光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术.docx

1、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月第 1 章 绪论 错. 误！未定义书签。1.1课题背景及研究意义 11.2国内外光电经纬仪技术的研究现状 11.3光电经纬仪测速方法和应用现状 31.4报告主要研究内容及结构安排 41.5本章小结 5第 2 章 跟踪测量理论基础 错. 误！未定义书签。2.1常用坐标系及坐标转换 62.1.1地心坐标系 62.1.2跑道坐标系 72.1.3测量坐标系 72.1.4辅助坐标系 82.2直角

2、坐标系之间的转换 82.3目标空间定位方法 92.3.1单站定位 92.3.2双站交会定位 102.3.3纯测距信息定位 112.4 本章小结 11第 3 章 光电跟踪测量 错. 误！未定义书签。3.1 激光测距仪 123.2 单站双站综合测量 133.3本章小结 14参考文献 错. 误！未定义书签。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

3、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

4、，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

5、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。8

6、0 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

7、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

8、。 1993年，美国 的 Boeing Duluth 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

9、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

10、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

11、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

12、，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

13、 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

14、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， Oa为地球中心， 是地心空间直角坐标系的坐标原点。 Za轴是地球自 转的旋转轴，指向地球自转轴的方向。 Xa轴与 Za 轴垂直，由地心指向起始大地子午面 与赤道的交点。 Ya轴位于赤道面上， Xa轴与 Ya轴共同构成赤道面， Xa、Ya与Za三轴 符合右手定则 10

15、 。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 Ob 通常为目标机体的起飞点或者着陆区阻拦索的中心点。Xb 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。 Yb轴为过坐标原点的铅垂线，且竖直向上为正方向。 Xb 轴位于水平 面内且过坐标原点， Xb 、Yb与Zb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

16、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 Oc。Oc 即为光电经纬仪的光心。 X c轴过坐标原点 Oc ，且指向大地北方向。 Yc 轴为经过坐标原点 Oc的铅垂线，向上为正。 Zc轴与 Xc轴同位于过坐标原点 Oc的水平面内，与 Xc轴、Yc 轴共同构成符合右手定则的坐标系 12，如图 2.3 所示。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。

17、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 Xb Yb Zb ，在地心空间直角坐标系下的坐标为 X a Ya Za ，跑道坐标系 坐标原点的天文经度、纬度以及 X b与正北方向的夹角分别为 L0、B0、 0 ，坐标原点相 对于地心空间直角

18、坐标系的坐标为 X a Ya Za 。设Rx 、Ry 、Rz 分别为跑道坐标系 Xb轴、 Yb轴、 Zb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。1 0 0 Rx 0 cos sin0 sin coscos 0 sin2-1)Ry 0 1 0sin 0 coscos sin 0Rz sin cos 00 0 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：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

19、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 列上的方位角 Ai 、俯仰角 Ei 的测量值，还可以得到目标距光电经纬仪光心的距离值 Ri ， 进而可以得到目标的空间位置坐标，如图 2.4 所示。图 2.4 单台光电经纬仪匹配激光测距仪定位由此可见，单台光电经纬仪匹配激光测距装置，观测站能够获得目标的距离值 R、方位角 A、俯仰角 E 三个信息，完全可以确定目标的空间位置 14 。靶场上采用单台光 电经纬仪对目标进行空间定位比较容易实现， 因此，单站定位方法得到了越来越广泛的 应用。但单站测量的定位精度低于双站交会测量的定位精度， 尤其是当目标距光电经

20、纬 仪较远时，激光测距仪的测距精度明显降低，更降低了单站测量的定位精度。2.3.2双站交会定位在光电经纬仪不安装激光测距装置或目标机体不加装激光合作目标的情况下，单台 光电经纬仪不能获得目标的空间位置， 只能利用满足交会测量条件 （两观测视线在同一 平面内且相交）的两台光电经纬仪通过交会测量测得目标的空间位置坐标。如图 2.5 所示，A、B 两站各有一台光电经纬仪， O1、O2分别为两台经纬仪的光心 位置，它们之间的距离为 L。当目标位于 M i点时，其在测量水平面的投影点， A、B 两 台经纬仪测得的目标的方位角和俯仰角分别为 A1i、A2i 、E1i 。双站交会测量的定位精度高于单站测量的

21、定位精度， 但低于多站交会测量并采用融 合算法处理获取目标空间位置的精度 15 。总的来说，双站交会定位方法计算过程较简单，测量精度较高，实用性比较强。同理，多站交会与双站交会测量类似， 多台经纬仪要同时满足多站布站的原则，多 台经纬仪输出的测量数据较多， 为提高测量精度需要切换交会公式， 因此数据的利用率 低，且带来较多的误差项，后续误差计算较麻烦，因此，本文不过多赘述。 2.3.3纯测距信息定位基地的光电经纬仪一般安装有激光钡 距仪，可以测得目标距经纬仪光心的距离值， 在事后光测数据处理中， 只要有三个或三个以上的激光测距元就可以确定目标的空间位 置。当有三个测站时，我们可以根据测站间的空

22、间几何关系求解目标的空间位置坐标， 因此也称为 3R 测元定位法。图 2.6 3R 测元定位2.4本章小结本章主要介绍了光电经纬仪跟踪测量的理论基础：一、常用坐标系； 如地心空间直角坐标系、 测量坐标系、跑道坐标系、辅助坐标系二、坐标系之间的转换； 介绍了几种常用坐标系之间的转换关系，为后续目标空间 定位打好基础。三、几种常用的目标空间位置的测量方法。通过在实际工程中的应用，对 比数据处理的复杂程度和精确度， 为后面目标空间定位方法的选取提供了依据， 并为计算分析目标的速度提供了参考。第 3 章 光电跟踪测量3.1 激光测距仪激光测距仪是通过测量激光往返目标所需的时间来确定目标距离的一种传感器

