一种海上动态目标定位与移速预测方法技术

本发明专利技术涉及一种光电测量方法，具体涉及一种海上动态目标定位与移速预测方法，用于解决对于海上动态目标，传统目标定位方法不仅不能精准定位，并且无法获取动态目标的移动速度信息，不利于预测动态目标移动轨迹预测的不足之处。该海上动态目标定位与移速预测方法在不具备激光测距仪直接获取载机与目标之间距离的条件下，利用海平面的平稳特性，提出一种无源定位方法，实现对目标的准确定位；然后采用非线性跟踪微分器，实现对目标移动速度的滤波与估计，获取目标的精确移动速度信息；最终实现目标定位与移动速度预测。本发明专利技术可为多源融合探测、目标跟踪、轨迹预判等提供关键参考数据。轨迹预判等提供关键参考数据。轨迹预判等提供关键参考数据。

【技术实现步骤摘要】
一种海上动态目标定位与移速预测方法


[0001]本专利技术涉及一种光电测量方法，具体涉及一种海上动态目标定位与移速预测方法。

技术介绍

[0002]机载光电平台的主要功能是搭载红外、可见光、激光测距等光学探测载荷，实现对远距离目标的搜索、探测、识别、跟踪、定位等功能。目标定位是利用载体和光电平台的测量信息，实现对目标地理位置(包括目标的经度、纬度、高程)的解算，是光电平台的重要功能之一。目标定位可获取目标的地理位置信息，为多源融合探测、目标跟踪、轨迹预判等提供关键参考数据，是航空探测中的关键技术之一。
[0003]传统的目标定位方法大多是针对静态的目标，利用激光测距仪获取载体与目标之间的距离，结合载体位置、载体姿态、光电平台框架角等信息，利用几何坐标转换，解算出目标位置。另外，传统的目标定位方法主要关注对目标的经度、纬度、高程数据的解算，缺少对目标在东北天坐标系下移动速度的预测方法，无法获取目标的移动速度信息，不利于对动态目标的移动轨迹预测。
[0004]针对海上的船只、快艇等动态目标的搜索探测是机载光电平台的重要应用方向之一。大多情况下，载体与动态目标之间的距离在数十公里以上，且动态目标处于快速机动状态，但动态目标相对于陆地、海面的海拔高度无大幅度的起落，相对比较平稳，即动态目标具有“远、快、稳”的特性。传统目标定位方法需要利用激光测距仪获取载体与动态目标之间的距离，激光测距仪很难实现如此远距离的准确测距，且动态目标处于移动状态，激光测距仪的精度和稳定性很难满足，同时传统方法无法解算出动态目标的移动速度，不利于对目标轨迹的预测。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决对于海上动态目标，传统目标定位方法不仅不能精准定位，并且无法获取动态目标的移动速度信息，不利于预测动态目标移动轨迹预测的不足之处，而提供一种海上动态目标定位与移速预测方法。
[0006]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0007]一种海上动态目标定位与移速预测方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
[0008]步骤(1)、建立基础坐标系集及转换关系：
[0009]所述基础坐标系集包括大地坐标系c、地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机坐标系b、瞄准线坐标系s；
[0010]所述大地坐标系c采用国际地球参考系统WGS
‑
84系统，地球上的点在大地坐标系c中表示为经度λ、纬度L、高度H；
[0011]所述地球直角坐标系e采用根据地球的参考椭球面建立的笛卡尔直角坐标系，其原点为参考椭球面的中心点位置，X轴由原点指向本初子午圈与赤道圈在椭球面上的交点，
Z轴由原点指向地球北极，X轴、Y轴、Z轴服从右手坐标系法则，在地球直角坐标系e中，任意一点的坐标可表示为[x
e
，y
e
，z
e
]；
[0012]所述大地坐标系c与地球直角坐标系e的坐标转换关系为：
[0013][0014]其中，R
e
为复数的实部，e为自然常数；
[0015]所述导航坐标系n采用东北天地理坐标系，原点为载机位置，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法，则任意一点的坐标在导航坐标系n中可表示为[x
n
，y
n
，z
n
]；
[0016]所述地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换关系为：
[0017][0018]其中，为地球直角坐标系e到导航坐标系n的转换矩阵；
[0019]所述载机坐标系b定义Y轴为机头方向，Z轴为机身正上方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法则，则任意一点的坐标在载机坐标系b中可表示为[x
b
，y
b
，z
b
]；
[0020]所述导航坐标系n到载机坐标系b的坐标转换关系为：
[0021][0022]其中，为导航坐标系n到载机坐标系b的转换矩阵；
[0023]所述瞄准线坐标系s定义X轴为光电平台的方位框架角，Y轴为光电平台的俯仰框架角，Z轴为光电平台的横滚框架角，则任意一点的坐标在瞄准线坐标系s中可表示为[x
s
，y
s
，z
s
]；
[0024]所述载机坐标系b到瞄准线坐标系s的坐标转换关系为：
[0025][0026]其中，为载机坐标系b到瞄准线坐标系s的转换矩阵；
[0027]步骤(2)、获取载机的POS信息、光电平台的框架角：
[0028]根据载机的POS机，获取载机的POS信息，其包括经度、维度、高程、北向速度、东向速度、天向速度、偏航角、俯仰角、横滚角；根据光电平台上的测角传感器，获取光电平台的框架角，其包括方位框架角和俯仰框架角；
[0029]步骤(3)、根据海平面的海拔高度稳定特性，建立载机与目标之间的距离估计模型，确定无源目标定位方法，完成对目标在大地坐标系c下的经度、纬度和高度的估计，实现目标定位功能：
