CN112710303B - 由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法，根据光电跟踪系统对目标跟踪点的角位置数据(方位角A,俯仰角E)和惯导系统提供的载体平台在大地坐标系下的姿态信息(艏摇角H、纵摇角P、横摇角R)，得到目标轴线在图像探测器视场中的姿态角变化量θ，从而能够为目标在运动平台下的跟踪态势的决策、以及为图像处理所需的方向性基准提供依据。本发明所需条件限制少，只利用仪器本身的角位置信息和平台的姿态信息，不依赖图像处理、不受目标外形影响、实时性好、精度高、适应性强。

Description

由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法

技术领域

本发明属于运动平台下的光电跟踪领域，具体涉及一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法。

背景技术

在光电跟踪ATP(捕获跟综瞄准)系统中，仪器必须对目标进行高精度探测跟踪，才能有效完成跟踪与测量任务。近年来，随着车辆、飞机、舰船、卫星等新型测控平台的相继出现，传统的地基固定基座ATP系统已不能满足要求，光电跟踪设备开始走向机动平台。相较于地基固定基座的光电跟踪系统，机动平台对光电设备提出了更高的要求。

当ATP系统安装于运动平台上时，运动平台的运动及抖动将导致仪器本身相对于大地坐标系，发生艏摇、纵摇、横摇三种姿态角(H,P,R)变化，相应带来了目标在视场内姿态的变化。而在实际跟踪过程中，系统往往需要实时的获取目标在图像探测器中的姿态信息(方位角A,俯仰角E)，为目标的动力学分析、跟踪态势的决策、以及为图像处理提供方向性基准信息提供依据。因此，运动平台运动所导致的目标在视场中姿态的变化，对目标的动力学分析、态势估计等造成困扰，从而影响到系统的跟踪精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对运动平台运动所带来的扰动，提供一种算法，计算由运动平台运动所带来的目标在视场中姿态角θ变化，该算法适用于含有六个自由度及以下的运动平台跟踪系统，适应性广泛且实时性高。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法，根据光电跟踪系统姿态信息(艏摇角H、纵摇角P、横摇角R)和光电跟踪系统对目标跟踪点的角位置数据(方位角A,俯仰角E)，计算出因运动平台运动所带来的目标在视场中姿态的变化。具体实现步骤如下：

步骤(1)、光电跟踪系统在运动平台上能跟踪上目标；

步骤(2)、大地平台坐标转换公式推导：

极坐标(A,E)与直角坐标(x,y,z)的转换：

其中，L为目标点与坐标原点的距离，A为仪器指向的方位角，E为仪器指向的俯仰角；

当平台同时发生艏摇、纵摇、横摇情况时，两个坐标系的转换关系：

其中,(x,y,z)为大地坐标系的三维坐标，(x_c,y_c,z_c)为对应的运动平台坐标系的坐标；

R_T为横摇矩阵，R为横摇角，由平台绕y轴转动产生；

P_T为纵摇矩阵，P为纵摇角，由平台绕y轴转动产生；

H_T为艏摇矩阵，H为艏摇角，由平台绕z轴转动产生；

结合式(1)推导出大地平台极坐标转换公式：

同理可由式(2)推出：

再结合式(1)推导出平台大地极坐标转换公式：

步骤(3)、由跟踪点M在视场中的极坐标M_C0(A_c0,E_c0)和惯导提供的运动平台姿态(H,P,R)带入大地平台坐标转换公式(5)计算出跟踪点在大地坐标系下对应的极坐标M₀(A₀,E₀)；

其中：

A_c0,E_c0为运动平台坐标系仪器对跟踪点的方位和俯仰指向；

A₀,E₀为A_c0,E_c0在大地坐标系下对应的极坐标值；

步骤(4)、在M₀(A₀,E₀)上加上一个水平方位的偏置ε，形成另一个点M₁(A₁,E₁)，即A₁＝A₀+ε；E₁＝E₀。

M₀，M₁两点在大地坐标系下形成一条水平线，两点分别为该水平线的左右端点。后续便是计算因运动平台运动所带来的这条水平线在视场中的姿态角θ的变化；

步骤(5)、将点M₁(A₁,E₁)带入大地平台坐标转换公式(3)得到对应的视场中的极坐标M_C1(A_c1,E_c1)；

步骤(6)、视场中Mc₀，Mc₁两点连成一条线，该线的倾斜角θ便是由平台转动引起的目标姿态在视场中的变化，将Mc₀，Mc₁极坐标值带入式(4)求出θ：

其中，△E＝E_c1-E_c0；△A＝A_c1-A_c0。

进一步的，步骤(4)所添加的水平方位偏置角ε为一个足够小的变量，如0.01，目的在于找到在大地坐标系下过跟踪点M₀的水平线上的另一个点M₁。

本发明的优点在于：

(1)本发明的核心是根据光电跟踪系统对目标跟踪点的角位置数据和惯导系统提供的运动平台在大地坐标系下的偏转角，实时解算目标轴线在图像探测器视场中的姿态角θ。

(2)本发明所需条件限制少，只利用惯导提供的仪器姿态信息(艏摇H、纵摇P、横摇R)和仪器对目标跟踪点的角位置数据(A，E)，不依赖图像处理、不受目标外形影响、实时性好、精度高、适应性强。

