CN116027804B - 无人机地面光电测控引导装置以及引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机地面光电测控引导装置以及引导方法，包括光电经纬仪和跟踪处理系统，将两台光电经纬仪布置在飞机航路两侧，光电经纬仪自动将无人机进行锁定，并提取其脱靶量信息，跟踪处理系统跟据脱靶量信息以及无人机的角度信息进行控制运算，得到无人机飞行轨迹，通过跟踪处理系统记录无人机着陆的位置、距离和速度等信息，跟踪处理系统在着陆后对光电经纬仪拍摄的无人机视频进行处理，将飞机的位置、姿态信息、飞机着陆点、和飞机滑跑距离与对应的标准值对比，进而评估着陆控制精度。本发明能够自动跟踪无人机，且无需对无人机进行加装或改造，通过测量无人机的位置、速度、姿态等信息，对无人机的着陆控制精度进行评估。

Description

无人机地面光电测控引导装置以及引导方法

技术领域

本发明涉及无人机引导系统，特别涉及一种无人机地面光电测控引导装置以及引导方法。

背景技术

无人机引导系统包括雷达引导和导航系统引导的方法，GPS导航引导系统需要对无人机加装GPS接收机和天线装置，这不但改变了无人机的结构，而且在无人机发生坠毁等故障时，无法获取GPS的数据；雷达引导系统也是一种外测手段，该系统无法直观的观察到无人机的影像和姿态等信息。

发明内容

本发明的目的是为了克服无人机引导系统需要在无人机表面加装机构，且无法直观的观察无人机影像和姿态等信息的缺点，提出一种无人机地面光电测控引导装置以及引导方法，能够在地面观察到飞机影像、着陆姿态、速度、位置等信息，且无需对无人机进行加装和改造。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的一种无人机地面光电测控引导装置以及引导方法，包括光电经纬仪和跟踪处理系统，其中，

光电经纬仪用于对出现在视场的无人机进行定位并自动跟踪，获取处于着陆状态的无人机的脱靶量信息、方位角、俯仰角、距离的信息，跟踪处理系统用于获取无人机处于着陆状态的飞行视频，且对于光电经纬仪获取的无人机飞行的信息进行处理和分析。

优选地，无人机地面光电测控引导装置以及引导方法的具体引导方法如下：

S1、在确定无人机的飞行航路后，将两台光电经纬仪布置于飞行航路两侧的固定位置；

S2、光电经纬仪自动识别出现在视场中的无人机，且将其锁定并提取无人机的脱靶量信息，跟踪处理系统根据脱靶量信息和光电经纬仪输出的方位角和俯仰角进行控制运算，得到无人机的飞行轨迹，观察其飞行轨迹偏离的程度；

S3、驱动光电经纬仪自动跟踪无人机，获取无人机的距离信息；

S4、指挥员通过跟踪处理系统观察无人机的实时图像、位置、距离和速度，且对视频数据进行记录；

S5、在无人机着陆后，跟踪处理系统根据两台经纬仪拍摄的无人机视频，计算无人机的实际位置、姿态角、俯仰角、以及通过跟踪处理系统观察得到的飞机着陆点以及飞机滑跑距离，并与标准位置、标准姿态角、标准俯仰角、标准飞机着陆点以及标准飞机滑跑距离相比较，得出无人机的着陆控制精度。

优选地，步骤S2中脱靶量信息的计算方法如下：

S21、使用光电经纬仪计算无人机的具体位置，其计算公式如下：

式(1)即为单站定位公式，(x_o，y_o，z_o)为经纬仪的大地坐标，(x_c，y_c，z_c)即为所求无人机的大地坐标，R为无人机的位置P与坐标原点的直线距离，λ是无人机位置P的高低角，即为P与P在X_c0_cZ_c平面的投影P’之间的夹角，α是目标P的方位角，即为P’与X_c之间的夹角；

将得到的(x_c，y_c，z_c)差分后，即可得到无人机速度，如公式2所示：

S22、将无人机的实际位置与标准位置进行对比，无人机的偏移量即为脱靶量信息。

优选地，步骤S5中无人机的实际位置、姿态角、俯仰角的计算方法如下：

S51、在无人机着陆后，利用两台光电经纬仪计算无人机处于着陆状态时的实际位置，计算方法如下：

S511、根据第i台光电经纬仪位置坐标(x_i,y_i,z_i)和其所测量到的无人机M的方位角、高低角(α_i,λ_i)构成空间直线利用两个光电经纬仪的坐标位置、测量出的方位角、高低角得出O_iM_i的直线方程以及公垂线M₁M₂和O_iM_i的位置关系得出如下关系式：

