机载光电成像平台的目标自主定位

机载光电成像平台的目标自主定位　刘晶红，沈宏海，孙树红，孙辉，王长旭　（中国科学院长春精密机械与物理研究所，吉林长春　１３００３３）　１　概述　机载光电成像平台就是挂装在飞机上，用于对　地面目标进行实时侦察、跟踪和测量定位的光电成　像设备，具有时效性强、机动灵活等特点。　重要作用：　２００２年１１月３日，美国中情局官员接到情报，　得知在玛里布山脉的一个农场里，拉登的心腹、　“基地”头目阿布・阿里正与另外５个同伴乘坐一辆　黑色丰田越野车，高速行驶在也门西北部地区。根　据线索，美国的一架“捕食者”无人战机很快发现　了目标，并准确及时地把红外线图像和车的位置源　源不断地传播到某个遥远的地面控制站。这时恐怖　分子根本没有想到自己的一举一动已被远在数百公　机载光电成像平台从侦察和测量角度分为２　类：侦察平台和侦察测量定位平台。　侦察平台没有激光测距机，只能侦察，不能进　行目标定位，其特点是体积小、重量轻、造价低。　侦察平台也可进行目标低精度定位，如图１所示，　通过已知的飞机高度计算目标斜距，但一般情况　下．高度测量精度较低。　里以外的电脑所监视，只要电脑操作员轻轻点击一　下鼠标，就可以轻而易举地决定他们的生死。当车　辆驶向沙漠时，　“捕食者”无人战机根据地面指令　向那辆越野车发射了一枚“地狱火”导弹，车上的　恐怖分子就这样糊里糊涂地丢了性命。　“捕食者”无人战机的工作过程如图２所示。　图１用飞机高度计算目标斜距进行定位　侦察测量定位平台一般带有激光测距机，能够　进行目标精确定位。　通过下面的实例可以看出侦察测量定位平台的　图２“捕食者”无人战机的工作过程　丝　维普资讯 http://www.cqvip.com 由此可见．在现代化战争中，侦察测量定位平　台对目标的实时精准定位，对实现对敌快速打击具　有非常重要的作用。　２机载侦察定位设备的发展现状　国外在机载侦察设备方面的研制早在２０世纪　６０年代初就起步了，发展至今技术上最先进的国家　为美国和以色列，　“全球鹰”和“捕食者”是美国　国防部最为欣赏的２种无人机侦察系统。　“全球鹰”无人机是美国诺斯罗谱・格鲁曼公司　研制的高空高速无人侦察机。是目前无人机中飞行　时间最长，飞行距离最远、飞行高度最高的无人机．　也是当今世界上最先进的无人侦察机系统。　“捕食者”无人机的研制者是美周通用原子公　同３美团“捕食者”无人机侦察系统　司　“捕食者”是目前美军最重要的远程中低空侦　察监视系统。　以高空监视方式工作的“全球鹰”无人机每天　可监视４万平方海里的范围，２０　０００　ｍ高空下，目　标定位精度可达１２　ｍ；低空飞行的“捕食者”无人　机１　２００　ｍ空中目标定位精度可达０．３　ｍ。两者配合　协同作战，可对需要的目标进行多角度、多层次的　侦察。　国内在机载成像设备方面的研制则起步于２０　世纪８０年代末．目前根据不同的用途和功能划分也　已形成系列化，但定位精度等指标同美国最先进的　无人机侦察系统相比还有一定差距。　３机载成像设备的目标定位介绍　３．１　机载成像设备的目标定位方式　机载侦察平台的定位方式分为非自主定位和自　主定位２种方式．目前国内的机载成像定位设备能　够对地面目标进行侦察、跟踪和测量，但不能独立　实现对目标的定位。通常情况下，成像平台将自身　相对飞机的角度值和对目标的激光测距值传给飞机，　飞机将其与飞机上的ＧＰＳ、惯导数据结合在一起，　通过坐标变换，完成目标定位，也就是说完成目标　定位这项工作最终是由飞机系统来完成　为非自主定　位方式。　非自主定位方式的优点：　ａ．能够与飞机上的ＧＰＳ、飞机姿态测量系统　（惯导）共享资源，节约成本：　ｂ．减轻飞机的载荷负担。　自主定位方式的优点：　ａ．消除了减振器位移误差：　在非自主定位系统中对定位精度影响最大的就　是减振器。