(3)本发明的结果，即实时解算出的目标轴线在视场中的姿态角θ，能够为目标在运动平台下的跟踪态势的决策、以及为图像处理所需的方向性基准提供依据。

附图说明

图1为光电跟踪系统、摇摆台、惯导整体图；

图2为光电跟踪系统跟踪目标示意图；

图3为运动平台摇摆参数定义；

图4为平台静止时，视场中目标的成像示意图；

图5为平台运动后，视场中目标的成像示意图；

图6为双灯成像示意图；

图7为双灯成像示意图二；

图8为本发明解算的姿态数据与双灯实验数据对比流程框图；

图9为本发明解算的姿态数据与双灯实验数据对比图；

图10在双灯曲线上固定减去一个1.3362的数值再和本发明生成曲线进行比较的图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

图1为光电跟踪系统、摇摆台、惯导整体图。其中，摇摆台为六自由度的摇摆台，用于模拟运动平台的抖动；惯导固定在摇摆台上将摇摆台的抖动角度(艏摇H、纵摇P、横摇R)实时测量并反馈出来；光电跟踪系统固定在摇摆台上随摇摆台摆动，模拟在运动平台下观测目标的情形。

图2为光电跟踪系统跟踪目标示意图。其自身姿态可发生方位角A和俯仰角E的变化。

图3为运动平台摇摆参数定义。六自由度的摇摆台提供绕x、y、z三个直角坐标轴的转动自由度，绕z轴转动产生艏摇角H；绕y轴转动产生纵摇角P；绕x轴转动产生横摇角R。

本发明提供一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法，其基本原理是通过惯导提供的运动平台抖动产生仪器姿态信息(艏摇H、纵摇P、横摇R)和仪器对目标跟踪点的角位置数据(A，E)。通过空间关系实时解算出目标在电视探测器中的姿态角θ。

工作原理如下：

跟踪目标，如飞机，在平台固定不动的情况下，在探测器中的成像如图4所示，波门中的靶心为具有特征的跟踪点即机头，在飞机平飞运动时，其自身的中轴线在视场内为一条水平线，即图4白线。当平台运动后，飞机在在探测器中的成像如图5所示，可见其中轴线在视场内和水平方向有一个θ角，这个角便是由于平台运动所产生的，称为目标在视场内的姿态角。已知条件为惯导提供的仪器姿态信息(艏摇H、纵摇P、横摇R)和仪器对目标跟踪点的角位置数据(A，E)，求出由平台运动所引起的目标在视场内的姿态角θ。其中，图4为平台静止时，视场中目标的成像示意图；图5为平台运动后，视场中目标的成像示意图；

具体实现步骤如下：

(1)光电跟踪系统在运动平台上能跟踪上目标；

(2)大地平台坐标转换公式推导：

极坐标(A,E)与直角坐标(x,y,z)的转换：

其中，L为目标点与坐标原点的距离，A为仪器指向的方位角，E为仪器指向的俯仰角。

当平台同时发生艏摇、纵摇、横摇情况时，两个坐标系的转换关系：

其中，(x,y,z)为大地坐标系的三维坐标，(x_c,y_c,z_c)为对应的运动平台坐标系的坐标；

R_T为横摇矩阵，R为横摇角，由平台绕y轴转动产生；

P_T为纵摇矩阵，P为纵摇角，由平台绕y轴转动产生；

H_T为艏摇矩阵，H为艏摇角，由平台绕z轴转动产生；

结合式(1)推导出大地平台极坐标转换公式：

同理可由式(2)推出：

再结合式(1)推导出平台大地极坐标转换公式：

(3)由跟踪点在视场中的极坐标M_C0(A_c0,E_c0)和惯导提供的运动平台姿态(H,P,R)带入大地平台坐标转换公式(5)计算出跟踪点在大地坐标系下对应的极坐标M₀(A₀,E₀)；

