基于機(jī)載光電吊艙位置和姿態(tài)的目標(biāo)定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于機(jī)載光電吊艙位置和姿態(tài)信息的目標(biāo)定位系統(tǒng)。主要涉及專 利號(hào):G01測(cè)量;測(cè)試G01S無線電定向；無線電導(dǎo)航;采用無線電波測(cè)距或測(cè)速;采用無線電 波的反射或再輻射的定位或存在檢測(cè);采用其他波的類似裝置G01S19/00衛(wèi)星無線電信標(biāo) 定位系統(tǒng);利用這種系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)確定位置、速度或姿態(tài)G01S19/38利用衛(wèi)星無線電信標(biāo) 定位系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)來確定導(dǎo)航方案G01S19/39傳輸帶有時(shí)間戳信息的衛(wèi)星無線電信標(biāo)定 位系統(tǒng)，例如GPS[全球定位系統(tǒng)]，GLONASS[全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)]或GALILEO G01S19/42確定 位置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著船舶、飛機(jī)和人員在海上活動(dòng)的數(shù)量、密度不斷加大，通航環(huán)境日益復(fù)雜，加 上全球氣候異常，發(fā)生海上突發(fā)事件的概率及復(fù)雜性隨之增加，使海上救助系統(tǒng)應(yīng)急搶險(xiǎn) 救災(zāi)能力面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)?？焖侔l(fā)現(xiàn)海上遇險(xiǎn)目標(biāo)、準(zhǔn)確進(jìn)行目標(biāo)定位是縮短搜救時(shí)間，實(shí)施 高效救助，降低遇險(xiǎn)目標(biāo)危險(xiǎn)的首要條件。對(duì)于未知地點(diǎn)的海面遇險(xiǎn)目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外普遍采用 搜救直升機(jī)搭載近紅外/中紅外/遠(yuǎn)紅外或可見光成像設(shè)備組成光電吊艙系統(tǒng)在事故海域 進(jìn)行大范圍快速掃描的方法進(jìn)行海面遇險(xiǎn)目標(biāo)遠(yuǎn)距離搜尋。遇險(xiǎn)目標(biāo)在紅外或可見光圖像 中往往呈現(xiàn)為點(diǎn)狀或斑點(diǎn)狀的小目標(biāo)，且目標(biāo)強(qiáng)度很低，圖像信噪比相對(duì)也低，目標(biāo)基本上 會(huì)被背景和噪聲淹沒，再加上由于飛機(jī)的振動(dòng)，目標(biāo)的圖像清晰度不高，尤其當(dāng)惡劣海況 下，圖像模糊情況更為嚴(yán)重，難以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而目標(biāo)準(zhǔn)確定位又是進(jìn)行快速搜救 的關(guān)鍵，因此，對(duì)于海面遇險(xiǎn)目標(biāo)的識(shí)別和準(zhǔn)確定位一直是海上應(yīng)急救助的研究熱點(diǎn)。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)行海面目標(biāo)定位，需通過飛機(jī)上導(dǎo)航設(shè)備的專用接口獲取 飛機(jī)載體的位置姿態(tài)信息(也即通常所說的導(dǎo)航信息），然后采用軟件將飛機(jī)載體的導(dǎo)航信 息經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為光電吊艙的位置姿態(tài)信息，再結(jié)合目標(biāo)的紅外或可見光圖像進(jìn)行目標(biāo)定 位。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響目標(biāo)定位精度的誤差因素主要包括:光電吊艙系統(tǒng)的指向誤差;光電 吊艙系統(tǒng)與飛機(jī)載體導(dǎo)航系統(tǒng)之間的安裝對(duì)準(zhǔn)誤差；飛機(jī)載體導(dǎo)航系統(tǒng)自身的測(cè)量誤差。 其中，飛機(jī)載體導(dǎo)航系統(tǒng)自身測(cè)量誤差為影響定位精度的主要因素。
[0004] 現(xiàn)有的采用飛機(jī)載體導(dǎo)航信息進(jìn)行目標(biāo)定位的方法存在以下幾個(gè)主要問題：
[0005] 導(dǎo)航信息來源于飛機(jī)載體，由于導(dǎo)航系統(tǒng)是專用設(shè)備，無論是接口的選配還是數(shù) 據(jù)格式的獲取都較為困難。