光电平台的测距误差、测角误差和航姿　系统误差都是明确的，只有减振器这个环节不是确　定的，因为飞机的姿态变化和各种振动带来的角位　移误差是不确定的。而这种能够自主稳定的光电平　台则去掉了减振器这个环节，其先进性非常明显　ｗｗｗ．ｏｍｅｉｎｆｏ．ｃ　ｏｍ．ｃｎ１２５　ＪＪａｎ．ａｎ．　ＺＩ，ＩｚＩＪＩＪ，　＿＿—一　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｂ．消除了与飞机的安装误差：　ｃ．不存在与飞机时统同步的问题：　ｄ堵旨够大幅缩短试验周期：　ｅ．应用更加广泛（可挂装任意飞机上，也可船　载、车载）。　３－２光电平台目标定位系统组成及简要工作过程　３．２．１　系统组成　光电平台目标定位系统由光电侦察平台、ＧＰＳ　定位系统和航空姿态测量系统组成。其中．光电侦　察平台包括摄像机（可见光或红外）、电视跟踪器、　地面目标　图４光电平台目标定位组成　激光测距机机角度传感器等，如图４所示。　３．２．２　目标定位系统的工作过程　ＧＰＳ定位系统和航空姿态测量系统固定于光电　侦察平台水平基准面上。光电平台搜索到地面目标　后，将目标锁定在视场中心，输出视轴相对航空姿　态测量系统的方位角和俯仰角以及光电侦察平台相　对目标的距离．同时采集ＧＰＳ定位系统输出的定位　数据和航空姿态测量系统输出的光电侦察平台姿态　数据，进行坐标转换，最后解算出目标定位数据。　３．２．３　目标定位的坐标转换方法　由于光电侦察平台、ＧＰＳ和航空姿态坝０量系统　所输出的数据分别相对于不同的坐标系，因此需要　进行坐标变换。坐标转换过程如图５所示。　３．２，３．１航姿坐标系　航姿坐标系的原点定义为航空姿态测量系统质　鱼卜　　ｊ航姿　—一ｊ　航姿地理　Ｊ　ｊ　ＷＧＳ一８４｛　Ｌ　坐标系　ｌ　　Ｉ坐标系　一ｌ坐标系ｌ　图５　目标定位的坐标转换方法　心，　轴定义为航空姿态钡０量系统的ｏ３Ｙ￣，ｙ轴定　义为航空姿态测量系统的９０。方向，ｚ轴通过右手螺　旋定则确定。如图６所示。　图６　目标与航姿坐标系的关系　从图中可以看出　ｘ＝Ｌｃｏｓｏｌｃｏｓ０　（１）　ｙ＝ＬｃｏｓｏｌｓｉｎＯ　（２）　ｚ＝Ｌｓｉｎｏｔ　（３）　其中　、　、　分别为光电平台到目标的距离、　光电平台相对航姿系统的俯仰角和方位角。　３．２－３．２航姿地理坐标系　航姿地理坐标系为ＮＥＤ（Ｎｏｒｔｈ　Ｅａｓｔ　Ｄｏｗｎ）坐　标系，其原点定义为航空姿态测量系统质心，　轴　（Ｎ）定义为地理指北针方向（北），Ｙ轴（Ｅ）定义为　地球自转切向（东），ｚ轴（Ｄ）定义为航姿到地平　面之垂线，并指向下。　航姿坐标系到航姿地理坐标系的转换通过通过　３个参数旋转而成，即“航姿航向角’’ＪＢ，　“航姿俯　仰角”　，　“航姿横滚角”　，经过矩阵变换推导，　得出目标在航姿地理坐标系中的坐标为：　ｘ＝ｘ，ｃｏｓｓｃｏ￣＋ｙ，（ｓｉｎｅｃｏｓ／￣ｓｉｎｙ—ｓｉ　ｃｏｓｔ）＋　（ｓｉｎ　ｃｏ　一ｓｉ　ｓｉｎｙ）　（４）　ｙ＝ｘｐｃｏｓｓｓｉｎｙ＋ｙｐ（ｓｉｎｓｓｉｎ［３ｓｉｎｙ－ｃｏｓ／３ｃｏｓｙ）＋　ｚｐ（ｓｉｎ￣ｓｉｎ／３ｏｓｙ－ｃｏ￣ｓｉｎｙ）　（５）　ｚ＝－ｘｐｓｉｎｓ＋ｙｐｃｏｓｓｓｉｎｙ＋ｚｐｃｏｓ６ｏｓｙ　（６）　维普资讯 http://www.cqvip.com ３．２－３．３　ＷＧＳ一８４坐标系　术”密切相关的因素包括如下几方面：　ＷＧＳ一８４世界大地坐标系即美国国防部１９８４　年世界大地坐标系ｆＧＰＳ采用ＷＧＳ一８４）。其坐标原　点是地球质心，　轴指向ＢＩＨ１９８４．０定义的协议地极　１．卫星导航定位系统的发展趋势；　２．惯导技术的发展；　３．发展新型的带有超光谱相机的光电侦察平台。　４．１　卫星导航定位系统　ｆＣＴＰ）方向，　轴指向ＢＩＨ１９８４．