其中，(x₁,y₁,z₁)是第一光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，(x₂,y₂,z₂)是第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，(α₁,λ₁)是第一光电经纬仪测量无人机的方位角、俯仰角；(α₂,λ₂)是第二光电经纬仪测量目标的方位角、俯仰角，K是中间变量，p∈[0，1]，是根据光电经纬仪的测量误差选取的常数；

S512、将第一光电经纬仪和第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标和第一光电经纬仪和第二光电经纬仪测量的无人机的方位角、俯仰角代入式(3)，可得出无人机的大地坐标(x,y,z)；

S52、利用两台光电经纬仪计算无人机的姿态角和俯仰角，计算方法如下：

S521、计算无人机在飞行航路所成飞机图像的轴线，包括机翼轴线和首尾轴线；

机翼轴线AB采取截距式的数学描述如下：

(a)将像面坐标系x轴到AB法线的夹角作为α角，α∈[0，360)；

(b)P是原点到直线的距离，P∈[0，L)，L为像面原点到成像区域长方形顶点的长度；

(c)像面内弹轴线的解析表示如下：

X·cos(α)+Y·sin(α)-P＝0(4)；

S522、在分站光轴坐标系下，由焦点和影像轴线组成的平面方程为：

其中，f是光学系统的镜头焦距；

S523、将式(5)绕x轴旋转角度E，得到：

S524、将式(6)绕y轴旋转角度A，将得到的方程设为：

a·X+b·Y+c·Z＝0(7)，

则系数如下：

交换x和z的定义，将得到的方程设为：

a·X+b·Y+c·Z＝0(11)；

则系数如下：

S525、将第一光电经纬仪得到的平面方程设为：a₁·X+b₁·Y+c₁·Z＝0(15)；第一光电经纬仪得到的平面方程设为：a₂·X+b₂·Y+c₂·Z＝0(16)；

则两平面相交得到交会直线的方向数为：X方向：Y方向：/>Z方向：/>其交会角的计算公式如下：

其姿态角的计算公式为：方位角：

俯仰角：

本发明能够取得如下技术效果：本发明无需对无人机进行加装和改造，在地面上，此装置即可观察到飞机影像、着陆姿态、速度、位置等信息，可视性强、精度高、且可靠性强。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的光电经纬仪的排布示意图。

图2是根据本发明实施例提供的光电经纬仪的逻辑结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的光电经纬仪的三维结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的图像跟踪处理软件的界面。

图5是根据本发明实施例提供的单站定位原理示意图。

图6是根据本发明实施例提供的异面交会法示意图。

图7是根据本发明实施例提供的姿态测量原理示意图。

图8是根据本发明实施例提供的目标在像面上的轴线示意图。

图9是根据本发明实施例提供的无人机地面光电测控引导方法的流程示意图。

其中的附图标记包括：第一光电经纬仪1、第二光电经纬仪2。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供的无人机地面光电测控引导装置以及引导方法，包括两套光电经纬仪和一套跟踪处理系统，如图1所示，第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2布置于飞行航路两侧的固定位置。

图2和图3分别示出了第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2的组成框图和三维图像，如图2所示，光电经纬仪包括主机部分和电控部分，主机部分包括光学系统、激光测距机和精密跟踪架，光学系统包括可见光测量分系统和长波红外测量分系统，精密跟踪架包括力矩电机、方位轴系、俯仰轴系和圆光栅，电控部分包括信息综合系统、时统终端系统、跟踪控制系统、图像处理及记录分系统和数据交互分系统，信息综合系统包括光纤通讯单元和数据通讯单元，跟踪处理系统包括数据融合单元和伺服控制单元，图像处理及记录分系统包括可见光图像处理与记录子系统和长波红外图像处理与记录子系统，本发明实施例提供的无人机地面光电测控引导装置还包括跟踪处理系统，其系统包括图像处理和存储系统、智能跟踪系统和数据交会处理系统。

图9示出了根据本发明实施例提供的无人机地面光电测控引导方法的流程，无人机地面光电测控引导方法包括如下步骤：

S1、在确定无人机的飞行航路后，将第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2布置于飞行航路两侧的固定位置。

S2、第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2将自动识别出现在视场中的无人机，将其锁定并对比此时无人机的位置与标准位置的距离以提取其脱靶量信息，智能跟踪系统根据脱靶量信息和圆光栅输出的方位角和俯仰角进行控制运算，得到无人机的飞行轨迹。

S21、分别使用第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2通过单站定位原理计算无人机飞行时的实时位置，单站定位原理的空间直角坐标系如图5所示：

