CN114543746B - 一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法 - Google Patents

一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法,包括以下步骤:搭建如图1所示的测量系统,建立观测坐标系和当地的东北天坐标系,采用北斗模块测量光电转台回转中心O点、标定点A点、标定点B点三个点的经纬高坐标;将O、A、B三点的经纬高坐标转换为地心坐标系下坐标;将O、A、B三点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标;求解A、B点在以O点为原点的观测标系下的坐标;求旋转矩阵M(α,β,γ);求姿态角α,β,γ。本发明对标定点的部署位置没有特殊要求,适合实际部署于复杂地形条件下光电状态的姿态测量,可解决复杂地形条件下光电转台姿态高精度测量问题。

Description

一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法
技术领域
本发明属于光电转台姿态测量技术领域,涉及一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法。
背景技术
光电转台作为一种被动式探测系统,可对目标进行搜索、监控、跟踪和定位,广泛应用于航空航天和军事领域,是构建战场态势的重要手段。随着现代军事科技的发展,对光电转台输出目标高精度地理位置信息的需求日益强烈。光电转台直接测量的是目标在自身观测坐标系的位置信息,必须通过自身的位置和姿态信息,才能转换出目标在大地坐标系下的位置信息,从而发送给其他装备实现信息共享。因此,姿态角的准确测量是影响输出目标位置信息的关键环节。
目前,测量光电转台姿态角的方法基本是采用专用仪器设备进行测量,主要定姿仪器包括光电经纬仪、倾角传感器、数字罗盘和寻北仪等。光电经纬仪精度高,但在测试前需要对自身姿态进行标定,过程复杂且系统昂贵;倾角传感器和数字罗盘一般只测量两个倾角,无法测量北向角,且数字罗盘测量的是角度变化值,并易受磁场干扰。寻北仪主要用来测量北向角。另一方面,采用专用定姿仪器测量,始终存在仪器与光电转台的姿态存在系统误差的问题。因此,有必要研究一种能简易、快速、能同时实现三个姿态角测量的方法。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是:针对上述采用外部仪器存在系统误差、系统复杂,无法快速同时获得3个姿态角的问题,提供一种光电单元自己测试自己姿态信息的方法,该方法的测试精度取决于北斗单元的定位精度和光电转台与标定点间的距离,可极大提高光电转台姿态测量精度,同时实现光电转台3个姿态角快速测量的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法,实现该方法如下:北斗定位模块测量光电转台、标定点1和标定点2三个点的在大地坐标系中的位置;光电单元测量标定点1和标定点2在观测坐标系中的方位角和俯仰角;将以上5组数据输入计算机中,依次通过坐标系转换,旋转矩阵求解和姿态角求解,完成光电转台姿态角测量。具体过程如下:
步骤1:搭建如图1所示的测量系统,建立观测坐标系和当地的东北天坐标系。
采用北斗模块测量光电转台回转中心(记为O点)、标定点1(记为A点)、标定点2(记为B点)三个点的经纬高坐标,坐标分别为(L0,B0,H0)、(LA,BA,HA)、(LB,BB,HB);采用光电转台分别观测2个标定点,使其稳定成像于视场中心,记录标定点在观测坐标系中的方位角和俯仰角,依次记为(θAA)、(θBB)。
步骤2:将O、A、B三点的经纬高坐标转换为地心坐标系下坐标,其转换关系如下:
式中:
H、B、L分别对应O、A、B三点的坐标值;
N为卯酉圈的半径,
e为大地坐标系对应椭球第一离心率,
其中,a为参考椭球长半径,b为参考椭球短半径。
据此获得O、A、B三点的地心坐标(x0,y0,z0)、(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)。
步骤3:将O、A、B三点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标(x0 E,y0 E,z0 E)、(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)。
以求解A点为例,进行说明:
1)求0、A两点的地心坐标差:
2)求解A点在以O点为圆心的东北天坐标系下的坐标(xA E,yA E,zA E):
依据上述两步求得(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)。
步骤4:求解A、B点在以O点为原点的观测标系下的坐标。
以A点为例进行说明:
1)求0、A两点之间的距离为:
2)求A点在观测坐标系下的坐标(xA G,yA G,zA G):
