CN117311400B - 一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统 - Google Patents

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CN117311400B CN202311597104.0A CN202311597104A CN117311400B CN 117311400 B CN117311400 B CN 117311400B CN 202311597104 A CN202311597104 A CN 202311597104A CN 117311400 B CN117311400 B CN 117311400B
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Abstract

本发明涉及一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，属于舰载光电经纬仪技术领域。解决现有技术中未考虑半自动跟踪场景也有较大的使用比重，缺少对系统像旋问题的建模及旋转补偿角度的求解的技术问题。该系统包括：主控分系统，以及分别与所述主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统。本发明从系统设计阶段对舰载光电经纬仪在半自动跟踪过程中面对的不足进行优化升级。采用多分系统协同配合的方式提高系统的使用效果。以主控分系统为核心，其他分系统作为数据采集或指令执行部件，核心逻辑在主控分系统内处理，其他分系统保持其固有功能，不增加额外处理逻辑，保障了系统后续的可维护性。

Description

一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统
技术领域
本发明涉及舰载光电经纬仪技术领域，特别涉及一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统。
背景技术
舰载光电经纬仪所独有的海上机动性，可以弥补固定站经纬仪无法灵活布站的劣势，能够根据需要完成海上布站测量任务，极大拓展了光测设备的使用范围和方式，使其成为近年来光电经纬仪的一种发展趋势。它不仅能够在行驶的舰艇上跟踪动态目标，并获取目标图像，还能获得具有较高测角精度的外弹道测量数据。
但与传统固定站经纬仪相比，由于平台基座在海上存在摇摆，系统在设计时不但要对测量数据进行船摇修正，保障测量数据的准确性，同时要从操作感受及图像呈现上消除船摇对操作人员的影响，更好的保障岗位人员完成目标的捕获跟踪。
光电经纬仪具有较高的测量精度，但受限于其较小的视场角度及不擅长目标自动搜索识别的特性，常规的捕获目标的方法有以下两种：一种为有引导数据的目标跟踪，即将其他设备的测量数据转发至光电经纬仪，经纬仪发现目标后进行自跟踪；另一种为通过操作人员的手动搜索及人眼判断发现目标，当目标出现在视场后，根据实际情况进行跟踪模式切换。当天气存在雾气、目标跟踪过程中存在被遮挡的情况下不适用于电视自跟踪，需要操作手手动控制单杆，进行半自动跟踪。因此，操作手控制单杆进行目标搜索及跟踪也是光电经纬仪使用过程中的经典场景。
目前对于提高舰载光电经纬仪的视轴稳定控制方面已经有了一部分的研究，杨国涛在《舰载光电跟踪平台视轴稳定技术研究》中对舰载光电经纬仪的视轴稳定问题给出了解决方法，改进了伺服系统模型，采用惯导前馈控制有效减小船摇对视轴稳定的影响，从而提高成像质量，进而提高目标跟踪效果。葛兵的《船载经纬仪视轴稳定方法的实现》中结合了数引角度值与电视脱靶量值信息，提高了经纬仪在自跟踪过程中的视轴稳定性，解决了因平台晃动使成像质量下降，探测器提取目标脱靶量困难，无法较好进行目标跟踪的问题。上述研究从伺服系统出发，通过改进控制模型从而提高经纬仪视轴的稳定性，目前的研究均以提高自动跟踪的稳定性出发，但未考虑半自动跟踪模式下，如何提高操作人员的操作体验。
在舰载光电经纬仪的像旋修正方面，徐正伟的《实时电子图像消旋系统》以及彭鼎的《飞行器目标图像的旋转与抖动分析研究》均对在已知旋转角度下，数字图像处理器如何快速完成图像旋转补偿及补偿后像质进行研究，但均未对光电经纬仪建模进行实时像旋角度求解。
目前提高舰载光电经纬仪的视觉体验及操作效果均在分系统内完成，并未对全系统进行设计，并且大多关注自动跟踪模式下的视轴稳定效果。考虑到实际使用过程中半自动跟踪依旧占有较大比重，但是现有关于优化舰载光电经纬仪操作的方法主要是对自跟踪下光电经纬仪视轴的稳定性进行考虑，未考虑半自动跟踪场景也有较大的使用比重。同时对于像旋修正的研究过多的关注如何在硬件上实现快速旋转，但缺少对系统像旋问题的建模及旋转补偿角度的求解。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，包括：主控分系统，以及分别与所述主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统；
所述惯导分系统用来完成系统平台姿态测量，将平台的航向角、横摇角、纵倾角输入至所述主控分系统；
所述编码器分系统用来提供经纬仪方位轴系角度及俯仰轴系的角度；
所述单杆用来提供操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统用来采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系角度值以及操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统还用来对惯导数据进行实时预测，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，再计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，以数字引导方式更新给所述伺服控制分系统；