式(1)即为单站定位公式，(x_o，y_o，z_o)为经纬仪的大地坐标，(x_c，y_c，z_c)即为所求无人机的大地坐标，R为无人机在图5中位置P与坐标原点的直线距离，λ是目标P的高低角，即为P与P在X_c0_cZ_c平面的投影P’之间的夹角，α是目标P的方位角，即为P’与X_c之间的夹角；

将得到的(x_c，y_c，z_c)差分后，即可得到无人机速度，如公式2所示：

S22、将无人机的实际位置与标准位置进行对比，无人机的偏移量即为脱靶量信息。

S3、驱动精密跟踪架自动跟踪无人机，利用激光测距机获取无人机的距离信息。

S4、指挥员通过显示控制界面观察无人机的实时图像、位置、距离和速度，其控制界面如图4所示，且对视频数据进行记录。

S5、数据交会处理系统根据两台经纬仪拍摄的无人机视频，计算出无人机的实际位置、姿态角、俯仰角、飞机着陆点以及飞机滑跑距离的参数数据，将计算所得的参数数据与标准位置、标准姿态角、标准俯仰角、标准飞机着陆点以及标准飞机滑跑距离相比较，得出无人机的着陆控制精度。

S51、利用第一光电经纬仪1和第二光电经纬仪2通过双站交会原理计算无人机的实际位置，建立如图6所示空间直角坐标系。

S511、如图8所示，在O-YZ的空间直角系中，利用第i台光电经纬仪的位置坐标(x_i,y_i,z_i)和其所测量到的目标M的方位角、高低角(α_i,λ_i)构成空间直线受机动式昼夜间靶标图像采集设备结构、成像原理、测角精度、跟踪目标部位不同、大气折射、时间同步性等原因影响，/>和/>不相交，且呈现为异面关系。

由两光电经纬仪所在点位坐标和测量出的方位角、高低角可得O_iM_i的直线方程，进一步得到O₁M₁和O₂M₂的公垂线，即M₁M₂⊥O_iM_i。在M₁M₂上取M(x,y,z)作为无人机实际位置的一个估计。异面交会坐标计算公式如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)是第一光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，(x₂,y₂,z₂)是第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，(α₁,λ₁)是第一光电经纬仪目标测量的方位角、俯仰角；(α₂,λ₂)是第二光电经纬仪目标测量的方位角、俯仰角，K是中间变量，p∈[0，1]，是根据光电经纬仪的测量误差选取的常数，若为等精度光电经纬仪交会，则p取0.5；若为非等精度光电经纬仪交会，则对参数p进行适当调整。

S512、将第一光电经纬仪和第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标和第一光电经纬仪和第二光电经纬仪测量的无人机的方位角、俯仰角代入式(3)，可得出无人机的大地坐标(x,y,z)。

S52、如图6所示，计算出无人机的姿态角、俯仰角的具体过程如下：

S521、计算目标在单位测量台所成飞机图像的轴线，包括机翼轴线和首尾轴线；

如图7所示，机翼轴线AB采取截距式的数学描述如下：

(a)将像面坐标系x轴到AB法线的夹角作为α角，α∈[0，360)；

(b)P是原点到直线的距离，P∈[0，L)，其中L为像面原点到成像区域长方形顶点的长度；

(c)像面内弹轴线的解析表示如下：

X·cos(α)+Y·sin(α)-P＝0(4)。

S522、如图7所示，利用面面交会的姿态测量模型的基本性质经过推导得出面面交会姿态角的计算公式。在光电经纬仪的光轴坐标系下，由焦点和影像轴线组成的平面方程为：

其中，f是光学系统的镜头焦距。

S523、将式(5)绕x轴旋转角度E，即为光电经纬仪在该时刻的俯仰角，如下式：

S524、将式(6)绕y轴旋转角度A，即为光电经纬仪在该时刻的俯仰角，将得到的方程设为：

a·X+b·Y+c·Z＝0(7)，

则系数如下：

交换x和z的定义，使得坐标系与靶场坐标系统一，由于面面交会与位置无关，故可将两个站的平面方程进行如下表示，将得到的方程设为：

a·X+b·Y+c·Z＝0(11)，

则系数如下：

S525、将第一光电经纬仪得到的平面方程设为：a₁·X+b₁·Y+c₁·Z＝0(15)，第一光电经纬仪得到的平面方程设为：a₂·X+b₂·Y+c₂·Z＝0(16)，则两平面相交得到交会直线的方向数为：X方向：Y方向：/>Z方向：/>其交会角的计算公式如下：

其姿态角的计算公式为：方位角：

俯仰角：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种无人机地面光电测控引导装置以及引导方法，其特征在于，包括光电经纬仪和跟踪处理系统，其中，

