基于陀螺測(cè)速的機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)用地面目標(biāo)無源測(cè)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)載光電偵察技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于陀螺測(cè)速的機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng) 用對(duì)地面目標(biāo)的無源測(cè)速方法，該方法可以使光電觀瞄系統(tǒng)在對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟 蹤時(shí)，不需要激光測(cè)距操作就能實(shí)時(shí)測(cè)得目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的速度矢量。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下對(duì)直升機(jī)或無人機(jī)用光電觀瞄系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱光電系 統(tǒng)）的使用提出了更高的要求。光電系統(tǒng)如何能夠及時(shí)提供全面、準(zhǔn)確的目標(biāo)信息是對(duì)目標(biāo) 實(shí)施精確打擊前首先要解決的問題。在對(duì)光電系統(tǒng)的使用中，要求在對(duì)感興趣目標(biāo)進(jìn)行自 動(dòng)跟蹤時(shí)，不僅能夠?qū)ζ溥M(jìn)行地理定位，還能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)算出目標(biāo)的速度的大小和方向（速 度矢量），這將為指揮、操作人員準(zhǔn)確判斷戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)提供重要依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)的無人機(jī) 或直升機(jī)用光電觀瞄系統(tǒng)中已具備了目標(biāo)定位功能，但不具備對(duì)地面移動(dòng)目標(biāo)(如移動(dòng)中 的裝甲車、坦克等)的測(cè)速測(cè)向（速度矢量)能力，尤其是在出于自我保護(hù)目的而不使用激光 測(cè)距情況下的無源測(cè)速能力。
[0003] 另外在無人機(jī)或直升機(jī)用光電裝置的使用中，為了方便操作員對(duì)地面目標(biāo)區(qū)域進(jìn) 行長(zhǎng)時(shí)間觀察，采用了相關(guān)速度補(bǔ)償算法，使操作員在不需要進(jìn)行手動(dòng)瞄準(zhǔn)情況下，光電系 統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線能夠自動(dòng)指向地面固定目標(biāo)區(qū)域。但對(duì)于地面的移動(dòng)目標(biāo)，因無法獲得目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)的速度矢量，所采用的補(bǔ)償算法不適用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)。因此，利用載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)和光電系 統(tǒng)的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過解算實(shí)時(shí)獲得地面目標(biāo)的移動(dòng)速度及方向，使光電系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線 實(shí)時(shí)指向地面移動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的補(bǔ)償，也是本方案的出發(fā)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于陀螺測(cè)速的機(jī)載光電觀瞄系 統(tǒng)用對(duì)地面目標(biāo)的無源測(cè)速方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在對(duì)地面目標(biāo)不進(jìn)行激光測(cè)距操作情況下對(duì)目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和方向進(jìn)行解算估計(jì)。
[0005] 本發(fā)明基于載機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的載機(jī)三軸姿態(tài)角度、載機(jī)運(yùn)動(dòng)速度矢量、載機(jī)海 拔高度、地面目標(biāo)海拔高度等相關(guān)參數(shù)及光電系統(tǒng)測(cè)量的瞄準(zhǔn)線方位/俯仰角度、光電轉(zhuǎn)塔 方位/俯仰角速度數(shù)據(jù)，建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，對(duì)光電系統(tǒng)所瞄準(zhǔn)的地面目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度大 小和方向做出精確估計(jì)。實(shí)施測(cè)速時(shí)地面操作員只需操控手柄壓住目標(biāo)并進(jìn)入自動(dòng)跟蹤模 式，在不需要發(fā)射激光對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距情況下，光電系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)就能實(shí)時(shí)解算出地 面目標(biāo)在大地坐標(biāo)系的速度矢量，上報(bào)給上位機(jī)并在屏幕上顯示。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 所述一種基于陀螺測(cè)速的機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)用對(duì)地面目標(biāo)的無源測(cè)速方法，其特 征在于:包括以下步驟：