所述主控分系统还用来计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
所述伺服控制分系统用来在收到所述主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制；
所述图像显示分系统用来按照所述主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转。
在上述技术方案中，所述主控分系统采集所述单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值后，再转发至所述伺服分系统。
在上述技术方案中，所述主控分系统采集所述单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值的具体过程为：
1）、所述主控分系统记录此时镜筒指向 及所述惯导分系统测量的平台 姿态，求出此时的镜筒大地系指向；从到的转换如下：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
Xb、Yb、Zb 是在经纬仪基座坐标系下，根据镜筒指向及虚拟的单位距离，求 出的虚拟目标三维位置；Cn b 是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵；Xn、Yn、 Zn 是虚拟目标三维位置经过坐标旋转后，在大地坐标系下该虚拟目标的三维位置；
2）、采集操作人员控制所述单杆的变化量，并根据预设的量化系数，求 解对应的大地系角度变化量，转换关系如下所示：
（5）；
3）、求解所述单杆控制量叠加后，镜筒应该的大地系指向，求解公式如下：
（6）；
4）、最终求解送至所述伺服控制分系统的光电经纬仪平台坐标系下的引导值，公式如下：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
Xn '、Y' n、Z' n 是在大地坐标系下，根据待观测目标的指向及虚拟的单位距 离，求出的虚拟目标三维位置；Cb n是从大地坐标系到经纬仪基座坐标系的坐标旋转矩阵； X' b、Y' b、Z' b是待观测目标三维位置经过坐标旋转后，在经纬仪基座坐标系下该待观测目标 的三维位置。
在上述技术方案中，所述主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统的具体过程为：
1）、所述主控分系统根据实时镜筒指向，以及所述惯导分系统测量的平台 姿态角度进行图像旋转补偿角度的计算；
（11）；
（12）；
（13）；
（14）；
是从经纬仪相机坐标系到经纬仪基座坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪基 座坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪相机坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；
2）、所述图像显示分系统收到图像旋转补偿角后，对多路传感器的图像进行旋转，完成最终的图像旋转修正。
在上述技术方案中，所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用Kalman滤波器估计平台姿态时，具体过程为：
取平台的三轴姿态角、角速度、角加速度为状态变量：
（15）；
式中， ， ；
由于，，设为强度为的白噪声，则平台角运动表示为：
（16）；
其中， ， ；
平台的三轴姿态角取惯导解算结果作为观测值，观测方程如下：
（17）；
其中；为强度为的观测白噪声；
对公式（16）、公式（17）进行整理，得到如下的状态方程与观测方程：
（18）；
观测的时间间隔设置为，则公式（18）中：
；
在k时刻，Kalman滤波器根据姿态观测值，通过如下递推公式得到平台姿态角度 运动状态变化量的最优估计；
状态一步预测：
（19）；
一步预测均方估计：
（20）；
滤波增益：
（21）；
状态最佳估计：
（22）；
估计误差的方差：
（23）。
在上述技术方案中，所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用最小二乘法预测平台姿态时，具体过程为：
采用k时刻能够获取的最新3帧角度的估计值、、 作为2阶多项式拟合；
拟合的多项式结构如下：
（24）；
拟合的目标函数为：
（25）；
根据最小二乘法，推导出拟合公式系数： 的表达式为：
（26）；
公式（26）中：
，；
当惯导数据到达所述主控分系统的延迟为；根据k时刻的 观测值、姿态角度变化的速度、加速度估计值，则当前时 刻下平台的姿态角度为：
（27）。
一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法，该方法适用的系统包括：主控分系统，以及分别与所述主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统；
所述惯导分系统用来完成系统平台姿态测量，将平台的航向角、横摇角、纵倾角输入至所述主控分系统；
所述编码器分系统用来提供经纬仪方位轴系角度及俯仰轴系的角度；
