光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术.docx

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光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术

《光电测量技术》课程读书报告

光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术

院（系）名　称：

电气工程及自动化学院

专　业　名　称：

自动化测试与控制系

学生学号：

学　生　姓　名：

指　导　教　师：

哈尔滨工业大学

2016年11月

目　　录

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

现代化靶场上的武器控制系统、激光通讯设备或者是天文观测仪器中，为了迅速地发现并精确地跟踪目标，都需要安装光电捕获跟踪与瞄准装置。

光电经纬仪作为既能记录目标的运动姿态，又能实现对目标高精度空间测量的靶场光电跟踪测量设备，具有测量精度高、事后可复现、直观性强等优点，因此，在靶场跟踪测量领域得到了广泛的应用[1]。

为了精确地跟踪运动目标，一旦确定运动目标之后，需要将目标的运动轨迹以及运动状态记录下来。

而运动目标的外弹道测量数据主要包括两方面的内容：

第一，运动姿态；第二，弹道数据：

如目标在各跟踪测量时刻的空间位置坐标、速度、距离、航迹倾角、航迹偏角等等[2]。

得到目标在当前时刻的速度，对于分析目标的空间运动特性、几何特性、物理特性以及后续跟踪测量时刻对目标的识别、运动过程的模拟仿真、航迹测量等具有非常重要的意义[3]。

在靶场试验中，光电经纬仪对运动目标进行跟踪测量时，只能测得目标在各跟踪时刻的方位角和俯仰角，不能直接输出目标的速度测量值。

因此，本文主要针对光电经纬仪不能直接测得跟踪目标的速度值这一问题，开展了光电测量仪器的测速误差分析及提高精度方法这一研究。

利用光电经纬仪输出的方位角和俯仰角的角度值，以及加装激光距仪输出的目标距光电经纬仪的距离，采用相应的数学算法获取目标的速度、加速度与测量时间的函数关系，据此外推目标在下一时刻的空间位置坐标、速度和加速度等运动参数[4]。

将目标的速度参数反馈给光电经纬仪自身的伺服控制系统，作为目标继续跟踪捕获的参考。

这在光电跟踪测量领域中，对提高光电经纬仪的跟踪测量精度具有非常重要的现实意义，也是今后该领域研究的目标和方向。

1.2国内外光电经纬仪技术的研究现状

光电经纬仪作为现代化靶场最基本的光电测量仪器，被广泛应用于航空航天以及武器试验等军事科研领域。

从60年代初期开始，国内的一些研究所和高校开始自己研制靶场试验专用光电经纬仪。

其中，最具有代表性的研制单位是长春光机所和成都光电所，这两个研究所研制的靶场专用大型光电经纬仪代表了国内光电经纬仪技术的最高水平[5]。

图1.1光电经纬仪

60年代中期，长春光机所就己经研制了第一台光学电影经纬仪。

60年代末，第二台光学电影经纬仪成功问世，这台经纬仪安装了光学轴角编码器，并且可以实时地对外输出测量角度值。

在70年代生产的经纬仪，己经采用激光测距仪实现激光测距的功能，并且安装有电视实时记录目标序列图像[6]。

80年代中期的第四代光学电影经纬仪，己经采用集成电路、微处理机等技术，可以实现变焦距捕获电视、红外、程序引导等多种跟踪手段，并且具有跟踪精度高、测量距离远等优点。

如今，在崭新的21世纪，长春光机所所生产的全新光电经纬仪不仅安装了全波段传感器，而且具有大口径、测量精度高、作用距离远的优点，能够全天候的工作，并且具有一定的对抗功能，在靶场光电跟踪测量领域，光电经纬仪己经成为了必不可少的试验工具。

