淺析大地坐標(biāo)下的目標(biāo)脫靶量交匯測量方法

摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，如何應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段和測量工具實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的動態(tài)跟蹤，成為當(dāng)前軍事領(lǐng)域重要的研究課題。而作為考核導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)脫靶量的精準(zhǔn)處理和測量，在導(dǎo)彈試驗(yàn)中有著重要的意義。本文提出了一種在靶場的目標(biāo)脫靶量測量系統(tǒng)中，應(yīng)用基于大地坐標(biāo)的數(shù)據(jù)交匯方法，并對其進(jìn)行目標(biāo)脫靶量的實(shí)測過程進(jìn)行了分析和探討，以期對實(shí)現(xiàn)精確測量有所借鑒。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)脫靶量；交匯測量；大地坐標(biāo)；測量方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.220

0 引言

在現(xiàn)代新式武器裝備發(fā)展的前提下，為更好地滿足脫靶量精度的需求，就需要采用更為快捷和高效的測量手段進(jìn)行目標(biāo)脫靶量的測量。當(dāng)前我國靶場普遍應(yīng)用的測量模式包括雷達(dá)和光電兩種，實(shí)現(xiàn)對外彈道跟蹤數(shù)據(jù)的獲取就需要借助光電經(jīng)緯儀這一現(xiàn)代化的測量工具。作為一種光、機(jī)、電、算一體化的系統(tǒng)，光電經(jīng)緯儀在地面靶場的測量中發(fā)揮著極其重要的作用。一般來講，測量飛行目標(biāo)的空間位置，要借助三維坐標(biāo)通過對同一目標(biāo)的跟蹤測量和交匯處理才能實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際測量過程中，一般要應(yīng)用兩臺或更多的經(jīng)緯儀設(shè)備。此外，應(yīng)用光電經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)的測量有著較高的測角精度。本文基于交匯測量的原理，提出了以大地經(jīng)緯坐標(biāo)建立空間坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)交匯測量的新方法。首先通過雷達(dá)系統(tǒng)接收兩臺經(jīng)緯儀以及測定靶心的高程數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立直角坐標(biāo)系，并根據(jù)其俯仰角度計(jì)算出不同時刻目標(biāo)的空間坐標(biāo)，以期有一定的借鑒意義。

1 交匯測量原理

1.1 建立空間直角坐標(biāo)系

在目標(biāo)脫靶量測量系統(tǒng)中，分別安排兩臺光電經(jīng)緯儀進(jìn)行布站，設(shè)其原點(diǎn)分別為O1和O2，靶心為O，并假設(shè)p為運(yùn)動的目標(biāo)在空中的瞬時位置，就可以利用經(jīng)緯儀實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤測量。當(dāng)p進(jìn)入經(jīng)緯儀測量范圍中，就能對其方位和俯仰角進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。根據(jù)目標(biāo)測量角度、靶心以及兩經(jīng)緯儀的坐標(biāo)，利用空間幾何的關(guān)系就能解算出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)其為p（x，y，z）。在此基礎(chǔ)上，就能進(jìn)而得出目標(biāo)脫靶量。

如圖1所示，靶心為原點(diǎn)O，兩個經(jīng)緯儀的大地坐標(biāo)就可以設(shè)為（L1，B1，H1）和（L2，B2，H2），原點(diǎn)坐標(biāo)為（L0，B0，H0）。根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算公式，兩經(jīng)緯儀坐標(biāo)原點(diǎn)Oi（x0i，y0i，z0i）就可以表示為：（x0i y0i z0i）T=，則

其中，式中的α表示的是橢球長半徑，而e表示扁率。根據(jù)世界大地坐標(biāo)系WGS-84中的規(guī)范性參數(shù)，其取值一般設(shè)為e=1/298.257，而α=6378137m。從以上坐標(biāo)系中也可以得出，由于經(jīng)緯儀和靶心的位置不同，與之對應(yīng)的坐標(biāo)軸也并不平行。

1.2 計(jì)算目標(biāo)空間坐標(biāo)，完成交匯

光電經(jīng)緯儀根據(jù)空中飛行目標(biāo)的圖像判讀及其成像位置，根據(jù)測量設(shè)備參數(shù)，就能計(jì)算目標(biāo)脫靶量dxi，dyi。量經(jīng)緯儀的觀測直線可以表示為：

