車(chē)載光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位及誤差分析

彭富倫，王 靜，吳頤雷，郭 城

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065；2.海軍駐西安二十所，陜西 西安 710068)

引言

光電偵察車(chē)主要由車(chē)體、光電平臺(tái)和慣性定位定向?qū)Ш窖b置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)慣導(dǎo))三部分組成。其中光電平臺(tái)是偵察車(chē)對(duì)目標(biāo)搜索、跟蹤、觀察、測(cè)量的重要部件，是獲取戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的重要手段，具有時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)[1]。系統(tǒng)通過(guò)可見(jiàn)光攝像機(jī)或紅外攝像機(jī)獲取目標(biāo)相對(duì)車(chē)體的方位角和俯仰角；通過(guò)激光測(cè)距機(jī)測(cè)量目標(biāo)的相對(duì)距離；通過(guò)慣導(dǎo)輸出車(chē)體相對(duì)北-東-天坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換參量；通過(guò)衛(wèi)星定位裝置獲取本車(chē)位置。光電偵察系統(tǒng)將獲取的目標(biāo)相對(duì)位置信息通過(guò)模型運(yùn)算后得到用經(jīng)緯度和高程來(lái)標(biāo)識(shí)的絕對(duì)位置信息。定位精度不僅直接影響系統(tǒng)搜索、捕獲和跟蹤功能，而且影響到后續(xù)火力打擊精度[2]。

由于目標(biāo)定位計(jì)算中使用的模型對(duì)定位精度至關(guān)重要[3]，對(duì)系統(tǒng)的各誤差源進(jìn)行逐一分析，主要影響因素有3類(lèi)：1) 光電平臺(tái)系統(tǒng)誤差包括光電平臺(tái)設(shè)備所引入的瞄準(zhǔn)軸誤差及非剛性安裝基座帶來(lái)的瞄準(zhǔn)軸誤差；2) 光電平臺(tái)系統(tǒng)安裝時(shí)引入的人為誤差；3) 光電偵察系統(tǒng)各傳感器引入的設(shè)備誤差。通過(guò)對(duì)各誤差源的分析、建模和評(píng)價(jià)，為目標(biāo)定位精度的預(yù)估及單項(xiàng)精度分配提供理論支撐[4]和依據(jù)。

基于此，本文提出一種應(yīng)用于車(chē)載光電系統(tǒng)多坐標(biāo)系變換理論的建模方法和誤差分析。首先，基于車(chē)載光電偵察系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，建立目標(biāo)定位模型，推導(dǎo)出各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]；然后，分析系統(tǒng)的誤差來(lái)源并對(duì)引入的誤差進(jìn)行定量分析，給出實(shí)測(cè)誤差數(shù)據(jù)分布列表。

1 目標(biāo)定位原理及模型

1.1 車(chē)載光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)原理

車(chē)載光電偵察系統(tǒng)主要包括：光電平臺(tái)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)。其中光電平臺(tái)上的可見(jiàn)光、紅外探測(cè)裝置和激光測(cè)距機(jī)安裝在同一框架中，此框架可以在方位向和俯仰向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)可見(jiàn)光波段、紅外波段的成像探測(cè)，并實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)的距離、方位角和俯仰角，獲取目標(biāo)的相對(duì)位置信息。慣導(dǎo)裝置與光電平臺(tái)一體設(shè)計(jì)方法，將慣性軸線與光電軸線進(jìn)行校準(zhǔn)，將慣導(dǎo)測(cè)量的姿態(tài)角作為光電平臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)于北-東-天坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換參量[6]，當(dāng)車(chē)體的位置和方向發(fā)生變化時(shí)，慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)角也能夠?qū)崟r(shí)更新。衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供本車(chē)位置坐標(biāo)，光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)原理圖Fig.1 Principle diagram of object detection for electro-optical reconnaissance system