所述单杆用来提供操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统用来采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系角度值以及操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统还用来对惯导数据进行实时预测，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，再计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，以数字引导方式更新给所述伺服控制分系统；
所述主控分系统还用来计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
所述伺服控制分系统用来在收到所述主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制；
所述图像显示分系统用来按照所述主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转；
该方法包括以下步骤：
步骤i：所述主控分系统采集所述单杆的控制指令；
步骤ii：将所述单杆的控制指令转换为数引角度值后，再转发至所述伺服分系统；
步骤iii：所述伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作；
步骤iv：所述主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
步骤v：所述图像显示分系统按照主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转。
在上述技术方案中，步骤ii中，将单杆的控制指令转换为数引角度值，具体过程为：
1）：所述主控分系统记录此时镜筒指向 及所述惯导分系统测量的平台 姿态，求出此时的镜筒大地系指向；从到的转换如下：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
Xb、Yb、Zb 是在经纬仪基座坐标系下，根据镜筒指向及虚拟的单位距离，求 出的虚拟目标三维位置；Cn b 是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵；Xn、Yn、 Zn 是虚拟目标三维位置经过坐标旋转后，在大地坐标系下该虚拟目标的三维位置；
2）：采集操作人员控制所述单杆的变化量，并根据预设的量化系数，求 解对应的大地系角度变化量，转换关系如下所示：
（5）；
3）：求解所述单杆控制量叠加后，镜筒应该的大地系指向，求解公式如下：
（6）；
4）：最终求解送至所述伺服控制分系统的光电经纬仪平台坐标系下的引导值，公式如下：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
Xn '、Y' n、Z' n 是在大地坐标系下，根据待观测目标的指向及虚拟的单位距 离，求出的虚拟目标三维位置；Cb n是从大地坐标系到经纬仪基座坐标系的坐标旋转矩阵； X' b、Y' b、Z' b是待观测目标三维位置经过坐标旋转后，在经纬仪基座坐标系下该待观测目标 的三维位置。
在上述技术方案中，步骤iv的具体过程为：
1）：所述主控分系统根据实时镜筒指向，以及所述惯导分系统测量的平台 姿态角度进行图像旋转补偿角度的计算；
（11）；
（12）；
（13）；
（14）；
是从经纬仪相机坐标系到经纬仪基座坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪基 座坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪相机坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；
2）：所述图像显示分系统收到图像旋转补偿角后，对多路传感器的图像进行旋转，完成最终的图像旋转修正。
在上述技术方案中，所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用Kalman滤波器估计平台姿态时，具体过程为：
取平台的三轴姿态角、角速度、角加速度为状态变量：
（15）；
式中， ， ；
由于，，设为强度为的白噪声，则平台角运动表示为：
（16）；
其中， ， ；
平台的三轴姿态角取惯导解算结果作为观测值，观测方程如下：
（17）；
其中；为强度为的观测白噪声；
对公式（16）、公式（17）进行整理，得到如下的状态方程与观测方程：
（18）；
观测的时间间隔设置为，则公式（18）中：
；
在k时刻，Kalman滤波器根据姿态观测值，通过如下递推公式得到平台姿态角度 运动状态变化量的最优估计；
状态一步预测：
（19）；
一步预测均方估计：
（20）；
滤波增益：
（21）；
状态最佳估计：
（22）；
估计误差的方差：
（23）；
所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用最小二乘法预测平台姿态时，具体过程为：
采用k时刻能够获取的最新3帧角度的估计值、、 作为2阶多项式拟合；
拟合的多项式结构如下：
（24）；
拟合的目标函数为：
（25）；
根据最小二乘法，推导出拟合公式系数： 的表达式为：
（26）；
公式（26）中：
，
当惯导数据到达所述主控分系统的延迟为；根据k时刻的 观测值、姿态角度变化的速度、加速度估计值，则当前时 刻下平台的姿态角度为：
