一种基于机载光电平台的双机交会定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法。使用本发明专利技术能够实现对目标全程跟踪定位，能完成对静态或动态目标的实时定位。本发明专利技术首先建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系，然后利用双机的摄像机同时对目标进行成像，获得各载机的目标视线向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示；然后通过坐标转换，得到各载机的目标视线向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示，进而结合载机坐标建立直线方程，通过联立两个直线方程实现对目标的定位。本发明专利技术不需要测量目标与平台间的距离，光电平台中无需装配激光测距仪，有效减小载机的负载，且能够满足实时性、机动性要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机载光测目标定位
，具体涉及一种基于机载光电平台的双机交会定位方法。
技术介绍
靶场光测设备作为侦察定位领域的重要工具，在军事和民用中具有重要作用。根据基座不同，现代光测设备主要可分为地面光电经纬仪、海上测量船以及机载光电平台。在实际应用中，由于目标的位置和运动特征、地球曲率半径以及光传播的直线性等因素的影响，使得地面光电经纬仪和海上测量船的作用距离受到限制，从而制约了光电装备潜能的充分发挥。在此背景下，机载光电平台以其实时性强、机动灵活等特点在定位领域受到广泛应用。机载光电平台常用的对目标定位的方法是传统的单机REA方法，即利用光电平台载荷测量出目标相对光电平台的距离R、俯仰角E和方位角A，通过齐次坐标转换获取目标的大地坐标。该定位方法需要测量距离，目前普遍的测距方法是在平台中加入激光测距仪，这就为载机增加了负载要求，并且激光测距仪的测量距离有限，目前普遍有效测量距离只能达到20km，这也限制了该方法的使用范围；并且该方法定位精度有限，尤其是在目标跟踪和定位阶段对飞机有两个必要的约束条件，即跟踪阶段的盘旋和过顶，因此需要提出新的定位方法来满足高精度定位要求。空间两点交会可以有效提高定位精度，该方法是在单点定位的基础上增加了第二个测量点，与目标三点构建一个空间三角形，可以有效避免过顶定位这一局限性，增加了适应力的同时也可以极大提高定位精度。但该方法只能用于对地面上的静目标进行定位，在实际应用中，很多时候需要对地面上的移动目标或空中飞行目标进行定位，因此，该方法适用性也有一定限制。并且由于该方法在测量时需对目标进行多次测量，因此不能保证定位的实时性，极大影响力其战场实用性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，能够实现对目标全程跟踪定位，能完成对静态或动态目标的实时定位。本专利技术的基于机载光电平台的双机交会定位方法，包括如下步骤：步骤1，建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系；其中，大地坐标系采用国际地球参考系统WGS-84系统；大地直角坐标系中，原点在地球质心，Zg轴指向地球的北极，Xg轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Yg轴与XgOgZg平面垂直并与Zg轴、Xg轴构建成笛卡尔坐标系；载机地理坐标系中，原点是载机质心，Zs指向正北方向，Xs由原点指向天顶，Ys与Zs、Xs构成右手坐标系；载机坐标系中，原点与载机地理坐标系的原点重合，Za指向机头方向，Xa指向飞机上方，Ya与Za、Xa形成右手坐标系；摄像机坐标系中，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Zt轴为摄像机光轴指向目标，Zt轴位于水平位置时，Xt轴指向天顶，Yt轴与Zt、Xt构成右手坐标系；步骤2，双机的摄像机同时对目标进行成像，针对载机i，i＝1,2，根据目标M的像点Ki在摄像机坐标系中的位置，以及像点Ki、原点Oi与目标点M共线特性，得到向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)；步骤3，通过坐标系转换，将步骤2获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(lgi，mgi，ngi)：其中，H1i为摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵，H2i为载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵，H3i为载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵；步骤4，在大地直角坐标系下，根据向量的方向余弦表示(lgi，mgi，ngi)以及载机i的坐标，构建载机i与目标M的直线方程，联立两个直线方程，得到目标M的大地直角坐标表示；步骤5，将步骤4获得的目标M的大地直角坐标转换到大地坐标系中，即获得目标的大地坐标，完成对目标的定位。进一步地，所述步骤3中，摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵H1i为H1i＝T1iT0i，其中，其中，αi为载机i中，摄像机相对载机的方位向转角；βi为载机i中，摄像机相对载机的俯仰向转角。进一步地，所述步骤3中，载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵H2i为H2i＝T4iT3iT2i，其中，其中，λi、θi和κi分别为载机的偏航角、俯仰角和横滚角。进一步地，步骤3中，载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵H3i为H3i＝T6iT5i，其中，其中，hsi为载机i质心沿垂直于地表方向到大地直角坐标系Zg轴的距离，λsi为载机i质心沿垂直于地表方向的法线与平面XgOYg的夹角。有益效果：(1)本专利技术采用无人机作为基座进行交会定位，利用无人机的高机动性和灵活性，解决了地面经纬仪和海上测量船跟踪定位目标时的位置局限性，提高了光电测量的适用性。