依照以上步骤,求得B点在观测坐标系下的坐标(xB G,yB G,zB G)。
步骤5:求旋转矩阵M(α,β,γ)。
将A、B观测坐标(xA G,yA G,zA G)、(xB G,yB G,zB G)做外积获得NAXB G=(xN G,yN G,zN G),东北天坐标(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)做外积获得NAXB E=(xN E,yN E,zN E)。由于坐标M(α,β,γ)为正交矩阵,NAXB E=(xN E,yN E,zN E)与NAXB G=(xN G,yN G,zN G)互为一组变换坐标。此时,获得三组对应的变换坐标。
由于
因此,旋转矩阵M(α,β,γ)为:
步骤6:求姿态角α,β,γ。
旋转矩阵M(α,β,γ)与α、β和γ的关系为:
在步骤5中,已求出的各个元素的值,据此可计算姿态角α,β,γ:
也可采用四元素法,根据旋转矩阵M(α,β,γ)计算出姿态角α,β,γ。
至此,实现了光电单元在北斗定位模块的辅助下实现自身姿态角的测量。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法,由于采用了高精度北斗定位模块,基于标定点对光电转台进行定姿,标定点与光电转台的距离L越远,姿态角测量精度越高;且对标定点的部署位置没有特殊要求,适合实际部署于复杂地形条件下光电状态的姿态测量,可解决复杂地形条件下光电转台姿态高精度测量问题。
附图说明
图1是本发明测试系统示意图。
图2是本发明测试系统组成图。
图3是观测坐标系和当地东北天坐标系示意图。
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。
为了满足光电转台使用过程中对姿态角的简易、精确、同时测量需求,本发明创新型提供了一种在高精度北斗定位辅助下,采用光电单元测量自身姿态角的方法,该方法操作简单,易于实现,可同时实现3个姿态角的测量,其测试精度取决于北斗的定位精度和标定点与光电转台的距离,可实现光电转台姿态角高精度快速测量。
参考图1、图2,搭建测试系统,测量系统主要由光电转台、北斗定位模块和计算机三部分组成。
参考图3,建立观测坐标系和东北天坐标系。观测坐标系,以光电转台回转中心O为原点,以电机零位光轴方向为y轴,以光电转台俯仰轴为x轴,以xy平面垂直向上方向为z轴,建立右手坐标系。东北天坐标系,以光电转台回转中心O为原点,以正北方向为y轴,以正东方向为x轴,以天顶方向为z轴,建立右手坐标系。由观测坐标系转换为东北天坐标系的旋转关系为:先绕x轴旋转α,再绕y轴旋转β,再绕z轴旋转γ。
具体步骤为:
步骤1:获得基础测量数据。
采用北斗模块测量光电转台回转中心(记为O点)、标定点1(记为A点)、标定点2(记为B点)三个点的经纬高坐标,坐标分别为(L0,B0,H0)、(LA,BA,HA)、(LB,BB,HB);采用光电转台分别观测2个标定点,使其稳定成像于视场中心,记录标定点在观测坐标系中的方位角和俯仰角,依次记为(θAA)、(θBB)。
步骤2:将O、A、B三点的经纬高坐标转换为地心坐标系下坐标,其转换关系如下:
式中:
H、B、L分别对应O、A、B三点的坐标值;
N为卯酉圈的半径,
e为大地坐标系对应椭球第一离心率,
其中,a为参考椭球长半径,b为参考椭球短半径。
据此获得O、A、B三点的地心坐标(x0,y0,z0)、(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)。
步骤3:将O、A、B三点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标(x0 E,y0 E,z0 E)、(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)。
以求解A点为例,进行说明:
1)求0、A两点的地心坐标差:
2)求解A点在以O点为圆心的东北天坐标系下的坐标(xA E,yA E,zA E):
依据上述两步求得(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)。
步骤4:求解A、B点在以O点为原点的观测标系下的坐标。
以A点为例进行说明:
1)求0、A两点之间的距离为:
2)求A点在观测坐标系下的坐标(xA G,yA G,zA G):
依照以上步骤,求得B点在观测坐标系下的坐标(xB G,yB G,zB G)。
步骤5:求旋转矩阵M(α,β,γ)。
将A、B观测坐标(xA G,yA G,zA G)、(xB G,yB G,zB G)做外积获得NAXB G=(xN G,yN G,zN G),东北天坐标(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)做外积获得NAXB E=(xN E,yN E,zN E)。由于坐标M(α,β,γ)为正交矩阵,NAXB E=(xN E,yN E,zN E)与NAXB G=(xN G,yN G,zN G)互为一组变换坐标。此时,获得三组对应的变换坐标。