国外的导弹试验靶场配备的光电经纬仪不仅数量多、测量精度高，而且更新换代速度非常快。

图1.2是美国的靶场光电经纬仪正在对发射的导弹进行跟踪测量试验的图片。

图1.2国外的光电测量系统

早在1791年，英国的威廉·康格里夫就在英格兰伍尔威奇兵工厂用小型望远镜跟踪了射程高达4570m的“康格里夫”火箭。

而真正开创了光学测量界先河的是美国的戈达德夫人，她在1926年，用锡尼柯达摄影机对罗伯特H-戈达德博士的液体火箭研制过程做了摄影记录[7]。

1937年，德国的冯布劳恩用阿斯卡尼亚经纬仪加装16mm的摄影机，用于320公里试验射程的V-2火箭轨迹的拍摄。

在1940年，第一台电影经纬仪（KTH-41）正式装备德国的佩内明德试验靶场。

至20世纪70年代初，美国的太平洋导弹靶场就己经装备了23台电影经纬仪，而大西洋导弹靶场仅次于太平洋导弹靶场。

1993年，美国的BoeingDuluth公司研制出了高性能光电测量系统，它具有反应速度快、体积小、质量轻等特点。

国外光电经纬仪的型号主要有KTH-500，RA-SUM，EOTS，GEODSS，K-400，RADOT，KINETO，MAST等[8]。

在现代化靶场上，光电经纬仪的工作状态主要有两种：

固定站形式和活动站形式。

而活动站的工作状态又分为两种：

一种是把光电经纬仪安装在车载平台上；一种是把光电经纬仪直接安装到轮船的甲板上。

国内靶场的光电经纬仪大都采用固定地基式的工作方式，这种安装方式虽然机动性能差，但钢筋混凝土结构的地基可以使光电经纬仪平稳地工作，且带动误差小。

因此，光电经纬仪在跟踪测量过程中产生的测量误差也比较小。

本文主要的研究对象是新型具有激光距功能的固定站式大型光电经纬仪。

1.3光电经纬仪测速方法和应用现状

在靶场上，光电经纬仪对目标进行跟踪测量时，跟踪精度与响应速度是其实现精密跟踪的关键，而获取目标的运动特性是跟踪系统的主要技术要求。

其中，目标的运动特性主要包括目标的距离、空间位置坐标、速度及加速度等。

因此，获得目标的速度并提高其测量精度，这在光电经纬仪的目标跟踪测量过程中具有非常重要的意义。

通过阅读大量的国内外文献：

发现以往光电经纬仪对目标进行跟踪测量试验时，对目标的测速方法和测速精度方面的研究，都是基于目标图像处理或姿态测量等问题，没有进行过系统的研究，并且从没有在真正的意义上提出过测量目标速度及提高其测量精度等方面的研究课题。

而且在光电经纬仪的跟踪测量系统技术指标一览表上，也从没有提出过其对目标速度的测量精度这一技术指标。

因此，通过光电经纬仪输出的测量数据，计算测量目标的速度、对测速误差来源进行分析及提出提高测速精度的方法显得尤为重要。

由于光电经纬仪不能直接输出运动目标的速度，因此，为了获取跟踪目标的速度及其测量精度，需要对光电经纬仪输出的测量数据进行数据处理。

首先，根据光电经纬仪输出的测量数据计算目标的空间位置坐标。

其次，采用曲线拟合的方法拟合目标的运动轨迹。

最后，对目标的轨迹函数进行微分运算，即可得到对应的速度值。

综上，获得了目标的速度值之后，根据函数误差传递原理及误差合成原理分析经纬仪测量误差对速度精度的影响因子。

1.4报告主要研究内容及结构安排

本文主要针对靶场试验用光电经纬仪不能实时输出跟踪目标的速度这一问题展开研究。

利用光电经纬仪输出的目标方位角、俯仰角以及目标距离信息，首先通过坐标计算和坐标转换得到目标的空间位置。

其次，采用相应的曲线拟合算法得到目标的运动轨迹曲线函数。

最后，通过微分运算得到目标的速度，并分析测速误差的来源，及测量误差对测速精度的影响因子。

因此，本论文的主要研究内容包括以下五个章节：

第一章为绪论。

主要介绍了本课题的研究背景和意义，以及光电经纬仪技术的研究现状。

重点分析了光电经纬仪测速方法、理论及应用的研究现状和问题。

最后介绍了本文的主要研究内容及结构安排。

第二章主要介绍了目标跟踪测量的理论基础。

首先阐述了目标空间定位过程中常用的坐标系及其坐标转换方法。

其次论述了目前常用的目标空间定位方法及理论，为后面第三章的研究内容做好了铺垫。

最后是对第二章节的总结，阐述了基础理论知识的重要性。

第三章给出了测量目标速度的相关算法。

通过第二章对于不同分类方法的介绍，提出了光电跟踪测量中目标空间定位的方法一单站双站综合测量方法，在一定程度上提高了空间定位精度，减小了测速误差。

其次，提出了采用三次样条插值方法拟合目标运动轨迹。

区别于之前的方法，减少了因轨迹拟合过程中带来的拟合残差，使后续对速度的误差分析变得更加简单。

1.5本章小结

本章主要介绍了报告的研究背景和意义、国内外光电经纬仪技术的研究现状，以及光电跟踪测量系统测速的方法、理论应用和工程应用，在此基础上，提出了本文的主要研究内容及结构安排。