[0008] 步驟1:機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)過程中，實(shí)時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)αΡ，βΡ，yF，h u， QazJel, ωΑΖ, coEL;其中aF、0F、γρ依次為載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的載機(jī)當(dāng)前航向角、俯仰角 和橫滾角，hu為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的載機(jī)點(diǎn)的海拔高度，θΑΖ、θΕ?依次為機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)測(cè) 量的當(dāng)前瞄線方位角、俯仰角，ωΑΖ、ωΕ?依次為機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤時(shí)的 轉(zhuǎn)塔方位角速度、俯仰角速度；
[0009] 步驟2:根據(jù)步驟1的測(cè)量數(shù)據(jù)建立載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系0-ΧΥΖ與機(jī)載光電觀瞄 系統(tǒng)坐標(biāo)系0-XeY么的坐標(biāo)變換公式： "j" -jkT αιι S12· α?3
[0010] 二:七 * A) * je =Α * .ve = β2? .%:2 β23 * 押 Ζ Ζ'0 ze ^31 '^33 ze
[0011] 其中，（X，y，Z)是目標(biāo)在載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（xe，ye， ze)是目標(biāo)在機(jī) 載光電觀瞄系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo);矩陣Ai為載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系0-ΧΥΖ到機(jī)體坐標(biāo)系0-XuYuZu的轉(zhuǎn)換矩陣，矩陣A 2為機(jī)體坐標(biāo)系Ο-XuYuZu到機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)坐標(biāo)系〇-XeYeZe的轉(zhuǎn) 換矩陣： cm(ar) siii(^) 0 1 0 0 cos(^>) 0 sin(^.)
[0012] -sin(aF) cos(%) 0 ^ 0 cos(βΡ) -sm(fiF) ^010 0 0 1 0 sin(y^) cos(爲(wèi)）-sin(/，）0 cos(;'y, )_ cc>s(<9 丨sin(<9,;/) 0 1 0 0
[0013] -sin(0;;/) cos(0 ;;/) 0 ^ 0 <:ο%(θι；) -sinl^.,):； _ 0 0 1_ _0 sini^,) to^{0u) _
[0014] 步驟3:用步驟2得到的坐標(biāo)變換公式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到目標(biāo)在機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng) 坐標(biāo)系中速度矢量與在載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系中速度矢量的關(guān)系： (- n t-dxe^n * t-dze - ν?·ι 1 -~T~ ；vti 'j -"I v*'! O - di di dt dt r n dv "灸 dx(/ … .dye ^ 令 dze
[0015] { ^ = an ^ 一- + G" 不-一十以2一'一 di 11 ? - dt ? 色=仏*化+~*企^十〇 、dt ? ? ' " di
[0016] 其中（dX/dt，dy/dt，dz/dt)是目標(biāo)在載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系下的速度矢量，（dxe/ dt，dye/dt，dZe/dt)是目標(biāo)在機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)坐標(biāo)系下的速度矢量；
[0017 ]步驟4:根據(jù)以下運(yùn)動(dòng)關(guān)系
[0018] - = Vjx-Vux- -j- =ντγ-ν1ιγ, - = -Vuz, ~~ =(〇，x7 ^ L ； =c〇r.[. * L, dt dl .dt: di di L = (hu-hg) / (_a32)解算步驟3的公式，得到
[0019] VTX = γ(ιχ + ?/| , <:(.〇aZ：!,L+ avJ αΜ ) ^ ^ u'/+ ^Wr.L^L) VTC=VUY+a2i*t0AZ*L+a 23*mm*L-(a22/a32) * (VlJZ+<at3]*(〇AZ；：isL+a33 ；*e：>EI*L)
[0020] 其中（Vux，Vuy，Vuz)為載機(jī)在大地坐標(biāo)系下的速度矢量，（Vtx，Vty，0)為目標(biāo)在大地 坐標(biāo)系下的速度矢量，h g是載機(jī)所在地的地面海拔高度，L是載機(jī)到目標(biāo)的斜距。
[0021 ]有益效果
[0022] 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