[0030](3.1)定义探测海域的平均海拔高度为H1，载机的海拔高度为H2，则目标在导航坐标系n下的坐标为[x
n
，y
n
，H1‑
H2]，目标在瞄准线坐标系s下的坐标为[0，0，r
s
]，其中r
s
表示目标与载机之间的距离值；
[0031]根据步骤(1)的坐标系转换关系，则
[0032][0033]其中，
[0034]利用上式可以解算出载机与目标之间的距离r
s
；
[0035](3.2)根据步骤(1)的坐标系转换关系，利用载机与目标之间的距离值r
s
，目标在地球直角坐标系e下的坐标值为：
[0036][0037]其中，
[0038](3.3)对目标在地球直角坐标系e下的坐标值[x
e
，y
e
，z
e
]，采用迭代法与经度转换公式进行坐标转换，获得目标在大地坐标系c中的坐标，实现目标定位；
[0039]步骤(4)、建立非线性跟踪微分器，对其离散状态方程中的跟踪函数进行优化，建立最速离散跟踪微分器；
[0040]步骤(5)、将目标的位置数据信号输入至最速离散跟踪微分器，建立移动速度估计模型，实现对目标移速的估计：
[0041](5.1)利用步骤(3.1)中目标在瞄准线坐标系s下的坐标[0，0，r
s
]，以及载机与目标之间的距离r
s
，获得目标在导航坐标系n中的坐标为：
[0042][0043](5.2)将在导航坐标系n下目标的东向位置x
n
和北向位置y
n
作为输入信号，分别输入两个与步骤(4)中结构相同的最速离散跟踪微分器，两个最速离散跟踪微分器分别实现对东向移动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上动态目标定位与移速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、建立基础坐标系集及转换关系：所述基础坐标系集包括大地坐标系c、地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机坐标系b、瞄准线坐标系s；所述大地坐标系c采用国际地球参考系统WGS
‑
84系统，地球上的点在大地坐标系c中表示为经度λ、纬度L、高度H；所述地球直角坐标系e采用根据地球的参考椭球面建立的笛卡尔直角坐标系，其原点为参考椭球面的中心点位置，X轴由原点指向本初子午圈与赤道圈在椭球面上的交点，Z轴由原点指向地球北极，X轴、Y轴、Z轴服从右手坐标系法则，在地球直角坐标系e中，任意一点的坐标可表示为[x
e
，y
e
，z
e
]；所述大地坐标系c与地球直角坐标系e的坐标转换关系为：其中，R
e
为复数的实部，e为自然常数；所述导航坐标系n采用东北天地理坐标系，原点为载机位置，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法，则任意一点的坐标在导航坐标系n中可表示为[x
n
，y
n
，z
n
]；所述地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换关系为：其中，为地球直角坐标系e到导航坐标系n的转换矩阵；所述载机坐标系b定义Y轴为机头方向，Z轴为机身正上方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法则，则任意一点的坐标在载机坐标系b中可表示为[x
b
，y
b
，z
b
]；所述导航坐标系n到载机坐标系b的坐标转换关系为：其中，为导航坐标系n到载机坐标系b的转换矩阵；所述瞄准线坐标系s定义X轴为光电平台的方位框架角，Y轴为光电平台的俯仰框架角，Z轴为光电平台的横滚框架角，则任意一点的坐标在瞄准线坐标系s中可表示为[x
s
，y
s
，z
s
]；所述载机坐标系b到瞄准线坐标系s的坐标转换关系为：
其中，为载机坐标系b到瞄准线坐标系s的转换矩阵；步骤(2)、获取载机的POS信息、光电平台的框架角：根据载机的POS机，获取载机的POS信息，其包括经度、维度、高程、北向速度、东向速度、天向速度、偏航角、俯仰角、横滚角；根据光电平台上的测角传感器，获取光电平台的框架角，其包括方位框架角和俯仰框架角；步骤(3)、根据海平面的海拔高度稳定特性，建立载机与目标之间的距离估计模型，确定无源目标定位方法，完成对目标在大地坐标系c下的经度、纬度和高度的估计，实现目标定位功能：(3.1)定义探测海域的平均海拔高度为H1，载机的海拔高度为H2，则目标在导航坐标系n下的坐标为[x
n
，y
n
，H1‑
H2]，目标在瞄准线坐标系s下的坐标为[0，0，r
s
]，其中r
s
表示目标与载机之间的距离值；根据步骤(1)的坐标系转换关系，则其中，利用上式可以解算出载机与目标之间的距离r
s
；(3.2)根据步骤(1)的坐标系转换关系，利用载机与目标之间的距离值r
s
，目标在地球直角坐标系e下的坐标值为：其中，(3.3)对目标在地球直角坐标系e下的坐标值[x
e
，y
e
，z
e
]，采用迭代法与经度转换公式进行坐标转换，获得目标在大地坐标系c中的坐标，实现目标定位；步骤(4)、建立非线性跟踪微分器，对其离散状态方程中的跟踪函数进行优化，建立最速离散跟踪微分器；步骤(5)、将目标的位置数据信号输入至最速离散跟踪微分器，建立移动速度估计模型，实现对目标移速的估计：(5.1)利用步骤(3.1)中目标在瞄准线坐标系s下的坐标[0，0，r
s
]，以及载机与目标之间的距离r
s
，获得目...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹏，王卫峰，张如飞，赵君臣，肖茂森，王举贤，张文博，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：