基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用地面目标无源测速方法

摘要

本发明提出一种基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用对地面目标的无源测速方法，基于载机惯导系统测量的载机三轴姿态角度、载机运动速度矢量、载机海拔高度、地面目标海拔高度等相关参数及光电系统测量的瞄准线方位/俯仰角度、光电转塔方位/俯仰角速度数据，建立恰当的数学模型，对光电系统所瞄准的地面目标的运动速度大小和方向做出精确估计。实施测速时地面操作员只需操控手柄压住目标并进入自动跟踪模式，在不需要发射激光对地面目标进行测距情况下，光电系统主计算机就能实时解算出地面目标在大地坐标系的速度矢量，上报给上位机并在屏幕上显示。

主权项

一种基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用对地面目标的无源测速方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：机载光电观瞄系统在跟踪目标过程中，实时采集测量数据α_F,β_F,γ_F,h_u，θ_AZ,θ_EL,ω_AZ,ω_EL；其中α_F、β_F、γ_F依次为载机惯性导航系统测量的载机当前航向角、俯仰角和横滚角，h_u为惯性导航系统测量的载机点的海拔高度，θ_AZ、θ_EL依次为机载光电观瞄系统测量的当前瞄线方位角、俯仰角，ω_AZ、ω_EL依次为机载光电观瞄系统在对目标稳定跟踪时的转塔方位角速度、俯仰角速度；步骤2：根据步骤1的测量数据建立载机点‘东北天’坐标系O‑XYZ与机载光电观瞄系统坐标系O‑X_eY_eZ_e的坐标变换公式：$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=A_1*A_2*\left[\begin{array}{c}xe\\ ye\\ ze\end{array}\right]=A*\left[\begin{array}{c}xe\\ ye\\ ze\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}xe\\ ye\\ ze\end{array}\right]$其中，(x,y,z)是目标在载机点‘东北天’坐标系下的坐标，(xe,ye,ze)是目标在机载光电观瞄系统坐标系下的坐标；矩阵A₁为载机点‘东北天’坐标系O‑XYZ到机体坐标系O‑X_uY_uZ_u的转换矩阵，矩阵A₂为机体坐标系O‑X_uY_uZ_u到机载光电观瞄系统坐标系O‑X_eY_eZ_e的转换矩阵：$A_1=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\alpha }_F\right)& sin\left({\alpha }_F\right)& 0\\ -sin\left({\alpha }_F\right)& cos\left({\alpha }_F\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\beta }_F\right)& -sin\left({\beta }_F\right)\\ 0& sin\left({\beta }_F\right)& \cos \left({\beta }_F\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\gamma }_F\right)& 0& sin\left({\gamma }_F\right)\\ 0& 1& 0\\ -sin\left({\gamma }_F\right)& 0& cos\left({\gamma }_F\right)\end{array}\right]$$A_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\theta }_{AZ}\right)& \sin \left({\theta }_{AZ}\right)& 0\\ -\sin \left({\theta }_{AZ}\right)& \cos \left({\theta }_{AZ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left({\theta }_{EL}\right)& -\sin \left({\theta }_{EL}\right)\\ 0& \sin \left({\theta }_{EL}\right)& \cos \left({\theta }_{EL}\right)\end{array}\right];$步骤3：用步骤2得到的坐标变换公式对时间求导，得到目标在机载光电观瞄系统坐标系中速度矢量与在载机点‘东北天’坐标系中速度矢量的关系：$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=a_{11}*\frac{dxe}{dt}+a_{12}*\frac{dye}{dt}+a_{13}*\frac{dze}{dt}\\ \frac{dy}{dt}=a_{21}*\frac{dxe}{dt}+a_{22}*\frac{dye}{dt}+a_{23}*\frac{dze}{dt}\\ \frac{dz}{dt}=a_{31}*\frac{dxe}{dt}+a_{32}*\frac{dye}{dt}+a_{33}*\frac{dze}{dt}\end{array}\right.$其中(dx/dt，dy/dt，dz/dt)是目标在载机点‘东北天’坐标系下的速度矢量，(dxe/dt，dye/dt，dze/dt)是目标在机载光电观瞄系统坐标系下的速度矢量；步骤4：根据以下运动关系$\frac{dx}{dt}=V_{TX}-V_{UX},\frac{dy}{dt}=V_{TY}-V_{UY},\frac{dz}{dt}=-V_{UZ},\frac{{\mathrm{dx}}_e}{dt}={\omega }_{AZ}*L,\frac{{\mathrm{dz}}_e}{dt}={\omega }_{EL}*L,L=(h_u-h_g)/(-a_{32})$解算步骤3的公式，得到$\left\{\begin{array}{c}{V}_{TX}=V_{UX}+a_{11}*{\omega }_{AZ}*L+a_{13}*{\omega }_{EL}*L-(a_{12}/a_{32})*(V_{UZ}+a_{31}*{\omega }_{AZ}*L+a_{33}*{\omega }_{EL}*L)\\ V_{TY}=V_{UY}+a_{21}*{\omega }_{AZ}*L+a_{23}*{\omega }_{EL}*L-(a_{22}/a_{32})*(V_{UZ}+a_{31}*{\omega }_{AZ}*L+a_{33}*{\omega }_{EL}*L)\end{array}\right.$其中(V_UX，V_UY，V_UZ)为载机在大地坐标系下的速度矢量，(V_TX，V_TY，0)为目标在大地坐标系下的速度矢量，h_g是载机所在地的地面海拔高度，L是载机到目标的斜距。