[0006] 由于真正與目標(biāo)定位直接相關(guān)的是光電吊艙的位置姿態(tài)信息，而引入定位計(jì)算的 卻是飛機(jī)載體的導(dǎo)航信息，雖然光電吊艙是安裝于飛機(jī)載體上，但兩者的位置姿態(tài)信息并 非同步，對(duì)位置姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)性難以保證。另外，飛機(jī)載體的位置姿態(tài)信息的獲取本身也 無法做到實(shí)時(shí)，根據(jù)非實(shí)時(shí)的位置姿態(tài)信息無法計(jì)算得到準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。
[0007] 飛機(jī)載體與光電吊艙是通過減振器相連接，減振器有效地隔離了對(duì)光電吊艙目標(biāo) 成像有害的大部分振動(dòng)，但由于減振器為剛性或金屬塑料材質(zhì)，其自身特性難以獲取，因此 也需考慮減振器的運(yùn)動(dòng)特性，飛機(jī)載體的導(dǎo)航信息實(shí)際并不能直接等效為光電吊艙的位置 姿態(tài)。
[0008] 正是由于存在上述三個(gè)問題，通過結(jié)合海面目標(biāo)紅外或可見光圖像與飛機(jī)載體導(dǎo) 航信息進(jìn)行定位的方法難以達(dá)到高精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制的一種基于機(jī)載光電吊艙位置和姿態(tài)的目標(biāo) 定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置在機(jī)載光電吊艙內(nèi)部；
[0010]該測(cè)量系統(tǒng)具有：
[0011]獲得所在機(jī)載光電吊艙俯仰角Θ和橫滾角γ信息的動(dòng)態(tài)傾角獲取模塊；
[0012]獲得所在機(jī)載光電吊艙經(jīng)度Bc、煒度Lc、高度Hc和偏航角Φ信息的定位模塊；
[0013] 處理模塊根據(jù)機(jī)載光電吊艙的經(jīng)煒高以及地面參考點(diǎn)的經(jīng)度Bm、煒度Lm和高度Hm， 經(jīng)由大地直角坐標(biāo)系(Χα，Υα，Ζα)，最終轉(zhuǎn)化成東北天坐標(biāo)系(Xwk，Ywk，Z wk);
[0014] 處理模塊根據(jù)機(jī)載光電吊艙獲取的目標(biāo)圖像，獲取圖像中目標(biāo)的像素坐標(biāo)(u，v); 結(jié)合吊艙的相機(jī)的焦距f、吊艙與相機(jī)軸中心成像在海面上的距離Ye以及地面參考點(diǎn)的大 地直角坐標(biāo)系0。 1<3。1{，2。1〇生成的平移矩陣1'1，將目標(biāo)的像素坐標(biāo)經(jīng)由吊艙坐標(biāo)系、東北天 坐標(biāo)系和大地直角坐標(biāo)系，最終得到目標(biāo)的實(shí)際經(jīng)煒度和高程，完成目標(biāo)的測(cè)量。
[0015] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的測(cè)量?jī)x還包括:獲取測(cè)量?jī)x自身位置和姿態(tài)的陀螺 儀和加速度計(jì)。
[0016] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的定位模塊與雙定位天線連接;所述的定位模塊與雙 定位天線連接;工作時(shí)，定位模塊接收處于不同位置的定位天線分別傳輸?shù)亩ㄎ恍畔?，綜合 計(jì)算得出定位模塊所處的位置信息；雙定位天線接收基于GPS、格洛納斯GLONASS、伽利略 GALILEO或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星定位信息。
[0017]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述處理模塊通過下式：
[0019]分別將機(jī)載光電吊艙的精度Bc、煒度Lc、高度Hc和地面參考點(diǎn)的經(jīng)度B m、煒度Lm和高 度化轉(zhuǎn)換成機(jī)載光電吊艙大地坐標(biāo)(Xck，Yck，Ζα)和地面參考點(diǎn)坐標(biāo)(Xmk，Ymk，Zmk);
[0021] B為地面參考點(diǎn)的煒度，L為地面參考點(diǎn)的經(jīng)度。
[0022] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述處理模塊通過如下公式將機(jī)載光電吊艙轉(zhuǎn)換成東北天 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xwk，Ywk，Zwk):
[0024]其中為旋轉(zhuǎn)矩陣，Ti為平移矩陣
[0026]其中，B為地面參考點(diǎn)的煒度，L為地面參考點(diǎn)的經(jīng)度。
[0027]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的處理模塊將目標(biāo)在圖像中的像素坐標(biāo)(u，v)結(jié)合吊 艙的姿態(tài)信息，得到目標(biāo)在東北天坐標(biāo)下的坐標(biāo)的過程如下：
[0028]根據(jù)公式：