（27）。
本发明具有以下有益效果：
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，从系统设计阶段对舰载光电经纬仪在半自动跟踪过程中面对的不足进行优化升级。采用多分系统协同配合的方式提高系统的使用效果。同时以主控分系统为核心，其他分系统作为数据采集或指令执行部件，核心逻辑在主控分系统内处理，其他分系统保持其固有功能，不增加额外处理逻辑，保障了系统后续的可维护性。
为了实现与固定站经纬仪半自动跟踪效果的一致性，需要对单杆的控制进行处理。未经处理的单杆控制会因为平台摇摆无法实现方位或俯仰控制与大地系方位或俯仰变化相对应的效果。并且平台摇摆的无规律性导致不进行修正处理的半自动跟踪无法较好的使用。本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，采用主控分系统采集单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值后，再转发至伺服分系统，伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作的方案。提高了半自动跟踪在操作上的体验。
为了补偿由于平台摇摆产生的图像像旋，对人工分辨目标及半自动跟踪的视觉体验的影响，本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，采用主控分系统采集实时数据后，经过计算待补偿旋转角后，将角度发送至图像显示分系统。得益于旋转角度的计算在显示的前端进行计算，该模式可以方便多路图像的同步旋转。提高了半自动跟踪的视觉体验。
惯导输出的数据到主控分系统的链路过程中存在延时。如果不对延时影响的姿态角度滞后问题进行补偿，最终会导致半自动跟踪系统滞后，系统响应差，最终影响半自动跟踪效果。本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，在主控分系统中对惯导分系统测量的平台姿态数据进行估计及预测，将平台姿态角度补偿到主控分系统处理数据的时刻下。从而提高了系统响应。
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，从全系统的角度考虑半自动跟踪模式下待优化的问题，从操作感受到视觉感受进行优化，同时对数据链路进行充分考虑，对平台姿态数据进行估计及预测，使舰载光电经纬仪的半自动跟踪模式达到最优的使用效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统组成示意图。
图2为大地手控模式工作流程示意图。
图3为视场旋转角示意图。
图4为图像旋转修正流程示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，首先从总体设计层面充分考虑当前的不足，使多分系统协同工作，更合理的完成系统优化。同时针对半自动跟踪场景，本发明给出了一种提高操作人员操作感受及视觉体验的方法，最终使半自动跟踪场景与固定站光电经纬仪操作一致，提升了操作感受，降低了岗位人员操作难度。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1所示，本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，包括：主控分系统，以及分别与主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统；
惯导分系统用来完成系统平台姿态测量，将平台的航向角、横摇角、纵倾角输入至主控分系统；
编码器分系统用来提供经纬仪方位轴系角度及俯仰轴系的角度；
单杆用来提供操作人员控制的方位、俯仰控制量；
主控分系统用来采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系角度值以及操作人员控制的方位、俯仰控制量；
主控分系统还用来对惯导数据进行实时预测，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，再计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，以数字引导方式更新给伺服控制分系统；
主控分系统还用来计算出图像旋转修正角度，送至图像显示分系统；
伺服控制分系统用来在收到主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制；
图像显示分系统用来按照主控分系统计算的像旋修正角度，在显示软件上对图像进行旋转。
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法，包括以下步骤：
步骤i：主控分系统采集单杆的控制指令；
步骤ii：将单杆的控制指令转换为数引角度值后，再转发至伺服分系统；
步骤iii：伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作；
步骤iv：主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至图像显示分系统；
步骤v：图像显示分系统按照主控分系统计算的像旋修正角度，在显示软件上对图像进行旋转。
下面对本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统做以详细说明。
1、优化的半自动跟踪系统设计；