(2)本专利技术不需要测量目标与平台间的距离，光电平台中无需装配激光测距仪，有效减小载机的负载。(3)针对传统的两点交会定位方法只能对地面固定目标进行定位的局限性，本专利技术使用双机协同对目标进行测量，可实时获取定位解算需要的全部参数，通过算法实时解算出目标位置，从而实现对目标的定位，故该定位方法适用范围不受目标运动特性的影响，可以适用于对固定目标或动态目标的定位，适用性更高，实时性更强。(4)本专利技术使用双机交会定位方法，定位解算算法不需要目标与平台的距离参数，因此无需考虑激光测距仪的测量距离限制，提高了机载测量定位的使用距离范围。附图说明图1为双机交会示意图。图2为基于机载光电平台的双机交会定位的系统示意图。图3为摄像机坐标系下的物像位置关系图。图4为摄像机坐标系到载机坐标系的转换示意图。图5为载机坐标系的姿态变换示意图。图6为双机在大地直角坐标系下的位置图。图7为双机交会定位解算原理图。图8为本专利技术流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，采用两架无人机对静止或机动目标进行定位，如图1所示，其中，两架无人机的机载光电平台中均配置有红外热像仪、可见光摄像机、测角器、信号处理单元和通讯模块，其中信号处理单元与各设备建立有信号连接，用以收集测量数据并进行目标位置解算，通讯模块用以接收和发送测量数据。定位方法如2所示，具体包括如下步骤：步骤1，建立辅助坐标系：摄像机坐标系，载机坐标系，载机地理坐标系，大地直角坐标系，大地坐标系。其中，大地坐标系：采用国际地球参考系统WGS-84系统，使用经纬度和大地高(B,L,H)表示空间任一点位置；大地直角坐标系：为惯性坐标系，原点在地球质心，Zg轴指向地球的北极，Xg轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Yg轴与XgOgZg平面垂直，并与Zg轴、Xg轴构建成笛卡尔坐标系。载机地理坐标系：为惯性坐标系，原点是载机质心在某一刻的位置(λsi，αsi，hsi)，Zs指向正北方向，Xs由原点指向天顶，Ys与Zs、Xs构成右手坐标系；载机坐标系：为惯性坐标系，原点与载机地理坐标系的原点重合，Za指向机头方向，Xa指向飞机上方，Ya与Za、Xa形成右手坐标系；摄像机坐标系：为惯性坐标系，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Zt轴为摄像机光轴指向目标，Zt轴在初始位置时位于水平位置，Xt轴指向天顶，Yt轴与Zt、Xt构成右手坐标系。步骤2，双机同时对目标进行跟踪定位，实时记录各测量参数，为方便记录，对双机数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系；其中，大地坐标系采用国际地球参考系统WGS‑84系统；大地直角坐标系中，原点在地球质心，Zg轴指向地球的北极，Xg轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Yg轴与XgOgZg平面垂直并与Zg轴、Xg轴构建成笛卡尔坐标系；载机地理坐标系中，原点是载机质心，Zs指向正北方向，Xs由原点指向天顶，Ys与Zs、Xs构成右手坐标系；载机坐标系中，原点与载机地理坐标系的原点重合，Za指向机头方向，Xa指向飞机上方，Ya与Za、Xa形成右手坐标系；摄像机坐标系中，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Zt轴为摄像机光轴指向目标，Zt轴位于水平位置时，Xt轴指向天顶，Yt轴与Zt、Xt构成右手坐标系；步骤2，双机的摄像机同时对目标进行成像，针对载机i，i＝1,2，根据目标M的像点Ki在摄像机坐标系中的位置，以及像点Ki、原点Oi与目标点M共线特性，得到向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)；步骤3，通过坐标系转换，将步骤2获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(lgi，mgi，ngi)：其中，H1i为摄像机坐标系到载机坐标系的转换矩阵，H2i为载机坐标系到载机地理坐标系的转换矩阵，H3i为载机地理坐标系到大地直角坐标系的转换矩阵；步骤4，在大地直角坐标系下，根据向量的方向余弦表示(lgi，mgi，ngi)以及载机i的坐标，构建载机i与目标M的直线方程，联立两个直线方程，得到目标M的大地直角坐标表示；步骤5，将步骤4获得的目标M的大地直角坐标转换到大地坐标系中，即获得目标的大地坐标，完成对目标的定位。...

【技术特征摘要】
1.一种基于机载光电平台的双机交会定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立摄像机坐标系、载机坐标系、载机地理坐标系、大地直角坐标系和大地坐标系；其中，大地坐标系采用国际地球参考系统WGS-84系统；大地直角坐标系中，原点在地球质心，Zg轴指向地球的北极，Xg轴由原点指向格林尼治平子午面与地球赤道交点，Yg轴与XgOgZg平面垂直并与Zg轴、Xg轴构建成笛卡尔坐标系；载机地理坐标系中，原点是载机质心，Zs指向正北方向，Xs由原点指向天顶，Ys与Zs、Xs构成右手坐标系；载机坐标系中，原点与载机地理坐标系的原点重合，Za指向机头方向，Xa指向飞机上方，Ya与Za、Xa形成右手坐标系；摄像机坐标系中，原点为摄像机光轴与摄像机安装基座的水平轴的交点，Zt轴为摄像机光轴指向目标，Zt轴位于水平位置时，Xt轴指向天顶，Yt轴与Zt、Xt构成右手坐标系；步骤2，双机的摄像机同时对目标进行成像，针对载机i，i＝1,2，根据目标M的像点Ki在摄像机坐标系中的位置，以及像点Ki、原点Oi与目标点M共线特性，得到向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)；步骤3，通过坐标系转换，将步骤2获得的向量在摄像机坐标系下的方向余弦表示(li，mi，ni)转化到大地直角坐标系下，得到向量在大地直角坐标系下的方向余弦表示(lgi，mgi，ngi)：其中，H1i...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晶红，白冠冰，宋悦铭，熊文卓，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22