[0030]將像素坐標(biāo)素坐標(biāo)(u，v)轉(zhuǎn)換成圖像物理坐標(biāo)(x，y);
[0031]根據(jù)小孔成像和共線方程，結(jié)合相機(jī)焦距f、吊艙與相機(jī)光軸中心成像在海面上的 距離Yc，得到目標(biāo)在吊艙坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xc，Yc，Zc);
[0033]根據(jù)光電吊艙的俯仰角Θ，偏航角.橫滾角γ，將目標(biāo)在光電吊艙坐標(biāo)系下的坐標(biāo) (Xc，Ye，Ze)轉(zhuǎn)為目標(biāo)在東北天坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xw，Yw，Zw);
[0036]其中，f代表旋轉(zhuǎn)矩陣，Τ'代表平移矩陣，（Xwk，Ywk，Zwk)是光電吊艙在東北天坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)。
[0037]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的處理模塊在計(jì)算得到東北天坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xw，Yw， Zw)后，通過坐標(biāo)計(jì)算得出目標(biāo)在大地直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(Xk，Yk，Z k)，過程如下：
[0039]其中，辦代表旋轉(zhuǎn)矩陣，L、B分別代表地面參考點(diǎn)的經(jīng)度和煒度，1~2代表平移矩陣， (Xmk，Ymk，Zmk)為地面參考點(diǎn)在大地直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)；
[0041]最后根據(jù)如下公式即可得到目標(biāo)的經(jīng)煒高(LQ，BQ，H0);
[0043]
，為橢球的曲率半徑，a = 6 3 7 8 1 3 7 (米），e 2 = 0.0066943799013。
[0044] 通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明公開的一種基于機(jī)載光電吊艙位置和姿態(tài)的目標(biāo) 定位系統(tǒng)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0045] 1采用直接測(cè)量光電吊艙本體位置姿態(tài)信息進(jìn)行海面目標(biāo)定位的方法，從根本上 解決了用飛機(jī)載體導(dǎo)航信息等效光電吊艙位置姿態(tài)信息所引入的定位誤差，有效提高定位 精度。
[0046] 2姿態(tài)位置測(cè)量裝置的測(cè)量?jī)x直接緊固在光電吊艙內(nèi)的穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)殼體上，雙定 位天線安裝在光電吊艙與飛機(jī)之間安裝架的外緣，因此能直接測(cè)量得到光電吊艙的全部位 置姿態(tài)信息，由于所有測(cè)量設(shè)備均與光電吊艙同步運(yùn)動(dòng)，所以隔離了各種飛機(jī)載體振動(dòng)以 及減震器對(duì)光電吊艙位置姿態(tài)測(cè)量的影響。
[0047] 3姿態(tài)位置測(cè)量裝置僅需一根數(shù)據(jù)線即可與機(jī)艙內(nèi)的外設(shè)進(jìn)行連接，無需經(jīng)過飛 機(jī)上的數(shù)據(jù)接口，獲取數(shù)據(jù)方法簡(jiǎn)單。
[0048] 4采用慣性導(dǎo)航技術(shù)作為全球定位技術(shù)的補(bǔ)充，能夠確保全球定位系統(tǒng)受到天氣 等因素干擾時(shí)仍可獲得測(cè)量裝置的準(zhǔn)確位置信息。
【附圖說明】
[0049] 為了更清楚的說明本發(fā)明的實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是 本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0050]圖1為本發(fā)明位置姿態(tài)測(cè)量設(shè)備安裝位置圖
[0051 ]圖2為本發(fā)明求解目標(biāo)在大地坐標(biāo)系坐標(biāo)的方法示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0052]為使本發(fā)明的實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述：
[0053] 圖1示出了本發(fā)明的位置姿態(tài)測(cè)量設(shè)備在光電吊艙上的安裝位置。位置姿態(tài)測(cè)量 設(shè)備包括1測(cè)量?jī)x、2雙定位天線、3天線饋線、4數(shù)據(jù)線和5 RS422接口。
[0054] 測(cè)量?jī)x1安裝在圖1所示的光電吊艙