CN114061382B - 一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，获取仿真需求段对应的目标偏航角和俯仰角；将经过姿态旋转后的中轴三维矢量投影至两个观测站，得到对应的二维矢量和像面倾角；根据观测站的焦距以及二维矢量得到两个观测站的物距，以及目标中轴对应的观测站中轴成像像长，进而得到图像倾角判读最大误差角量；计算所求中轴线矢量理论值和中轴线矢量因像面倾角误差引起的主导误差量；最终得到实际偏航角和俯仰角的量化精度。本发明更加方便、直观、准确，而且解决了关键参数未知的难题，为靶场姿态测量提供了比较可靠的事前布站测试、精度预估以及事后分析的理论支撑。

Description

一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法

技术领域

本发明涉及兵器试验测试领域，特别是涉及靶场光学姿态测量领域。

背景技术

姿态参数在武器系统飞行稳定性、攻击精度等方面有重要作用。内测需要内置传感器，会提高测量成本，而且低高度区信号接收困难也是内测的劣势之一。光学姿态测量是重要的外测手段。目前光学姿态测量主要采用姿态测量系统来实施，一般基于中远距离(作用距离至少大于1公里)。姿态测量实施前需要设计测试方案，精度部分难以量化，主要原因在于传统精度分析采用偏导数分析法，涉及的具体成像测量参数未知，比如分站像面倾角、截距等，故精度评估仅靠测量距离所成大致像长进行大致评估，与实际测量场景相差较远，造成实际姿态测量方案设计缺乏必需的精度理论依据。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，利用两站图像信息和关键段弹道信息(姿态信息)获取目标姿态测量关键段的姿态精度，为靶场典型目标姿态交会测量提供精度评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，获取仿真需求段对应的目标偏航角ψ_理和目标俯仰角

第二步，将经过姿态旋转后的中轴三维矢量

投影至观测站1和观测站2，分别得到二维矢量(y₁ z₁)^T和(y₂ z₂)^T，并获取两个观测站对应的像面倾角α₁、α₂；

第三步，根据观测站的焦距f₁、f₂，以及二维矢量(y₁ z₁)^T、(y₂ z₂)^T得到两个观测站的物距分别为u₁和u₂，以及长度为L的目标中轴对应的观测站中轴成像像长，进而得到图像倾角判读最大误差角量Δα；

第四步，计算所求中轴线矢量理论值l(l m n)^T和中轴线矢量因像面倾角α误差引起的主导误差量Δl(l m n)^T；

第五步，计算实际偏航角ψ_实和俯仰角

的量化精度Δψ和

所述的第二步中，i取值为1或2，(A_i,E_i)为观测站i的光轴指向，

所述的第三步中，观测站Y向像长

观测站Z向像长

分站图像判读最大误差角量

所述的第四步中，

所述的第四步中，

所述的第五步中，

本发明的有益效果是：按照姿态模拟、透视投影、关键参数误差量获取、中轴线法重建、获取姿态角精度的过程，确立了中远距离下闭环反馈可执行的中轴姿态交会测量的精度评估方法。相较于传统偏导数方法，本发明不仅突出了关键参数的影响，更加方便、直观、准确，而且解决了关键参数未知的难题，为靶场姿态测量提供了比较可靠的事前布站测试、精度预估以及事后分析的理论支撑。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明以中轴线法为依据，根据靶场中远距离下姿态测量主要影响因素进行重点分析，直观准确地突出了光学姿态测量中方向判读误差对姿态测量精度的影响，并将目标中轴在空间向像面进行模拟投影，解决了传统方法关键参数未知的难题，整个仿真场景按照姿态模拟、透视投影、关键参数误差量获取、中轴线法重建、获取姿态角精度的过程进行，首次确立了可执行的闭环反馈的姿态交会仿真方法。本发明为靶场姿态测量提供了比较可靠的事前布站测试、精度预估以及事后分析提供理论支撑。本发明还能够拓展用于其他姿态测量相关领域。

本发明提供一种基于中远距离(适用距离不小于1公里)下中轴矢量交会姿态测量的精度模型，获取该精度模型包括下述步骤：

第一步：调整原中轴线交会法形式，将中轴线交会矢量叉积变换为矢量点积；

所有涉及坐标系以常规姿态处理算法中涉及的坐标系为基准。其中目标坐标系以目标中轴为X_T轴，头部为正；基准坐标系以北向为X轴；摄像机坐标系以光轴指向为X_C轴，平行于像面向上为Y_C轴；像面坐标系y、Z轴分别平行于像机坐标系Y_C轴、Z_C轴。初始零姿态指目标坐标系平行于基准坐标系。

设分站1光轴指向为(A₁,E₁)，点位坐标为(x₁,y₁,z₁)、分站2光轴指向为(A₂,E₂)，点位坐标为(x₂,y₂,z₂)；目标中轴在分站1的像面倾角为ɑ₁弧度，截距为P₁；分站1焦距为f₁mm和分站2焦距为f₂mm；目标中轴在分站2的像面倾角为ɑ₂弧度，截距为P₂。基准以常规中轴线法为准。则常规中轴线法定义中轴线矢量l(l m n)^T为分站法线矢量l₁(a₁ b₁ c₁)^T、l₂(a₂ b₂c₂)^T的叉积。