本发明从系统设计阶段对舰载光电经纬仪在半自动跟踪过程中面对的不足进行优化升级。采用多分系统协同配合的方式提高系统的使用效果。同时以主控分系统为核心，其他分系统作为数据采集或指令执行部件，核心逻辑在主控分系统内处理，其他分系统保持其固有功能，不增加额外处理逻辑，保障了系统后续的可维护性。
如图1所示，惯导分系统负责系统平台姿态测量，将平台的航向角(K)、横摇角 、纵倾角 输入至主控分系统。编码器分系统负责提供经纬仪方位轴系角度(A)及俯仰 轴系的角度(E)。单杆负责提供操作人员控制的方位、俯仰控制量，该控制量由操作手赋予， 因此所代表的方位、俯仰变化与固定站一致，为大地系下的方位俯仰控制量。
主控分系统是本优化的半自动跟踪系统的核心，负责采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系值以及操作人员的单杆控制量。主控分系统综合上述信息，对惯导数据进行实时预测后，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，进而计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，最终以数字引导方式更新给伺服控制分系统。主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至图像显示分系统。
伺服控制分系统在收到主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制。图像显示分系统按照主控分系统计算的像旋修正角度，在显示软件上对图像进行旋转，最终实现图像视觉修正。
2、大地手控模式使单杆控制经纬仪与固定站效果一致；
为了实现与固定站经纬仪半自动跟踪效果的一致性，需要对单杆的控制进行处理。未经处理的单杆控制会因为平台摇摆无法实现方位或俯仰控制与大地系方位或俯仰变化相对应的效果。并且平台摇摆的无规律性导致不进行修正处理的半自动跟踪无法较好的使用。
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，针对上述问题，采用主控分系统采集单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值后，再转发至伺服分系统，伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作的方案。
图2中展示了大地手控模式的工作流程。
1）：首先操作人员在主控分系统的操作界面点击“大地手控”模式。主控分系统记 录此时镜筒指向 及惯导测量的平台姿态，可以求出此时的镜筒大地系 指向。从到的转换如下：
（1）；
（2）；
（3）；
（4）；
Xb、Yb、Zb 是在经纬仪基座坐标系下，根据镜筒指向及虚拟的单位距离，求 出的虚拟目标三维位置；Cn b 是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵；Xn、Yn、 Zn 是虚拟目标三维位置经过坐标旋转后，在大地坐标系下该虚拟目标的三维位置；
2）：采集操作人员控制单杆的变化量，并根据预设的量化系数，求解对 应的大地系角度变化量，转换关系如下所示：
（5）；
3）：求解单杆控制量叠加后，镜筒应该的大地系指向，求解公式如下：
（6）；
4）：最终求解送至伺服的光电经纬仪平台坐标系下的引导值，公式如下：
（7）；
（8）；
（9）；
（10）；
Xn '、Y' n、Z' n 是在大地坐标系下，根据待观测目标的指向及虚拟的单位距 离，求出的虚拟目标三维位置；Cb n是从大地坐标系到经纬仪基座坐标系的坐标旋转矩阵； X' b、Y' b、Z' b是待观测目标三维位置经过坐标旋转后，在经纬仪基座坐标系下该待观测目标 的三维位置。
3、像旋修正提高了成像视觉体验；
为了补偿由于平台摇摆产生的图像像旋，对人工分辨目标及半自动跟踪的视觉体验的影响，本发明采用主控分系统采集实时数据后，经过计算待补偿旋转角后，将角度发送至图像显示分系统。得益于旋转角度的计算在显示的前端进行计算，该模式可以方便多路图像的同步旋转。
图像像旋补偿角度为视场旋转角，是指视场的轴与水平面的夹角，如图3所示。 相机坐标系s位于光电经纬仪的视轴上，轴与视轴重合，从相机指向外侧，轴与视场 的纵轴重合，与视场的横轴重合。
图3中ABCD表示视场，是视场轴在水平面上的投影，角为视场的 旋转角度。
图像像旋修正的流程如图4所示。
1）、首先主控分系统根据实时镜筒指向，以及惯导测量的平台姿态角度进行图像旋转补偿角度的计算。
（11）；
（12）；
（13）；
（14）；
是从经纬仪相机坐标系到经纬仪基座坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪基 座坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；是从经纬仪相机坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；
2）、图像显示分系统收到图像旋转补偿角后，对多路传感器的图像进行旋转，完成最终的像旋修正。
4、惯导数据拟合预测提高系统响应；
惯导能够对平台的姿态角度进行测量，本发明的大地手控修正及图像像旋修正都 需要惯导数据参与计算。但惯导输出的数据到主控分系统的链路过程中存在延时。如果不 对延时影响的姿态角度滞后问题进行补偿，最终会导致半自动跟踪系统滞后，系统响 应差，最终影响半自动跟踪效果。
本发明在主控分系统中对惯导测量的平台姿态数据进行估计及预测，将平台姿态角度补偿到主控处理数据的时刻下。平台姿态估计采用卡尔曼滤波，预测采用最小二乘拟合姿态变化曲线的方案。