第2章跟踪测量理论基础

2.1常用坐标系及坐标转换

2.1.1地心坐标系

地心坐标系是全球统一的坐标系，它包括地心球面坐标系、地心空间直角坐标系、地心大地坐标系三种。

地心坐标系以地球的质心作为坐标原点，以与大地水准面实现最佳密合的地球椭球面作为其基准面。

地心坐标系对航空航天技术、远程跟踪控制技术以及地球科学研究等都具有十分重要的意义，尤其对靶场光电跟踪测量设备而言，地心坐标系作为坐标转换的一个重要中间媒介，起着无可替代的作用。

在光测事后数据处理中，地心空间直角坐标系更适用于光电经纬仪测量数据的处理，因此，本文所涉及的地心坐标系均为地心空间直角坐标系[9]。

图2.1地心空间直角坐标系

如图2.1所示，

为地球中心，是地心空间直角坐标系的坐标原点。

轴是地球自转的旋转轴，指向地球自转轴的方向。

轴与

轴垂直，由地心指向起始大地子午面与赤道的交点。

轴位于赤道面上，

轴与

轴共同构成赤道面，

、

与

三轴符合右手定则[10]。

2.1.2跑道坐标系

跑道坐标系是站心坐标系的一种，主要用来确定目标机体上某点相对于跑道上某固定点位的具体位置，通常以跑道上过某固定点的铅垂线和水平面为基准建立符合右手定则的坐标系[11]。

图2.2跑道坐标系

跑道坐标系的坐标原点

通常为目标机体的起飞点或者着陆区阻拦索的中心点。

轴通常位于水平面内，由坐标原点指向跑道延伸的方向，其方向为从大地北向东顺时针转过

角度。

轴为过坐标原点的铅垂线，且竖直向上为正方向。

轴位于水平面内且过坐标原点，

、

与

构成符合右手定则的空间直角坐标系，如图2-2所示。

2.1.3测量坐标系

测量坐标系也是站心坐标系的一种，主要用来描述目标相对测站的空间位置坐标。

测量坐标系通常采用垂直坐标系，适用于光电经纬仪和弹道相机等现代化靶场光电测量设备。

测量坐标系以设备的垂直轴、照准轴和水平轴的几何交点为坐标原点

。

即为光电经纬仪的光心。

轴过坐标原点

，且指向大地北方向。

轴为经过坐标原点

的铅垂线，向上为正。

轴与

轴同位于过坐标原点

的水平面内，与

轴、

轴共同构成符合右手定则的坐标系[12]，如图2.3所示。

图2.3测量坐标系

2.1.4辅助坐标系

辅助坐标系又称为过渡坐标系，是为了简化计算或易于建模而专门设立的坐标系，它的坐标原点和三个坐标轴的方向可以任意设置[13]。

在获得最终参数估计量之后，需要将坐标值转换到指定坐标系。

例如，在光电经纬仪交会测量目标的空间位置时，首先以某观测站为坐标原点求取目标相对于测量坐标系的空间位置，然后通过辅助坐标系将测量坐标系下的坐标转换到发射坐标系下，得到目标在发射坐标系下的空间位置，使得计算过程得到简化。

2.2直角坐标系之间的转换

以跑道坐标系与地心空间直角坐标系的转换为例，假设目标在跑道坐标系下的坐标可表示为

，在地心空间直角坐标系下的坐标为

，跑道坐标系坐标原点的天文经度、纬度以及

与正北方向的夹角分别为

、

、

，坐标原点相对于地心空间直角坐标系的坐标为

。

设

、

、

分别为跑道坐标系

轴、

轴、

轴绕地心空间直

角坐标系旋转角的旋转矩阵，如（2-1）式所示。

（2-1）

结合上式可得跑道坐标系与地心空间直角坐标系的转换关系为：

（2-2）

其他坐标系间的转换同理。

2.3目标空间定位方法

2.3.1单站定位

靶场上，单台光电经纬仪对目标进行跟踪测量时，只能得到目标的方位角和俯仰角，只根据测角信息不能测得目标在每个时间点的空间位置，因此，在光电经纬仪上加装激光测距仪，并在目标机体上加装激光合作目标。

这样，不仅可以获得目标在每一时间序列