機載光電吊艙線性位移補償方法

范本果，軒新想，姜 林，許祥馨

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，無人機的功能、性能得到了飛躍式的提升，無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應用也越來越廣泛。機載光電吊艙是無人機的重要載荷之一，幾乎已經成為偵察無人機、察打一體無人機的標準配置。

機載光電吊艙可配裝可見光攝像機、紅外熱像儀、大面陣照相機、激光測照器等多種成像探測傳感器，掛載在無人機、有人機、飛艇等機載平臺上，完成空對地、空對空等應用場景下的全天候、全天時的多譜段圖像偵察、目標跟蹤、目標定位、激光照射引導以及情報態(tài)勢感知等功能[1-2]。

光電吊艙一般安裝陀螺儀，通過伺服控制算法實現(xiàn)對慣性空間的角運動隔離。當載機進行角運動時，光電吊艙伺服控制組件可通過伺服控制算法完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)慣性空間穩(wěn)定，控制光電吊艙的光軸實時指向目標。但是當載機在空中進行高速線性運動時，光電吊艙的瞄準線指向無法抵消由于載機線性運動帶來的視軸偏移，光電吊艙的光軸指向、成像視場會隨著載機的線性運動而快速變化，給目標成像偵察、目標跟蹤、目標激光照射引導等功能的實現(xiàn)帶來了不好的影響[3]。

為了抵消載機線性運動帶來的瞄準線指向變化，通常有以下兩種方法可供采用。

（1）手動操控模式。光電吊艙處于手動模式，光電吊艙操作手通過操縱桿，不斷操控光電吊艙，使光電吊艙的瞄準線指向目標。采用這種方法，會造成成像場景的不流暢，而且會大大增加操作手的壓力和工作難度，不利于長時間和對目標進行高效偵察。

（2）自動跟蹤模式。光電吊艙處于自動跟蹤模式，光電吊艙操作手通過圖像自動跟蹤模式，選定目標進行圖像跟蹤。目標跟蹤穩(wěn)定后，光軸指向精度較高，但是在某些目標圖像特征不明顯的情況下，容易丟失目標。丟失目標后，較難再次捕獲原目標，并且不利于長時間工作。

本文提出適用于機載光電吊艙的線性位移補償方法，通過獲取載機在“東北天”坐標系下的線性速度量、橫滾角、俯仰角及偏航角等姿態(tài)信息，光電吊艙自身的方位角、俯仰角架位信息，載機相對地面的垂直高度等信息，通過綜合運算、誤差補償、坐標矩陣轉換，計算出目標相對于光電吊艙的斜距，從而計算出目標相對于光電吊艙的角速度，將角速度量補償給光電吊艙的伺服組件，可實現(xiàn)光電吊艙的瞄準線實時指向目標，實現(xiàn)對目標區(qū)域“粗跟蹤”的效果[4]。雖然光軸指向精度不如自動跟蹤模式，但是在目標成像偵察使用友好性、長時間應用、減輕操作手工作壓力等方面，使用效果較好，可大大提升機載光電吊艙的任務執(zhí)行能力。

1 線性位移補償方法基本原理

線性位移補償方法的基本原理是，光電吊艙的主控系統(tǒng)接收機載慣導系統(tǒng)在“東北天”坐標系下的線性速度矢量，根據(jù)飛機的俯仰角、橫滾角、偏航角姿態(tài)變換矩陣，再結合光電吊艙自身的方位角、俯仰角信息，構建光電吊艙線速度坐標系，通過光電吊艙與目標之間的斜距估算，計算光電吊艙相對于光軸指向區(qū)域的相對運動角速度，開啟角速度補償，最終實現(xiàn)光軸指向的角速度量自動補償，使得目標區(qū)域相對光電吊艙的成像視場、光軸指向保持不變，為后續(xù)的光電吊艙手動操控、自動跟蹤、圖像處理等操作提供支撐[5-7]。