1、应用Kalman滤波器估计平台姿态；
取平台的三轴姿态角、角速度、角加速度为状态变量：
（15）；
式中， ， 。
由于，，设为强度为的白噪声，则平台角运动可表示为：
（16）；
其中， ， 。
平台的三轴姿态角取惯导解算结果作为观测值，观测方程如下：
（17）；
其中；为强度为的观测白噪声。
对公式（16）、公式（17）进行整理，得到如下的状态方程与观测方程：
（18）；
观测的时间间隔设置为，则公式（18）中：
；
在k时刻，Kalman滤波器根据姿态观测值，通过如下递推公式得到平台姿态角度 运动状态变化量的最优估计。
状态一步预测：
（19）；
一步预测均方估计：
（20）；
滤波增益：
（21）；
状态最佳估计：
（22）；
估计误差的方差：
（23）；
2、应用最小二乘法预测平台姿态；
本发明综合考虑船摇特性及系统的实时性，采用k时刻能够获取的最新3帧角度的 估计值、、 作为2阶多项式拟合。
拟合的多项式结构如下：
（24）；
拟合的目标函数为：
（25）；
根据最小二乘法，推导出拟合公式系数： 的表达式为：
（26）；
公式（26）中：
，；
主控分系统不断采集惯导输出的平台姿态角度，以滑窗的形式每次取最新的3帧测量数据进行公式系数的拟合。当得到公式的系数后，通过求解一阶导数可以获取预测的角速度，求解二阶导数可以获取预测的角加速度。
当惯导数据到达主控分系统的延迟为。根据k时刻的观测 值、姿态角度变化的速度、加速度估计值，则当前时刻下 平台的姿态角度为：
（27）。
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，从系统设计阶段对舰载光电经纬仪在半自动跟踪过程中面对的不足进行优化升级。采用多分系统协同配合的方式提高系统的使用效果。同时以主控分系统为核心，其他分系统作为数据采集或指令执行部件，核心逻辑在主控分系统内处理，其他分系统保持其固有功能，不增加额外处理逻辑，保障了系统后续的可维护性。
为了实现与固定站经纬仪半自动跟踪效果的一致性，需要对单杆的控制进行处理。未经处理的单杆控制会因为平台摇摆无法实现方位或俯仰控制与大地系方位或俯仰变化相对应的效果。并且平台摇摆的无规律性导致不进行修正处理的半自动跟踪无法较好的使用。本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，采用主控采集单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值后，再转发至伺服分系统，伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作的方案。提高了半自动跟踪在操作上的体验。
为了补偿由于平台摇摆产生的图像像旋，对人工分辨目标及半自动跟踪的视觉体验的影响，本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，采用主控分系统采集实时数据后，经过计算待补偿旋转角后，将角度发送至图像显示分系统。得益于旋转角度的计算在显示的前端进行计算，该模式可以方便多路图像的同步旋转。提高了半自动跟踪的视觉体验。
惯导输出的数据到主控分系统的链路过程中存在延时。如果不对延时影响的姿态角度滞后问题进行补偿，最终会导致半自动跟踪系统滞后，系统响应差，最终影响半自动跟踪效果。本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，在主控分系统中对惯导测量的平台姿态数据进行估计及预测，将平台姿态角度补偿到主控处理数据的时刻下。从而提高了系统响应。
本发明的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法及系统，从全系统的角度考虑半自动跟踪模式下待优化的问题，从操作感受到视觉感受进行优化，同时对数据链路进行充分考虑，对平台姿态数据进行估计及预测，使舰载光电经纬仪的半自动跟踪模式达到最优的使用效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，其特征在于，包括：主控分系统，以及分别与所述主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统；
所述惯导分系统用来完成系统平台姿态测量，将平台的航向角、横摇角、纵倾角输入至所述主控分系统；
所述编码器分系统用来提供经纬仪方位轴系角度及俯仰轴系的角度；
所述单杆用来提供操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统用来采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系角度值以及操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统还用来对惯导数据进行实时预测，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，再计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，以数字引导方式更新给所述伺服控制分系统；
所述主控分系统还用来计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
所述伺服控制分系统用来在收到所述主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制；
