适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法技术方案

本发明专利技术属于机载光电侦察技术领域，具体涉及一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法，该方法基于机载光电观瞄系统的预先校靶误差参数，机载光电观瞄系统位置和姿态测量单元的位置误差和姿态误差统计信息，机载光电观瞄系统的姿态误差统计信息，机载光电观瞄系统激光测距单元的测距误差统计信息，通过建立合适的卡尔曼滤波模型，可用于实时修正目标定位过程中上述各项参数误差对目标定位结果的影响，该方法可实现对静止目标的高精度地理定位。本发明专利技术对目标定位结果实时滤波，在现有光电系统的基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位软件包便可提升机载光电观瞄系统对静止目标的定位精度。

Target location method for multiple observation of airborne photoelectric observation and aiming system

【技术实现步骤摘要】
适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法
本专利技术属于机载光电侦察
，具体涉及一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法，该方法基于机载光电观瞄系统预先校靶参数建立健全的卡尔曼滤波模型，通过对目标多次观察过程中各项输入参数的随机误差进行修正，可实时结算滤波后的目标地理位置信息。
技术介绍
当前的信息化战争对目标侦察提出了更高要求，在对感兴趣目标进行自动跟踪的同时，还需提供目标高精度的位置信息，如何能够准确的求解目标信息成为实施精确打击的首要解决问题。机载光电观瞄系统目标定位过程中存在如下误差源：1)现有机载光电观瞄系统大多配有位置和姿态测量单元，并采取位置和姿态测量单元与光电平台固连的方式进行联接，这种方式与传统光电观瞄系统(未配有位置和姿态测量单元)通过减震器与载机组合导航系统联接相比，可消除载机组合导航系统与光电观瞄系统数据通信间的非同步误差，并有效减小有减震器带来的随机安装误差角，但同时引入了位置和姿态测量单元与光电平台的固定安装误差角；2)机载光电观瞄系统多采用两轴多框架的系统结构，光机状态无法完全保证两个转轴的垂直度，其将导致系统存在固定的转轴非正交误差角；3)系统对目标多次观察过程中存在各项输入参数的随机测量误差。以上各误差源是机载光电观瞄系统目标定位误差的主要来源。中国专利CN201410590112《系统无人机搜索目标快速定位方法》中公开了一种无人机搜索目标快速定位方法。该方法采用一架搜索无人机搜查旷野中目标，通过自身无线系统传输可视图像进行目标锁定，通过特定航行轨迹配合无人机多点视角切换和所处的姿态信息、高度信息和GPS定位信息进行多点定位迭代计算来快速获得旷野目标的具体定位信息。该专利可快速获取目标点定位信息，但并未考虑修正定位过程中存在的各种误差源，其降导致目标定位结果存在固定偏差和随机偏差，即最终获取的定位信息精度较低。期刊《基于EKF的机载光电吊舱目标定位研究》为提高机载光电吊舱目标定位的精度，研究了光电吊舱测距、高低角和方位角的测量误差对目标定位精度的影响，推导并建立了目标定位的扩展卡尔曼滤波模型，通过该滤波模型抑制光电吊舱测距误差、高低角误差和方位角误差对目标点定位结果的影响来实现对目标定位精度的提升。该文献考虑了光电吊舱测距、高低角和方位角的测量误差对目标定位结果的影响，切定位滤波结果收敛速度较快，但其并未考虑载机姿态和位置的测量误差，同时忽略了光电吊舱与载机之间的安装误差和光电吊舱高低角与方位角之间的非正交误差，这些因素都想导致该文献提出的滤波模型与实际使用环境差异较大，模型的不准确性将直接导致滤波后的定位结果极易发散。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何提出一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立地心坐标系e、地理坐标系g、光电平台坐标系b、瞄线坐标系s、瞄线俯仰零位坐标系s’；步骤2：实时采集当前测距点数据组(αP，βP，γP，λP，LP，hP，R)；其中：αP、βP、γP分别为在光电平台坐标系b下，位置和姿态测量单元输出的当前测距点载机俯仰角、横滚角和航向角；λP、LP、hP分别为在地心坐标系下，位置和姿态测量单元输出的当前测距点载机经度、纬度和高度信息；分别为在瞄线坐标系s下，机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标瞄线俯仰角和横滚角；R为机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标至光电观瞄系统的激光测距值；步骤3：采用以下公式计算瞄线坐标系到瞄线俯仰零位坐标系的转换矩阵瞄线俯仰零位坐标系到光电平台坐标系的转换矩阵光电平台坐标系到地理坐标系的转换矩阵和地理坐标系到地心坐标系的变换矩阵上式中，为校靶测量所得俯仰轴与横滚轴的非正交误差角；θAZ、θEL分别为校靶测量所得横滚框架零位与光电平台的俯仰向安装误差角和方位向安装误差角；步骤4：采用以下公式计算目标T在地心坐标系下的坐标并将其作为首次卡尔曼滤波的中间参数：其中：上式中，为载机P在地心坐标系下的坐标，为目标T在瞄线坐标系下的坐标；RN为机载光电观瞄系统所在点的地理垂线与WGS-84参考旋转椭球体交点处的主曲率半径，Re为WGS-84参考旋转椭球体的半长轴，e为WGS-84参考旋转椭球体的扁率，e＝1/298.257；步骤5：采用以下公式计算激光测距值的估计值和瞄线坐标系下目标瞄线俯仰角的估计值上式中，分别为利用步骤2采集的当前时刻数据组数据计算所得的各旋转矩阵和载机P在地心坐标系下的坐标，为当前时刻采用的目标T在地心坐标系下的坐标；为目标T在瞄线俯仰零位坐标系s’下的估算值，xPT、yPT、zPT分别为向量的坐标值；步骤6：采用以下公式定义卡尔曼滤波测量状态方程，选取地面点目标在地球直角坐标系下的位置误差作为状态变量，则对于地面点静止目标，其状态方程可表示为：Xk＝Φk/k-1Xk-1+Γk-1Wk-1其中：Φk/k-1＝I3×3，Γk-1＝ΔtI3×3上式中，Xk、Xk-1分别为tk和tk-1时刻的目标点在地心坐标系下的位置误差；Δt为tk和tk-1时刻的时间差，即滤波周期；Φk/k-1为tk-1时刻至tk时刻的一步转移阵；Γk-1为系统噪声驱动阵；Wk-1为系统激励噪声序列，其方差用Qk表示；步骤7：采用以下公式定义卡尔曼滤波测量等式：上式中，分别为步骤2采集的tk时刻数据组数据，分别为步骤5求取的tk时刻估计值；Zk为tk时刻求取的卡尔曼滤波测量输出值；步骤8：采用以下公式定义如下变量M1、M2、M3、M4，并利用步骤2采集的当前时刻数据组数据计算结果：其中：步骤9：采用以下公式对步骤7进行泰勒级数展开，并去掉高此项：其中：Gk＝[G1G2G3G4]TG1＝H1M1,G4＝I2×2上式中，Hk为量测阵；Gk为量测噪声驱动阵；Vk为量测噪声序列，其方差阵用Rk表示；ΔαP、ΔβP、ΔγP分别为位置和姿态测量单元输出的俯仰误差角、横滚误差角和航向误差角；ΔλP、ΔLP、ΔhP分别为位置和姿态测量单元输出的经度误差、纬度误差和高度误差；分别为目标瞄线俯仰误差角和横滚误差角；ΔR为激光测距误差值；步骤10：采用以下公式对状态变量进行递推估计：Xk/k-1＝Φk/k-1Xk-1Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1Xk＝Xk/k-1+Kk(Zk-HkXk/k-1)上式中，Xk/k-1为状态一步预测值；Xk为tk时刻的状态估计值；Xk-1为tk-1时刻的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1：建立地心坐标系e、地理坐标系g、光电平台坐标系b、瞄线坐标系s、瞄线俯仰零位坐标系s’；/n步骤2：实时采集当前测距点数据组(α