2 線性位移補償方法基本流程

線性位移補償方法的工作流程如下：

（1）主控接收地面控制站“線性位移補償開啟”控制指令；

（2）主控進入“線性位移補償”功能處理函數(shù)，進行20 ms 周期性運算；

（3）根據(jù)從飛機慣導設備接收的東向速度、北向速度、天向速度，構建“北東地”速度坐標矩陣；

（4）速度矩陣通過姿態(tài)角旋轉矩陣轉到飛機導航坐標系（前右下坐標系）矩陣；

（5）前右下坐標系矩陣旋轉到方位、俯仰線速度坐標系矩陣；

（6）計算視軸目標在地理系下的俯仰角，根據(jù)地面海拔高度裝訂數(shù)據(jù)，估算目標斜距；

（7）根據(jù)線速度坐標系矩陣計算方位、俯仰角速度；

（8）光電吊艙伺服系統(tǒng)按照伺服“手動”功能，發(fā)送方位角速度、俯仰角速度，保持視軸基本指向目標區(qū)域不動。

3 線性位移補償方法具體解算過程

式中：γ為飛機慣導系統(tǒng)輸出的橫滾角。

（3）飛機導航坐標系下的速度表示矩陣VM，經過兩次坐標矩陣變換，得到光電穩(wěn)瞄系里的線速度矩陣坐標為Vo：

XYZ坐標系為飛機“前右下”坐標系，X′Y′Z′為線速度坐標系矩陣。坐標系如圖1 所示。

圖1 前右下坐標系旋轉到目標線速度矩陣坐標系

兩次坐標矩陣變換旋轉順序為：XYZ坐標系先繞Z軸旋轉α-90°，再繞X軸旋轉-β-90°，得到最終相對于目標的線速度坐標系矩陣X′Y′Z′。

（4）計算光電吊艙與地面目標的實際斜距，獲取光電吊艙與光軸指向目標的距離一般有兩種方法：一是通過光電吊艙配裝的激光測距機對目標進行激光測距，得到光電吊艙與光軸指向目標的距離，但是這種方法需要開啟激光測距機，無法保證一直開啟，且長時間進行測距操作，容易引起激光測距機超溫和人員疲憊。二是通過地面裝訂海拔高度，配合機載慣導設備的海拔高度，得到光電吊艙距地面的相對高度，通過三角函數(shù)運算，得到光電吊艙距目標的斜距。同時要考慮到，飛機在空中的姿態(tài)角度不是絕對水平狀態(tài)，不應采用光電吊艙的俯仰角進行斜距距離計算，而應該采用目標在地理系里面的俯仰角數(shù)據(jù)進行俯仰角、目標斜距計算。

具體計算步驟如下所示。

光電吊艙指向目標后，光電吊艙顯示方位角為α，俯仰角為β，因只是計算光電吊艙光軸指向在“北東地”地理系里面的俯仰角度，所以可以選取光軸指向上的1 m 距離的目標進行后續(xù)運算，則目標在光電穩(wěn)瞄系里面的定義為：

“北東地”坐標系和俯仰角β′如圖2 所示。

圖2 “北東地”坐標系下求地理坐標系俯仰角

根據(jù)“北東地”地理坐標系表示方法，計算光軸指向的地面目標在“北東地”地理坐標系里的俯仰角β′。

計算光電穩(wěn)瞄系里的最終方位角速度、俯仰角速度。方位角速度為Vox/(d×cosβ)，俯仰角速度為-Voz/d。

按照伺服“手動”模式，經過弧度轉換，將計算完成的角速度數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服單元對應的方位角速度、俯仰角速度，進行最終的線性位移速度補償。

4 掛飛驗證

光電吊艙線性位移補償方法已經掛載在高空高速無人機載機平臺上，進行了多個飛行架次的驗證。飛行高度7 000 m，距目標斜距在18 km 左右，線性位移補償方法（LMC）開啟后，系統(tǒng)能夠實時解算光電吊艙光軸指向相對于地面目標的角速度進行反饋補償，光電吊艙光學視場畫面可長時間地保持相對地面區(qū)域不動，達到了很好的對目標區(qū)域的自動速度補償效果，極大地提高了對地面目標偵察、目標跟蹤的效率和友好性。線性位移補償方法掛飛試驗效果如圖3 所示。

圖3 線性位移補償方法掛飛試驗效果

5 結 語

本文提出的線性位移補償方法，已經過某型高空高速察打一體無人機平臺飛行驗證。試驗結果表明，線性位移補償算法開啟后，系統(tǒng)能夠實時解算目標相對于光電系統(tǒng)的角速度，通過反向補償給伺服運動系統(tǒng)，光電吊艙的光軸指向能夠實時指向目標區(qū)域。