所述图像显示分系统用来按照所述主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转；
所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用最小二乘法预测平台姿态时，具体过程为：
采用k时刻能够获取的最新3帧角度的估计值(xk-2,yk-2)、(xk-1,yk-1)、(xk,yk)作为2阶多项式拟合；
拟合的多项式结构如下：
f(x)＝a0+a1x+a2x2 (24)；
拟合的目标函数为：
根据最小二乘法，推导出拟合公式系数：a＝[a0 a1 a2]T的表达式为：
a＝(XTX)-1XTY (26)；
公式(26)中：
当惯导数据到达所述主控分系统的延迟为ΔT＝T+Δt＝nτ+Δt；根据k时刻的观测值姿态角度变化的速度、加速度估计值ωk,αk,ωk+1,αk+1,…,ωk+n,αk+n，则当前时刻下平台的姿态角度为：
2.根据权利要求1所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，其特征在于，所述主控分系统采集所述单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值后，再转发至所述伺服分系统。
3.根据权利要求2所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，其特征在于，所述主控分系统采集所述单杆控制指令，将控制指令转换为数引角度值的具体过程为：
1)、所述主控分系统记录此时镜筒指向(Ab,Eb)及所述惯导分系统测量的平台姿态(K,ψ,θ)，求出此时的镜筒大地系指向(An,En)；从(Ab,Eb)到(An,En)的转换如下：
Xb、Yb、Zb是在经纬仪基座坐标系下，根据镜筒指向(Ab,Eb)及虚拟的单位距离，求出的虚拟目标三维位置；Cn b是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵；Xn、Yn、Zn是虚拟目标三维位置经过坐标旋转后，在大地坐标系下该虚拟目标的三维位置；
2)、采集操作人员控制所述单杆的变化量(ΔX,ΔY)，并根据预设的量化系数a，求解对应的大地系角度变化量(ΔAn,ΔEn)，转换关系如下所示：
3)、求解所述单杆控制量叠加后，镜筒应该的大地系指向(A′n,E′n)，求解公式如下：
4)、最终求解送至所述伺服控制分系统的光电经纬仪平台坐标系下的引导值(A′b,E′b)，公式如下：
Xn'、Y'n、Z'n是在大地坐标系下，根据待观测目标的指向(A′n,E′n)及虚拟的单位距离，求出的虚拟目标三维位置；Cb n是从大地坐标系到经纬仪基座坐标系的坐标旋转矩阵；X'b、Y'b、Z'b是待观测目标三维位置经过坐标旋转后，在经纬仪基座坐标系下该待观测目标的三维位置。
4.根据权利要求1所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，其特征在于，所述主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统的具体过程为：
1)、所述主控分系统根据实时镜筒指向(A,E)，以及所述惯导分系统测量的平台姿态角度(K,ψ,θ)进行图像旋转补偿角度α的计算；
是从经纬仪相机坐标系到经纬仪基座坐标系的旋转矩阵；/>是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；/>是从经纬仪相机坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；
2)、所述图像显示分系统收到图像旋转补偿角后，对多路传感器的图像进行旋转，完成最终的图像旋转修正。
5.根据权利要求1所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪系统，其特征在于，所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用Kalman滤波器估计平台姿态时，具体过程为：
取平台的三轴姿态角θ、角速度ω、角加速度α为状态变量：
X＝[θ ω α]T (15)；
式中θ＝[K ψ θ]T，
由于设W(t)为强度为Q的白噪声，则平台角运动表示为：
其中，
平台的三轴姿态角θ取惯导解算结果作为观测值，观测方程如下：
Z(t)＝HX(t)+V(t) (17)；
其中H＝[1 0 0]；V(t)为强度为R的观测白噪声；
对公式(16)、公式(17)进行整理，得到如下的状态方程与观测方程：
观测的时间间隔设置为τ，则公式(18)中：
在k时刻，Kalman滤波器根据姿态观测值通过如下递推公式得到平台姿态角度运动状态变化量θk,ωk,αk的最优估计；
状态一步预测：
Xk+1,k＝Φk+1,kXk (19)；
一步预测均方估计：
Pk+1,k＝Φk+1,kPkΦT k+1,k+MkQkMT k (20)；
滤波增益：
状态最佳估计：
Xk+1＝Xk+1,k+Kk+1(Zk+1-Hk+1Xk+1,k) (22)；
估计误差的方差：
Pk+1＝Pk+1,k-Kk+1Hk+1Pk+1,k (23)。
6.一种优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法，其特征在于，该方法适用的系统包括：主控分系统，以及分别与所述主控分系统相连的惯导分系统、编码器分系统、单杆、图像显示分系统以及伺服控制分系统；
所述惯导分系统用来完成系统平台姿态测量，将平台的航向角、横摇角、纵倾角输入至所述主控分系统；
所述编码器分系统用来提供经纬仪方位轴系角度及俯仰轴系的角度；