其中：

变叉积形式为点积形式：

第二步：根据第一步获取所求中轴线矢量理论值l(l m n)^T。

中长远距离下姿态测量P/f量级约为0.001，忽略掉P/f项。则

第三步：获取中轴线矢量因分站像面倾角α误差引起的主导误差量Δl(ΔlΔmΔn)^T。

基于图像的中长远姿态测量中，主导误差为分站像面倾角ɑ提取误差，设分站2为主要判读误差来源，将l对α₂求导，则

第四步：获取目标偏航角、俯仰角量化精度Δψ、

本发明还提供一种利用上述模型的中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，包括下述步骤：

第一步：获取仿真需求段对应的目标偏航角ψ_理和俯仰角

第二步：将经过姿态旋转后的中轴三维矢量

投影至分站1和分站2成二维矢量(y₁ z₁)^T、(y₂ z₂)^T，并获取分站倾角α₁、α₂；

第三步：根据分站焦距信息f₁、f₂，及第二步获取的二维矢量信息(y₁ z₁)^T、(y₂z₂)^T，弹道信息和分站点位信息可得分站物距u₁米、u₂米、可得目标中轴(长度L米)对应的分站中轴成像像长，计算获取图像倾角判读最大误差角量Δα；

分站Y向像长l_Y：

分站Z向像长l_Z：

分站总像长

分站图像判读最大误差角量：

第四步：根据上述精度模型的第二步、第三步获取l(l m n)^T、Δl(ΔlΔmΔn)^T；

第五步：根据上述精度模型的第四步获取实际偏航角ψ_实、俯仰角

的量化精度Δψ、

本发明的实施例包括以下步骤：

第一步：获取仿真需求段对应的目标理论偏航角ψ_理和俯仰角

具体理论姿态角信息如表1所示；

表1

第二步：根据分站关键点指向(AE)信息，如表2所示，将经过姿态旋转后的中轴三维矢量

投影至分站1和分站2成二维矢量(y₁z₁)^T、(y₂z₂)^T，并获取分站倾角α₁、α₂，结果如表3所示；

表2

表3

第三步：根据分站焦距信息1500mm，及第二步获取的二维矢量信息(y₁ z₁)^T、(y₂z₂)^T，弹道信息和分站点位信息可得分站物距u₁米、u₂米、可得目标中轴(长度2.45米)对应的分站中轴成像像长l_2#，计算获取图像倾角判读最大误差角量，此处以分站2为例计算，结果如表4所示；

表4

第四步：根据发明内容1中第二、三步所述，计算获取关键点l(l m n)^T，以分站2作为主要误差源获取Δl(ΔlΔmΔn)^T，结果如表5所示；

表5

第五步：根据发明内容1中第四步所述，获取实际偏航角ψ_实、俯仰角

的量化精度Δψ、

结果如表6所示。

表6

Claims (6)

1.一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，提供一种基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度模型，获取该精度模型包括下述步骤：

步骤1.1：调整原中轴线交会法形式，将中轴线交会矢量叉积变换为矢量点积；

所有涉及坐标系以常规姿态处理算法中涉及的坐标系为基准，其中目标坐标系以目标中轴为X_T轴，头部为正；基准坐标系以北向为X轴；摄像机坐标系以光轴指向为X_C轴，平行于像面向上为Y_C轴；像面坐标系y、Z轴分别平行于像机坐标系Y_C轴、Z_C轴，初始零姿态指目标坐标系平行于基准坐标系，

设观测站1光轴指向为(A₁,E₁)，点位坐标为(x₁,y₁,z₁)、观测站2光轴指向为(A₂,E₂)，点位坐标为(x₂,y₂,z₂)；目标中轴在观测站1的像面倾角为ɑ₁弧度，截距为P₁；观测站1焦距为f₁mm和观测站2焦距为f₂mm；目标中轴在观测站2的像面倾角为ɑ₂弧度，截距为P₂，基准以常规中轴线法为准，则常规中轴线法定义中轴线矢量l(l m n)^T为观测站法线矢量l₁(a₁ b₁c₁)^T、l₂(a₂ b₂ c₂)^T的叉积，

其中：

变叉积形式为点积形式：

步骤1.2：根据第一步获取所求中轴线矢量理论值l(lm n)^T，

中长远距离下姿态测量P/f量级约为0.001，忽略掉P/f项，则

步骤1.3：获取中轴线矢量因观测站像面倾角α误差引起的主导误差量Δl(ΔlΔmΔn)^T，

基于图像的中长远姿态测量中，主导误差为观测站像面倾角ɑ提取误差，设观测站2为主要判读误差来源，将l对α₂求导，则

步骤1.4：获取目标偏航角、俯仰角量化精度Δψ、

基于精度模型，获取仿真需求段对应的目标偏航角ψ_理和目标俯仰角

第二步，将经过姿态旋转后的中轴三维矢量投影至观测站1和观测站2，分别得到二维矢量(y₁ z₁)^T和(y₂ z₂)^T，并获取两个观测站对应的像面倾角α₁、α₂；

第三步，根据观测站的焦距f₁、f₂，以及二维矢量(y₁ z₁)^T、(y₂ z₂)^T得到两个观测站的物距分别为u₁和u₂，以及长度为L的目标中轴对应的观测站中轴成像像长，进而得到图像倾角判读最大误差角量Δα；

第四步，计算所求中轴线矢量理论值l(lm n)^T和中轴线矢量因像面倾角α误差引起的主导误差量Δl(lm n)^T；

第五步，计算实际偏航角ψ_实和俯仰角的量化精度Δψ和

2.根据权利要求1所述的基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，(A₁,E₁)为观测站1的光轴指向，(A₂,E₂)为观测站2的光轴指向，

3.根据权利要求1所述的基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，观测站Y向像长观测站Z向像长观测站图像判读最大误差角量

4.根据权利要求1所述的基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，所述的第四步中，

5.根据权利要求1所述的基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，所述的第四步中，

6.根据权利要求1所述的基于中远距离下中轴矢量交会姿态测量的精度预估仿真方法，其特征在于，所述的第五步中，

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