由于
因此,旋转矩阵M(α,β,γ)为:
步骤6:求姿态角α,β,γ。
旋转矩阵M(α,β,γ)与α、β和γ的关系为:
在步骤5中,已求出的各个元素的值,据此可计算姿态角α,β,γ:
由上述技术方案可以看出,本发明具有以下显著特点:
(1)测试方法简单、易于实现、可同时实现3个姿态角的测量;
(2)测试系统简单,仅需借助高精度北斗定位模块和计算机,就可实现光电转台姿态角的测量,所需的北斗定位模块的数量可为1台,也可为2台,且最多只需3台即可完成姿态角精确测量,测试系统成本低;
(3)对两个标定点位置没有特殊要求,部署在方便测试的位置即可,可实现复杂地形条件下光电单元姿态角的测量;
(4)本发明提供的方法与专用测试姿态的仪器设备相当,且通过增大标定点与光电转台的距离,或提高北斗的定位精度,可提高光电转台姿态角测量精度,如下表所示:
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 (1)

1.一种基于高精度北斗定位的光电转台姿态测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:搭建如图1所示的测量系统,建立观测坐标系和当地的东北天坐标系,采用北斗模块测量光电转台回转中心O点、标定点A点、标定点B点三个点的经纬高坐标;
步骤2:将O、A、B三点的经纬高坐标转换为地心坐标系下坐标;
步骤3:将O、A、B三点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标;
步骤4:求解A、B点在以O点为原点的观测标系下的坐标;
步骤5:求旋转矩阵M(α,β,γ);
步骤6:求姿态角α,β,γ;
步骤1中,观测坐标系:以光电转台回转中心O为原点,以电机零位光轴方向为y轴,以光电转台俯仰轴为x轴,以xy平面垂直向上方向为z轴,建立右手坐标系;东北天坐标系:以光电转台回转中心O为原点,以正北方向为y轴,以正东方向为x轴,以天顶方向为z轴,建立右手坐标系;由观测坐标系转换为东北天坐标系的旋转关系为:先绕x轴旋转姿态角α,再绕y轴旋转姿态角β,再绕z轴旋转姿态角γ;
步骤1中,O、A、B三点坐标分别记为(L0,B0,H0)、(LA,BA,HA)、(LB,BB,HB);采用光电转台分别观测2个标定点,使其稳定成像于视场中心,记录标定点在观测坐标系中的方位角和俯仰角,依次记为(θAA)、(θBB);
步骤2中,将O、A、B三点的经纬高坐标转换为地心坐标系下坐标,其转换关系如下:
式中:
H、B、L分别对应O、A、B三点的经纬高坐标值;
N为卯酉圈的半径,
e为大地坐标系对应椭球第一离心率,
其中,a为参考椭球长半径,b为参考椭球短半径;
据此获得O、A、B三点的地心坐标(x0,y0,z0)、(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB);
步骤3中,将O、A、B三点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标(x0 E,y0 E,z0 E)、(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E);
步骤3中,A点的地心坐标转换为以0点为原点的东北天坐标系下的坐标(xA E,yA E,zA E)的过程为:
1)求0、A两点的地心坐标差:
2)求解A点在以O点为圆心的东北天坐标系下的坐标(xA E,yA E,zA E):
B点在以O点为圆心的东北天坐标系下的坐标(xB E,yB E,zB E)的求解过程与上述过程相同;
步骤4中,A点在以O点为原点的观测标系下的坐标的求解过程为:
1)求0、A两点之间的距离为:
2)求A点在观测坐标系下的坐标(xA G,yA G,zA G):
依照以上步骤,求得B点在观测坐标系下的坐标(xB G,yB G,zB G);
步骤5中,将A、B观测坐标(xA G,yA G,zA G)、(xB G,yB G,zB G)做外积获得NAXB G=(xN G,yN G,zN G),东北天坐标(xA E,yA E,zA E)、(xB E,yB E,zB E)做外积获得NAXB E=(xN E,yN E,zN E);坐标M(α,β,γ)为正交矩阵,NAXB E=(xN E,yN E,zN E)与NAXB G=(xN G,yN G,zN G)互为一组变换坐标;此时,获得三组对应的变换坐标;
由于
因此,旋转矩阵M(α,β,γ)为:
步骤6中,旋转矩阵M(α,β,γ)与α、β和γ的关系为:
在步骤5中,已求出的各个元素的值,据此计算姿态角α,β,γ:
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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