所述单杆用来提供操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统用来采集平台倾斜角度、当前光电经纬仪轴系角度值以及操作人员控制的方位、俯仰控制量；
所述主控分系统还用来对惯导数据进行实时预测，将大地系单杆控制量转换为镜筒的目标大地系指向，再计算出在经纬仪平台坐标系下方位、俯仰角度，以数字引导方式更新给所述伺服控制分系统；
所述主控分系统还用来计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
所述伺服控制分系统用来在收到所述主控分系统的实时数引角度值后，按照固定站经纬仪的数引控制方案完成控制；
所述图像显示分系统用来按照所述主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转；
所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用Kalman滤波器估计平台姿态时，具体过程为：
取平台的三轴姿态角θ、角速度ω、角加速度α为状态变量：
X＝[θ ω α]T (15)；
式中θ＝[K ψ θ]T，
由于设W(t)为强度为Q的白噪声，则平台角运动表示为：
其中，
平台的三轴姿态角θ取惯导解算结果作为观测值，观测方程如下：
Z(t)＝HX(t)+V(t) (17)；
其中H＝[1 0 0]；V(t)为强度为R的观测白噪声；
对公式(16)、公式(17)进行整理，得到如下的状态方程与观测方程：
观测的时间间隔设置为τ，则公式(18)中：
在k时刻，Kalman滤波器根据姿态观测值通过如下递推公式得到平台姿态角度运动状态变化量θk,ωk,αk的最优估计；
状态一步预测：
Xk+1,k＝Φk+1,kXk (19)；
一步预测均方估计：
Pk+1,k＝Φk+1,kPkΦT k+1,k+MkQkMT k (20)；
滤波增益：
状态最佳估计：
Xk+1＝Xk+1,k+Kk+1(Zk+1-Hk+1Xk+1,k) (22)；
估计误差的方差：
Pk+1＝Pk+1,k-Kk+1Hk+1Pk+1,k (23)；
所述主控分系统对惯导数据进行实时预测，应用最小二乘法预测平台姿态时，具体过程为：
采用k时刻能够获取的最新3帧角度的估计值(xk-2,yk-2)、(xk-1,yk-1)、(xk,yk)作为2阶多项式拟合；
拟合的多项式结构如下：
f(x)＝a0+a1x+a2x2 (24)；
拟合的目标函数为：
根据最小二乘法，推导出拟合公式系数：a＝[a0 a1 a2]T的表达式为：
a＝(XTX)-1XTY (26)；
公式(26)中：
当惯导数据到达所述主控分系统的延迟为ΔT＝T+Δt＝nτ+Δt；根据k时刻的观测值姿态角度变化的速度、加速度估计值ωk,αk,ωk+1,αk+1,…,ωk+n,αk+n，则当前时刻下平台的姿态角度为：
该方法包括以下步骤：
步骤i：所述主控分系统采集所述单杆的控制指令；
步骤ii：将所述单杆的控制指令转换为数引角度值后，再转发至所述伺服分系统；
步骤iii：所述伺服分系统采用固定站经纬仪数引模式工作；
步骤iv：所述主控分系统计算出图像旋转修正角度，送至所述图像显示分系统；
步骤v：所述图像显示分系统按照主控分系统计算的图像旋转修正角度，在显示软件上对图像进行旋转。
7.根据权利要求6所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法，其特征在于，步骤ii中，将单杆的控制指令转换为数引角度值，具体过程为：
1)：所述主控分系统记录此时镜筒指向(Ab,Eb)及所述惯导分系统测量的平台姿态(K,ψ,θ)，求出此时的镜筒大地系指向(An,En)；从(Ab,Eb)到(An,En)的转换如下：
Xb、Yb、Zb是在经纬仪基座坐标系下，根据镜筒指向(Ab,Eb)及虚拟的单位距离，求出的虚拟目标三维位置；Cn b是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的坐标旋转矩阵；Xn、Yn、Zn是虚拟目标三维位置经过坐标旋转后，在大地坐标系下该虚拟目标的三维位置；
2)：采集操作人员控制所述单杆的变化量(ΔX,ΔY)，并根据预设的量化系数a，求解对应的大地系角度变化量(ΔAn,ΔEn)，转换关系如下所示：
3)：求解所述单杆控制量叠加后，镜筒应该的大地系指向(A′n,E′n)，求解公式如下：
4)：最终求解送至所述伺服控制分系统的光电经纬仪平台坐标系下的引导值(A′b,E′b)，公式如下：
Xn'、Y'n、Z'n是在大地坐标系下，根据待观测目标的指向(A′n,E′n)及虚拟的单位距离，求出的虚拟目标三维位置；Cb n是从大地坐标系到经纬仪基座坐标系的坐标旋转矩阵；X'b、Y'b、Z'b是待观测目标三维位置经过坐标旋转后，在经纬仪基座坐标系下该待观测目标的三维位置。
8.根据权利要求6所述的优化的舰载光电经纬仪半自动跟踪方法，其特征在于，步骤iv的具体过程为：
1)：所述主控分系统根据实时镜筒指向(A,E)，以及所述惯导分系统测量的平台姿态角度(K,ψ,θ)进行图像旋转补偿角度α的计算；
是从经纬仪相机坐标系到经纬仪基座坐标系的旋转矩阵；/>是从经纬仪基座坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；/>是从经纬仪相机坐标系到大地坐标系的旋转矩阵；
2)：所述图像显示分系统收到图像旋转补偿角后，对多路传感器的图像进行旋转，完成最终的图像旋转修正。
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