1.2 目標(biāo)定位方法

在測(cè)向+測(cè)距的定位模式下，建立車(chē)載光電偵察系統(tǒng)的目標(biāo)定位模型，需要建立光電坐標(biāo)系、慣導(dǎo)坐標(biāo)系、本地坐標(biāo)系、本地基準(zhǔn)坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系和基于參考橢球的經(jīng)緯度表示等6個(gè)坐標(biāo)系，建立的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。衛(wèi)星定位系統(tǒng)輸出本車(chē)地心坐標(biāo)，光電偵察系統(tǒng)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，通過(guò)激光測(cè)距機(jī)輸出目標(biāo)相對(duì)本車(chē)距離，光電平臺(tái)的軸角編碼器輸出目標(biāo)相對(duì)本車(chē)的方位角和俯仰角，可計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于光電平臺(tái)的位置信息，疊加設(shè)備安裝誤差和慣導(dǎo)姿態(tài)角后，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移和變換，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)本車(chē)的地心坐標(biāo)偏移量，由此最后可計(jì)算出目標(biāo)的地心坐標(biāo)和經(jīng)緯度。

圖2 系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.2 Relationship of coordinate system translation

2 試驗(yàn)分析

2.1 安裝方式

車(chē)載光電偵察系統(tǒng)的可見(jiàn)光探測(cè)器、紅外探測(cè)器和激光測(cè)距機(jī)等傳感器有機(jī)地組合在一起形成全天候、多功能光電設(shè)備[7]，傳感器需緊固在安裝基準(zhǔn)面平行的T型架上，以保持各傳感器瞄準(zhǔn)軸的平行性，同時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安裝也要與光電平臺(tái)的坐標(biāo)系保持平行。因此各設(shè)備的加工和安裝，都需要專(zhuān)門(mén)的工藝約束，任何一個(gè)環(huán)節(jié)控制不好都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備瞄準(zhǔn)軸的偏差，影響觀測(cè)和定位結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)

在試驗(yàn)場(chǎng)地搭建環(huán)境，為車(chē)載光電偵察系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)定位試驗(yàn)，需要利用試驗(yàn)場(chǎng)已知的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為試驗(yàn)參考點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)精度均優(yōu)于0.1 m。將目標(biāo)置于參考點(diǎn)C，車(chē)載光電偵察系統(tǒng)先置于參考點(diǎn)A對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，再移動(dòng)至參考點(diǎn)B再次對(duì)目標(biāo)觀測(cè)。試驗(yàn)前先進(jìn)行慣導(dǎo)尋北操作，開(kāi)啟光電偵察系統(tǒng)可見(jiàn)光/紅外探測(cè)器，搜索并鎖定目標(biāo)后，對(duì)目標(biāo)測(cè)距獲取目標(biāo)相對(duì)偵察系統(tǒng)的距離值，同時(shí)記錄軸角編碼器給出的目標(biāo)相對(duì)方位和相對(duì)俯仰信息，計(jì)算機(jī)通過(guò)總線接收數(shù)據(jù)、融合并處理所有信息，通過(guò)圖2所示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程，計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)光電偵察系統(tǒng)的經(jīng)緯度偏差值，依據(jù)光電偵察系統(tǒng)上的衛(wèi)星定位系統(tǒng)給出本系統(tǒng)的位置信息，可最終確定目標(biāo)的絕對(duì)位置信息。由于車(chē)載光電偵察系統(tǒng)依次在參考點(diǎn)A和參考點(diǎn)B對(duì)位于參考點(diǎn)C的目標(biāo)觀測(cè)，可得到2個(gè)位置數(shù)據(jù)，與已知的參考點(diǎn)C位置信息比對(duì)，完成對(duì)光電偵察系統(tǒng)的精度評(píng)定。試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Block diagram of test system

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

光電偵察系統(tǒng)位于參考點(diǎn)A(××××223.1,××××6843.3)，目標(biāo)位于參考點(diǎn)C(××××761.44,××××2914.41)，在慣導(dǎo)尋北后，對(duì)目標(biāo)連續(xù)觀測(cè)，獲取6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，表明光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位精度優(yōu)于15 m，測(cè)向誤差優(yōu)于0.08°，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