[0023] ( -）本發(fā)明通過建立載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系、載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系和光電系統(tǒng)坐標(biāo) 系，輸入載機(jī)三軸姿態(tài)角度、載機(jī)運(yùn)動(dòng)速度矢量、載機(jī)海拔高度、載機(jī)所在的飛行場(chǎng)地海拔 高度以及光電系統(tǒng)本身提供的瞄準(zhǔn)線方位角度、俯仰角度、方位角速度、俯仰角速度等測(cè)量 信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出地面目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的矢量速度。操作員只需對(duì)地面感興趣目標(biāo)瞄 準(zhǔn)并執(zhí)行跟蹤操作，光電系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)就能實(shí)時(shí)解算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度及方向，將計(jì)算結(jié) 果顯示在屏幕上并向上位機(jī)報(bào)告。本方法屬于被動(dòng)測(cè)速范疇，不需要發(fā)射激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 測(cè)距，從而提高了對(duì)自身的防護(hù)。
[0024] (二)本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)解算出所瞄準(zhǔn)目標(biāo)的速度矢量，該方法豐富了光電觀瞄系統(tǒng) 的功能，為指揮、操作人員準(zhǔn)確判斷戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)提供重要依據(jù)。本發(fā)明在現(xiàn)有光電系統(tǒng)的 基礎(chǔ)上不需要增加任何硬件資源，只需要增加相關(guān)軟件模塊便可實(shí)現(xiàn)機(jī)載光電系統(tǒng)的功能 升級(jí)，應(yīng)用方式簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明基于陀螺測(cè)速的機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)用地面目標(biāo)無源測(cè)速方法的工作 流程圖。
[0026] 圖2是載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系、載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系和光電系統(tǒng)坐標(biāo)系的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明：
[0028] 本發(fā)明的方法在機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)中通過相關(guān)軟件模塊實(shí)現(xiàn)，工作流程圖見附圖 1。光電系統(tǒng)在跟蹤上目標(biāo)后，主計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟：
[0029] 步驟1:機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)過程中，實(shí)時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)aF，i3F，yF，h u， Qaz，9el, ωΑζ, WEL，數(shù)據(jù)的米集周期不大于20ms。
[0030] aFjF、γ F依次為載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的載機(jī)當(dāng)前航向角、俯仰角和橫滾角， 的正負(fù)定義為:繞附圖2中0 Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù);fr的正負(fù)定義為:繞附圖 2中0X軸向上旋轉(zhuǎn)為正，向下旋轉(zhuǎn)為負(fù)；γ f的正負(fù)定義為:繞附圖2中0Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正， 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)。
[0031] hu為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的載機(jī)點(diǎn)的海拔高度。
[0032] θΑΖ、θΕ?依次為機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)測(cè)量的當(dāng)前瞄線方位角、俯仰角，ΘΑΖ的正負(fù)定義 為:繞附圖2中ΟΖυ軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)；0 EL的正負(fù)定義為:繞附圖2中ΟΧυ軸 向上旋轉(zhuǎn)為正，向下旋轉(zhuǎn)為負(fù)。
[0033] ω ΑΖ、ω 依次為機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤時(shí)的轉(zhuǎn)塔方位角速度、俯仰 角速度；《ΑΖ的正負(fù)定義為:光電轉(zhuǎn)塔右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負(fù)；ω Ε?的正負(fù)定義為:光電轉(zhuǎn)塔上 轉(zhuǎn)為正，下轉(zhuǎn)為負(fù)。
[0034] 步驟2:根據(jù)步驟1的測(cè)量數(shù)據(jù)建立載機(jī)點(diǎn)'東北天'坐標(biāo)系0-ΧΥΖ與機(jī)載光電觀瞄 系統(tǒng)坐標(biāo)系0-XeY么的坐標(biāo)變換公式： _x] 「叫 「叫卜β12卜
[0035] y ye =A * ye = an an a2i * ye z ze ze <331 an a3i ze
[0036]