【技术特征摘要】
1.一种适用于机载光电观瞄系统多次观察的目标定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立地心坐标系e、地理坐标系g、光电平台坐标系b、瞄线坐标系s、瞄线俯仰零位坐标系s’；
步骤2：实时采集当前测距点数据组(αP，βP，γP，λP，LP，hP，R)；其中：αP、βP、γP分别为在光电平台坐标系b下，位置和姿态测量单元输出的当前测距点载机俯仰角、横滚角和航向角；λP、LP、hP分别为在地心坐标系下，位置和姿态测量单元输出的当前测距点载机经度、纬度和高度信息；分别为在瞄线坐标系s下，机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标瞄线俯仰角和横滚角；R为机载光电观瞄系统在当前测距点输出的目标至光电观瞄系统的激光测距值；
步骤3：采用以下公式计算瞄线坐标系到瞄线俯仰零位坐标系的转换矩阵瞄线俯仰零位坐标系到光电平台坐标系的转换矩阵光电平台坐标系到地理坐标系的转换矩阵和地理坐标系到地心坐标系的变换矩阵












上式中，为校靶测量所得俯仰轴与横滚轴的非正交误差角；θAZ、θEL分别为校靶测量所得横滚框架零位与光电平台的俯仰向安装误差角和方位向安装误差角；
步骤4：采用以下公式计算目标T在地心坐标系下的坐标并将其作为首次卡尔曼滤波的中间参数：



其中：









上式中，为载机P在地心坐标系下的坐标，为目标T在瞄线坐标系下的坐标；RN为机载光电观瞄系统所在点的地理垂线与WGS-84参考旋转椭球体交点处的主曲率半径，Re为WGS-84参考旋转椭球体的半长轴，e为WGS-84参考旋转椭球体的扁率，e＝1/298.257；
步骤5：采用以下公式计算激光测距值的估计值和瞄线坐标系下目标瞄线俯仰角的估计值






上式中，分别为利用步骤2采集的当前时刻数据组数据计算所得的各旋转矩阵和载机P在地心坐标系下的坐标，为当前时刻采用的目标T在地心坐标系下的坐标；为目标T在瞄线俯仰零位坐标系s’下的估算值，xPT、yPT、zPT分别为向量的坐标值；
步骤6：采用以下公式定义卡尔曼滤波测量状态方程，选取地面点目标在地球直角坐标系下的位置误差作为状态变量，则对于地面点静止目标，其状态方程可表示为：
Xk＝Φk/k-1Xk-1+Γk-1Wk-1
其中：
Φk/k-1＝I3×3，Γk-1＝ΔtI3×3
上式中，Xk、Xk-1分别为tk和tk-1时刻的目标点在地心坐标系下的位置误差；Δt为tk和tk-1时刻的时间差，即滤波周期；Φk/k-1为tk-1时刻至tk时刻的一步转移阵；Γk-1为系统噪声驱动阵；Wk-1为系统激励噪声序列，其方差用Qk表示；
步骤7：采用以下公式定义卡尔曼滤波测量等式：



上式中，分别为步骤2采集的tk时刻数据组数据，分别为步骤5求取的tk时刻估计值；Zk为tk时刻求取的卡尔曼滤波测量输出值；
步骤8：采用以下公式定义如下变量M1、M2、M3、M4，并利用步骤2采集的当前时刻数据组数据计算结果：












其中：









步骤9...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冠，王惠林，刘栋，程刚，骞琨，贺剑，沈宇，齐媛，高瑜，李涛，
申请(专利权)人：西安应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61