光電偵察系統(tǒng)移動(dòng)到參考點(diǎn)B(××××331.5,××××7 440.5)，繼續(xù)對(duì)參考點(diǎn)C的目標(biāo)觀測(cè)，慣導(dǎo)重新尋北后，對(duì)目標(biāo)連續(xù)測(cè)量獲得6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析計(jì)算表明光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位精度優(yōu)于 ，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)對(duì)以上2個(gè)位置數(shù)據(jù)的試驗(yàn)分析可知，光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位精度可達(dá)到優(yōu)于15 m，測(cè)向誤差優(yōu)于0.08°，而且我們發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，測(cè)向誤差逐漸增加，主要是由慣導(dǎo)的漂移產(chǎn)生。

在測(cè)向+測(cè)距的定位模式下，定位誤差ε可分解為沿瞄線的縱向分量ε1與垂直于瞄線的橫向分量ε2，如圖4所示，目標(biāo)點(diǎn)T，距離觀測(cè)點(diǎn)d，兩點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)的夾角為Δθ，計(jì)算后目標(biāo)點(diǎn)位置落在T′。其中，誤差的縱向分量即測(cè)距誤差，即為測(cè)距機(jī)裝置誤差，該誤差是恒定的；誤差的橫向分量與目標(biāo)距離和定向誤差相關(guān)，可表示為ε2=d·Δθ，通過(guò)減少定向誤差來(lái)控制定位誤差的橫向分量，繼而減少定位誤差，因此可由對(duì)定向誤差的分析來(lái)考核定位精度。

圖4 誤差分解Fig.4 Error decomposition

3 誤差分析

3.1 誤差源

影響光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位精度的主要誤差包括：光電平臺(tái)設(shè)備引入的瞄準(zhǔn)軸誤差、光電偵察系統(tǒng)傳感器引入設(shè)備誤差、光電平臺(tái)系統(tǒng)安裝及測(cè)量時(shí)引入的人為誤差[8]，誤差源分析如圖5所示。

圖5 誤差源分析圖Fig.5 Error-source analysis

由于在同一框架中安裝多個(gè)光電傳感器，其瞄準(zhǔn)軸在安裝時(shí)存在誤差,如圖6所示，這種瞄準(zhǔn)軸誤差在產(chǎn)品出廠前可進(jìn)行控制[9]；光電設(shè)備誤差主要是由慣導(dǎo)姿態(tài)角測(cè)量、激光測(cè)距機(jī)測(cè)距和導(dǎo)航定位等組成,并且在系統(tǒng)安裝和測(cè)量過(guò)程中，也會(huì)無(wú)法避免引入人為誤差。

圖6 多傳感器瞄準(zhǔn)軸正面圖和側(cè)視圖Fig.6 Front view(left) and side view(right) of multi-sensor aiming axes

3.2 引入的誤差分析

表3 各誤差源引入誤差數(shù)據(jù)分析Table 3 Data analysis of errors from various error sources

4 結(jié)論

本文以車(chē)載光電偵察系統(tǒng)為應(yīng)用背景，提出了一種基于三維系統(tǒng)理論的目標(biāo)定位模型，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論分析和具體的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1) 車(chē)載光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位模型，將各傳感器測(cè)量的信息進(jìn)行融合處理，最終得到的目標(biāo)定位數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；

2) 影響目標(biāo)定位的因素主要包括：在測(cè)向+測(cè)距的定位模式下，定位誤差ε可分解為沿瞄線的縱向分量ε1與垂直于瞄線的橫向分量ε2。其中，誤差的縱向分量即測(cè)距誤差，亦即測(cè)距機(jī)裝置誤差，該誤差是恒定的；誤差的橫向分量與目標(biāo)距離和定向誤差相關(guān)，可表示為ε2=d·Δθ，通過(guò)減少定向誤差來(lái)控制定位誤差的橫向分量，繼而減少定位誤差，因此可由對(duì)定向誤差的分析來(lái)考核定位精度。根據(jù)仿真分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，光電偵察系統(tǒng)目標(biāo)定位精度可達(dá)到優(yōu)于15 m，測(cè)向誤差優(yōu)于0.08°。

3) 文中誤差分析與建模方法適用于各種光電平臺(tái)的目標(biāo)定位設(shè)計(jì)。

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