其中：

A_c0,E_c0为运动平台坐标系仪器对跟踪点的方位和俯仰指向；

A₀,E₀为A_c0,E_c0在大地坐标系下对应的极坐标值；

(4)在M₀(A₀,E₀)上加上一个水平方位的偏置ε，形成另一个点M₁(A₁,E₁)，即A₁＝A₀+ε；E₁＝E₀。

M₀，M₁两点在大地坐标系下形成一条水平线，两点分别为该水平线的左右端点。后续便是计算因运动平台运动所带来的这条水平线在视场中的姿态角θ的变化；

进一步地，ε为一个足够小的变量，如0.01，目的在于找到在大地坐标系下过跟踪点M₀的水平线上的另一个点M₁。

(5)将点M₁(A₁,E₁)带入大地平台坐标转换公式(3)得到对应的视场中的极坐标M_C1(A_c1,E_c1)；

(6)视场中Mc₀，Mc₁两点连成一条线，该线的倾斜角θ便是由平台转动引起的目标姿态在视场中的变化，将Mc₀，Mc₁极坐标值带入式(4)求出θ

其中，△E＝E_c1-E_c0；△A＝A_c1-A_c0。

其中，图6、图7为双灯成像示意图，通过经纬仪观察水平相邻的两个灯，实时记录两个灯在运动平台下的视场中的位置(x₁,y₁)；(x₂,y₂)。在该实验中，水平相邻的两个灯用于模拟在大地坐标系下的一根水平线，两个灯便是该水平线的端点，当摇摆台运动后，两个端点的位置相应变化由此引起水平线在视场内的变化，最后产生姿态角θ。该实验用于本算法的验证，两个灯相当于本算法中的M₀，M₁两点，双灯实验中的姿态角θ由实时记录的双灯位置(x₁,y₁)；(x₂,y₂)算出，本发明的θ则由所提供的算法结合双灯实验的(H,P,R)推导出来，二者相比较，对本发明的验证有很好效果。图8为本发明解算的姿态数据与双灯实验数据对比流程框图，其中ε拟定取值为0.01.图9为本发明解算的姿态数据与双灯实验数据对比图。可以看出两条曲线有一个静态误差，误差值1.3362°,其它基本一致。这是因为在双灯实验中，两个灯不完全水平造成的，有一个微小的偏角，而该偏角等于1.3362°，也就是对比图中的静态误差。图10在双灯曲线上固定减去一个1.3362的数值再和本发明生成曲线进行比较的图。可以看出，二者曲线基本吻合，均方误差值为0.00009°，这主要是因为在双灯实验操作过程中，环境因素如风，会造成灯的细微晃动。所以，本发明所推导出的由运动平台运动所带来的目标在视场中姿态角θ变化的算法和实际基本一致。

Claims (2)

1.一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法，其特征在于：实现步骤如下：

步骤(1)、光电跟踪系统在运动平台上能跟踪上目标；

步骤(2)、大地平台坐标转换公式推导：

极坐标(A,E)与直角坐标(x,y,z)的转换：

其中，L为目标点与坐标原点的距离，A为仪器指向的方位角，E为仪器指向的俯仰角；

当平台同时发生艏摇、纵摇、横摇情况时，两个坐标系的转换关系：

其中,(x,y,z)为大地坐标系的三维坐标，(x_c,y_c,z_c)为对应的运动平台坐标系的坐标；

R_T为横摇矩阵，R为横摇角，由平台绕y轴转动产生；

P_T为纵摇矩阵，P为纵摇角，由平台绕y轴转动产生；

H_T为艏摇矩阵，H为艏摇角，由平台绕z轴转动产生；

结合式(1)推导出大地平台极坐标转换公式：

同理可由式(2)推出：

再结合式(1)推导出平台大地极坐标转换公式：

步骤(3)、由跟踪点在视场中的极坐标M_C0(A_c0,E_c0)和惯导提供的运动平台姿态(H,P,R)带入大地平台坐标转换公式(5)计算出跟踪点在大地坐标系下对应的极坐标M₀(A₀,E₀)；

其中：

A_c0,E_c0为运动平台坐标系仪器对跟踪点的方位和俯仰指向；

A₀,E₀为A_c0,E_c0在大地坐标系下对应的极坐标值；

步骤(4)、在M₀(A₀,E₀)上加上一个水平方位的偏置ε，形成另一个点M₁(A₁,E₁)，即A₁＝A₀+ε；E₁＝E₀；

步骤(5)、将点M₁(A₁,E₁)带入大地平台坐标转换公式(3)得到对应的视场中的极坐标M_C1(A_c1,E_c1)；

步骤(6)、视场中Mc₀，Mc₁两点连成一条线，该线的倾斜角θ便是由平台转动引起的目标姿态在视场中的变化，将Mc₀，Mc₁极坐标值带入式(4)求出θ：

其中，△E＝E_c1-E_c0；△A＝A_c1-A_c0。

2.根据权利要求1所述的一种由运动平台运动引起目标在视场中姿态角θ变化的确定方法，其特征在于：步骤(4)所添加的一个水平方位偏置角ε，目的在于找到在大地坐标系下过跟踪点M₀的水平线上的另一个点M₁。

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