23、。激 光测距仪因结构简单、 探测距离远、 响应时间快等优点， 被广泛应用于靶场光电跟踪测 量领域 16。目前，靶场的光电经纬仪大都通过激光测距仪完成高精度空间测距， 与测量 电视输出的数据配合实现单站高精度空间定位。图 3.1 激光传感器工作原理图一般情况下，靶场的光电经纬仪上安装的激光测距子系统由激光器、激光发射装置 和接收装置以及处理电路组成。如图 3.1 所示，传感器工作时，由激光二极管向目标发 射脉冲宽度极窄的激光脉冲， 经目标反射后激光脉冲向各个方向散射， 部分散射光返回 到传感器的接收装置， 记录并处理从激光脉冲发出到返回被接收所经历的时间， 即可确 定目标的距离 16，如式（ 3

24、-1）所示。1R c t （ 3-1）2其中，R 即为光电经纬仪的光心距目标机体的距离， c 为光速， t 为激光脉冲从激光二极管发射到返回至接收器被接收的时间激光测距的误差主要包括系统误差和随机误差， 系统误差事后可得到修正。 测距过程中随机误差的来源主要有：计数器分辨率产生的误差；晶振频率稳定度产生的误差； 触发器和放大器延时产生的误差。因此，激光测距仪测距过程中产生的总误差。为：12 22 32 （3-2）一般情况下激光测距仪的测距精度可做到 1m 。3.2单站双站综合测量在靶场光电跟踪测量试验中， 利用满足交会测量条件的两台光电经纬仪输出的观测 数据就可以确定运动目标在任一时刻的空间位

25、置坐标。 但是，当目标位于两台经纬仪的 基线上方时，通过计算目标的空间定位误差知道定位误差为极大值， 此时，不易选用交 会测量方法 17。因此，本文给出了一种新的测量目标空间位置坐标的方法一单站双站综 合测量方法，基本流程图如图 3.2 所示18 。图 3.2 基本流程图量过程中出现极大测量误差的情况， 以及单站定位过程中目标易丢失的情况， 因此，有 助于提高目标的空间坐标测量精度， 进而提高目标的测速精度 19 。之后，基于三次样条 插值法就可以拟合出目标运动轨迹 20。根据光电经纬仪输出的测量数据， 通过单站双站综合测量方法得到了目标在各时间 节点的空间位置坐标， 即获得了目标的空间离散运

26、动轨迹。 而获取目标的连续运动轨迹 往往是求取目标速度和加速度的前提和必要条件， 因此，选择采用插值方法来获取目标 运动轨迹的变化规律。 鉴于高次插值既不稳定也不收敛的特点， 而低次插值既具有收敛 性又具有一定的稳定性， 因此，选择低次插值方法更具有实用意义。低次插值方法虽然 在插值区间具有连续性， 但在插值节点处的一阶导数却不存在， 而三次样条插值函数由 分段三次曲线并接而成， 不仅在连接点上二阶导数连续、 具有二阶光滑度，还克服了高 次插值既不收敛又不稳定的特点， 因此，更适合运用于目标速度和加速度的进一步求取 20 。具体方法可参照相关专业参考书，本报告中不再赘述。3.3本章小结本章首先

27、主要给出了一种新的光电跟踪测量定位方法：单站双站综合定位方法。这 种方法不仅克服了多站融合测量数据冗余及数据利用率不高的弊端， 还解决了双站交会 测量中会出现极大测量误差的情况，大大地提高了目标空间定位精度参考文献1J.L.Mart nez,et al.Object following and obstacle avoidance using a laser scanner in outdoor mobile robot auriga- . Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligen Rt obots and Systems. pp. 204-209,

28、 19982S.I.Roumeliotis and G.A.Bekey.SEGEMENTS:A layered, dual-Kalman filter algorithm for indoor feature extraction. Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. pp. 454-461, 20003Y. D. Kwon and J. S. Lee. A stochastic map buildin method for mobile robot using 2-D laser range find

29、er. Autonomous Robots. oVl. 7, No.2, pp. 187-200,19994B.Giesler,etal. Fast mapping using the Log-Hough Transformation. Proc.IEEE/RSJ Int.Conf.on Intelligent Robots and Systems.pp. 1702-1707, 19985A.Scott, et al. Quantitative and qualitative comparison of three laser-range mapping algorithms using tw

30、o types of laser scanner data. Proc. IEEE Int.Conf.on Systems, Man, and Cybernetics. pp. 1422-1427, 20006J. Guivant, et al. High accuracy navigation using laser range sensors in outdoor application. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. pp. 3817-3821,20007刘明 .激光在测距方面的应用 .技术监督实用技术 .1999，5

31、8M.D. Adams and A.J. Kerstens. The interpretation of phase and intensity data from AMCW light detection sensors for reliable ranging. Int. J. of Robotics Research. No.5, pp. 441-458, 19969M.Hebert and E.Krotkov. 3D measurements from imaging laser radars: how good are they? . Image and Vision Computing. vol. 10, no. 3, pp. 170-178,199210D.Nitzan, et al. The measurement and use of registered reflectance and range data in scene analysis. Proceedings of the IEEE. vol. 65, no. 2, 197711Cang Ye, Johann Borenstein.Characterization of a 2-D Laser Scannerfor Mobile R