所述光电经纬仪用于对出现在视场的无人机进行定位并自动跟踪，获取处于着陆状态的无人机的脱靶量信息、方位角、俯仰角、距离的信息，所述跟踪处理系统用于获取无人机处于着陆状态的飞行视频，且对于所述光电经纬仪获取的无人机飞行的信息进行处理和分析；

所述无人机地面光电测控引导装置以及引导方法的具体引导方法如下：

S1、在确定无人机的飞行航路后，将两台光电经纬仪布置于所述飞行航路两侧的固定位置；

S2、所述光电经纬仪自动识别出现在视场中的无人机，且将其锁定并提取无人机的脱靶量信息，所述跟踪处理系统根据所述脱靶量信息和所述光电经纬仪输出的方位角和俯仰角进行控制运算，得到无人机的飞行轨迹，观察其飞行轨迹偏离的程度；

S3、驱动所述光电经纬仪自动跟踪无人机，获取无人机的距离信息；

S4、指挥员通过跟踪处理系统观察无人机的实时图像、位置、距离和速度，且对视频数据进行记录；

S5、在无人机着陆后，所述跟踪处理系统根据所述两台经纬仪拍摄的无人机视频，计算无人机的实际位置、姿态角、俯仰角、以及通过跟踪处理系统观察得到的飞机着陆点以及飞机滑跑距离，并与标准位置、标准姿态角、标准俯仰角、标准飞机着陆点以及标准飞机滑跑距离相比较，得出无人机的着陆控制精度；

步骤S5中所述无人机的实际位置、姿态角、俯仰角的计算方法如下：

S51、在无人机着陆后，利用两台光电经纬仪计算无人机处于着陆状态时的实际位置，计算方法如下：

S511、根据第i台光电经纬仪位置坐标和其所测量到的无人机M的方位角、高低角/>构成空间直线/>(i=1，2)，利用两个光电经纬仪的坐标位置、测量出的方位角、高低角得出O_iM_i的直线方程以及公垂线M₁M₂和O_iM_i的位置关系得出如下关系式：

（3）；

其中，是第一光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，/>是第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标，/>是第一光电经纬仪测量无人机的方位角、俯仰角；是第二光电经纬仪测量目标的方位角、俯仰角，K是中间变量，p∈[0，1]，是根据光电经纬仪的测量误差选取的常数；l₁为O₁M₁两点之间的距离，l₂为O₂M₂两点之间距离；

S512、将所述第一光电经纬仪和所述第二光电经纬仪在大地坐标系中的坐标和所述第一光电经纬仪和第二光电经纬仪测量的无人机的方位角、俯仰角代入式（3），可得出无人机的大地坐标（x,y,z）；

S52、利用两台光电经纬仪计算无人机的姿态角和俯仰角，计算方法如下：

S521、计算无人机在飞行航路所成飞机图像的轴线，包括机翼轴线和首尾轴线；

机翼轴线AB采取截距式的数学描述如下：

（a）将像面坐标系x轴到AB法线的夹角作为α角，α∈[0，360)；

（b）P是原点到直线的距离，P∈[0，L)，所述L为像面原点到成像区域长方形顶点的长度；

（c）像面内弹轴线的解析表示如下：

（4）；

S522、在分站光轴坐标系下，由焦点和影像轴线组成的平面方程为：

（5）；

其中，f是光学系统的镜头焦距；

S523、将式（5）绕x轴旋转角度E，得到：

（6）；

S524、将式（6）绕y轴旋转角度A，将得到的方程设为：

（7），

则系数如下：

（8）；

（9），

（10）；

交换x和z的定义，将得到的方程设为：

（11）；

则系数如下：

（12）；

（13）；

（14）；

S525、将第一光电经纬仪得到的平面方程设为：

（15）；第一光电经纬仪得到的平面方程设为：

（16）；

则两平面相交得到交会直线的方向数为：X方向：，Y方向：/>，Z方向：/>，其交会角的计算公式如下：

（17）；

其姿态角的计算公式为：

方位角：（18）；

俯仰角：（19）。

2.根据权利要求1所述的无人机地面光电测控引导装置以及引导方法的引导方法，其特征在于，步骤S2中脱靶量信息的计算方法如下：

S21、使用光电经纬仪计算无人机的具体位置，其计算公式如下：

（1）；

式（1）即为单站定位公式，（）为经纬仪的大地坐标，（/>）即为所求无人机的大地坐标，R为无人机的位置P与坐标原点的直线距离，λ是无人机位置P的高低角，即为P与P在X_c0_cZ_c平面的投影P’之间的夹角，α是目标P的方位角，即为P’与X_c之间的夹角；

将得到的（）差分后，即可得到无人机速度，如公式2所示：

（2）；

S22、将无人机的实际位置与标准位置进行对比，无人机的偏移量即为脱靶量信息。