角、横滚角分别为α,β,γ，那么旋转矩阵H为：
Figure BDA0003343852710000051
则
Figure BDA0003343852710000052
由ux和uy，可以求出所需的空间方位角θ为：
θ＝angle(uy+ux*j) (5)
其中angle()是matlab中求复数幅角的函数，j是虚数单位，之所以把uy作为实部，把ux作为虚部，是因为空间方位角的定义导致的，这种方式直接求出的角度，就刚好符合空间方位角的定义。
基于旋转变换提高目标点空间方位角精度的方法的具体步骤如下：
1)根据天线的方位角θa和俯仰角θe，根据式(2)构造载机坐标系下天线指向的单位矢量；
2)根据载机姿态的航向角、纵摇角、横滚角和式(3)构造旋转矩阵；
3)利用旋转矩阵将载机坐标系下天线指向的单位矢量u'转换为东北天坐标系下的天线指向的单位矢量u；
4)根据东北天坐标系下的天线指向的单位矢量的东北分量，基于式(5)求出目标点的空间方位角。
下面利用实际项目中的数据进行验证。选择连续跟踪的30个周期，根据外场试验时配试车辆给出的GPS值，和同一时刻载机的GPS值，可以计算出这一时刻配试车辆的空间方位角的真值，再根据输出的这个配试车辆航迹点估计出的GPS，结合载机的GPS值，计算出航迹估计的配试车辆的空间方位角，将各个周期估计的空间方位角和空间方位角真值相减得到如图3所示的各个周期的空间方位角误差曲线。经过统计，传统方法的空间方位角误差曲线的均值为0.093度，方差为0.21度，旋转方法得到的空间方位角误差曲线的均值为0.005度，方差为0.046度，可以看出利用旋转变换方法可以极大的提高空间方位角的精度。因为平台惯导精度稳定性跟震动有关系，所以以往的经验是空间方位角误差曲线的均值基本是由惯导的系统误差引起的。根据另一个高精度惯导进行比对，可以发现所使用惯导的系统误差，而这个测试数据录取时所使用惯导的系统误差几乎为0，用旋转变换方法得到的误差曲线的均值刚好和这个先验信息一致，从侧面验证旋转变换方法的有效性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于旋转变换提高动目标空间方位角精度的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据天线的方位角θa和俯仰角θe，构造载机坐标系下天线指向的单位矢量；
u'＝[cos(θe)sin(θa),cos(θe)cos(θa),sin(θe)]T
步骤2：根据载机姿态的航向角、纵摇角、横滚角构造旋转矩阵；
Figure FDA0003343852700000011
其中，α,β,γ分别为载机的航向角、纵摇角、横滚角；
步骤3：利用旋转矩阵将载机坐标系下天线指向的单位矢量u'转换为东北天坐标系下的天线指向的单位矢量u；
Figure FDA0003343852700000012
步骤4：根据东北天坐标系下的天线指向的单位矢量的东北分量，求出目标点的空间方位角：
θ＝angle(uy+ux*j)
其中，uy为实部，ux为虚部。
2.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
4.一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
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CN114839642A (zh) * 2022-03-15 2022-08-02 广东电网有限责任公司广州供电局 基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114839642A (zh) * 2022-03-15 2022-08-02 广东电网有限责任公司广州供电局 基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置
CN114839642B (zh) * 2022-03-15 2024-03-26 广东电网有限责任公司广州供电局 基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置

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