在經(jīng)緯儀坐標(biāo)下的方向余弦即（pi′，qi′，ri′），其計(jì)算公式可以表示為：

式中，Ai為方位角，Ei為俯仰角。需要注意的是其中所定義的方向余弦應(yīng)該在各自的坐標(biāo)系中進(jìn)行定義，才能保證數(shù)據(jù)交匯的完成。最后，還需要將兩方向余弦統(tǒng)一在靶心坐標(biāo)系下，因此可以表示為

在此基礎(chǔ)上，可以通過直線參數(shù)方程和最小二乘法求出目標(biāo)坐標(biāo)p（x，y，z），定義為L1，L2的公共垂線與此兩線交點(diǎn)的中心坐標(biāo)，得出如下結(jié)果：

2 目標(biāo)角度測量

2.1 經(jīng)緯儀測量的基本原理

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)原理，利用光電經(jīng)緯儀進(jìn)行測量，將現(xiàn)場中的景物及目標(biāo)物等可以在CCD靶面上進(jìn)行成像處理。其主要通過攝像機(jī)的測量元件，對飛行目標(biāo)進(jìn)行測量，形成相對光軸的方位角和俯視角。如圖2所示，在平面直角坐標(biāo)系OXY中，形成垂直于靶面且經(jīng)過原點(diǎn)的經(jīng)緯儀視軸，就可以將目標(biāo)在現(xiàn)場中的角度與之對應(yīng)。

2.2 視頻圖像的預(yù)處理

借助實(shí)際測量的視頻圖像，經(jīng)緯儀就可以據(jù)此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像信息與背景的分離，準(zhǔn)確獲取目標(biāo)所在的平面位置信息，這也就是目標(biāo)在其中的脫靶量。然后根據(jù)目標(biāo)方位和俯仰角計(jì)算的信息，實(shí)現(xiàn)對角度數(shù)據(jù)的交匯處理，就能較好地得出空間脫靶量。對視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)用的是背景抵消和數(shù)字濾波的技術(shù)，即排除圖像中的噪音干擾，進(jìn)行相減運(yùn)算，并取其適當(dāng)?shù)牧炕撝颠M(jìn)行二值化處理，就能得到較為理想個目標(biāo)圖像。進(jìn)行預(yù)處理的具體流程如圖3所示。

2.3 目標(biāo)脫靶量計(jì)算

基于上述分析，目標(biāo)脫靶量的得出是通過經(jīng)緯儀的跟蹤測量實(shí)現(xiàn)的。就當(dāng)前的跟蹤方式來講，主要有重心、邊緣以及相關(guān)跟蹤三種方式。一般而言，對目標(biāo)圖像的灰度分布進(jìn)行的是重心跟蹤的方式，圖像中的脫靶量就可以用圖像中目標(biāo)重心的偏移量來表示。根據(jù)相關(guān)定義，可以設(shè)經(jīng)過預(yù)處理后的圖像為f（x，y），其應(yīng)該滿足下述條件：

這樣，就能得出圖像中的脫靶量，如下式：

3 結(jié)束語

為有效提升交匯測量的精度，本文提出了利用大地坐標(biāo)，建立空間直線坐標(biāo)軸對目標(biāo)脫靶量進(jìn)行交匯測量的方法，并對其操作過程進(jìn)行了相關(guān)的分析。在上述基礎(chǔ)之上，作為一種新思路，為保證該種方法的測量精度，也可以在具體的實(shí)踐過程中優(yōu)化跟蹤算法或者改善光電成像設(shè)備等，以實(shí)現(xiàn)其在測量目標(biāo)脫靶量中得到較好的應(yīng)用效果。當(dāng)然，在這一方面還需要進(jìn)行相關(guān)深入細(xì)致的研究和探討，才能真正發(fā)揮交匯測量方法的有效性，切實(shí)提高跟蹤測量的精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈國憲，閆軍令，鄭戰(zhàn)輝.基于網(wǎng)絡(luò)的航天靶場大地測量管理系統(tǒng)研究[J].北京測繪，2013（03）：1-4.

[2]曹淑艷，陸秀梅.基于不同參考點(diǎn)選取的導(dǎo)彈脫靶量處理精度分析[J].全球定位系統(tǒng)，2013（05）：77-82.

[3]王麗秋.利用GPS實(shí)現(xiàn)靶場非定點(diǎn)彈道外測的方法研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（09）：50-51+53.