０的零度子午面和ＣＴＰ　赤道的交点，Ｙ轴和　、　轴构成右手坐标系。　在ＷＧＳ一８４坐标系中，长半轴０为６　３７８　１３７ｍ；　短半轴ｂ为６　３５６　７５２　ｍ；扁率－厂　９８２５７　２２３　５６３；　ｅ为椭球第１偏心率；Ⅳ为椭球卯酉圈曲率半径。　根据空间直角坐标与大地坐标的关系．目标在　ＷＧＳ一８４大地坐标系中的坐标根据以下公式可以　推出。大地坐标系是采用大地经度（Ｌ）、大地纬度　（Ｂ）和大地高（Ｈ）来描述空间位置的。纬度是空　间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角．经度　是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考　椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考　椭球的法线方向到参考椭球面的距离。　设飞机所在位置的大地经度为　、大地纬度为　Ｂ。、大地高为Ｈｏ。则目标在ＷＧＳ一８４大地坐标系中　的空间坐标　。，Ｙ。，　。）为：　ＸＩ＝－ｘｃｏｓＬ￣ｉｎ　ｏ＿＿ｙｓｉｎＬｏ－ｚｃｏｓＬ￣ｏｓＢｎ＋　（Ⅳ＋厶ｒ０）ｃｏｓＬ￣ｏｓＢｏ　（７）　Ｙ　Ｊ＝－ｘｓｉｎＬ￣ｉｎＢｏ＋ｙｃｏｓＬｏ－ｚｓｉｎＬ￣ｏｓＢ０＋　（Ⅳ＋厶『０）ｓｉｎＬｏｃｏｓＢｏ　（８）　ｚ￣＝ｘｃｏｓＢｏ－ｚｓｉｎＢｏ＋ＩＮ（１－ｅ：）＋厶ｒ０］ｓｉｎＢｏ　（９）　＝ａｒｃｔｇ上Ｌ　（１　Ｏ）　ｌ　　：ｌ＞０　ｉ　：｛竹也，ＸＩ＜０且Ｙｌ＞０　（１１）　』－＇ｒｒ＋Ｌ，ＸＩ＜０且ｙｌ＜０　陆ｒｃｔｇ［赢＋（卜Ⅳｅ州２ＮＩ，　］　ｃ　２　：　ｃｏｓＢ一Ⅳ　４未来展望　未来－ｂ“机载光电侦察平台目标自主定位技　目前全球有有四大卫星定位系统：　美国的全球卫星导航定位系统ＧＰＳ；俄罗斯的　ＧＬＯＮＡＳＳ系统：欧洲在建的“伽利略”系统；中国　的北斗系统　４．１．１　美国的ＧＰＳ系统　ＧＰＳ系统透过２４颗卫星构成的卫星网，能够有　效覆盖全球大约９７％的面积。目前，我国飞机导航　定位及机载设备的目标定位主要依赖于ＧＰＳ系统。　处于受制于人的状态，一旦发生战争．美国关闭应　用，则后果不堪设想。　俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ系统　ＧＬＯＮＡＳＳ系统是目前唯一能与ＧＰＳ系统抗衡　的卫星导航定位系统，但目前在轨星仅有６颗可以　使用。不能独立组网。只能与ＧＰＳ联合使用。　为了增加可靠性．目前国内无人机大多采用　ＧＰＳ＋ＧＬＯＮＡＳＳ双机定位　４．１．３欧洲在建的“伽利略”系统　正在加紧建设的欧洲“伽利略”定位系统。规　划３０颗卫星。最高精度比ＧＰＳ高１０倍。我国近年　来积极参与欧盟“伽利略”全球卫星导航计划．意　图制衡美国ＧＰＳ。但事实上。美国已和欧盟达成协　议，凡作为军事用途的伽利略系统，一律不对包括　中国在内的第３国开放使用。因此这种“以欧制美”　的想法很可能无法实现。这样，未来我国只能独立　自主地完善适于自己国情的卫星定位系统。　４．１．４　中国的北斗系统　近几年来，我国的北斗系统在军事应用方面已　经取得越来越重要的作用。目前．我国的无人机大　多采用ＧＰＳ＋ＧＬＯＮＡＳＳ双机定位＋ＪＬ斗定位系统双备　份的形式，增加系统的冗余量。一旦国外的卫星导　航定位系统不对外开放。至少我国自己还有坚强的　Ｊａｎ　２　。００８　Ｌ二　维普资讯 http://www.cqvip.com

磊盾　但是必须承认，我国的导航卫星系统与美国和　俄罗斯的导航卫星系统相比仍有较大的差距．主要　体现在以下２方面：　１．区域性差距：　２．导航方式上的差距。　我国的卫星导航定位系统采用主动式，具有以　下缺点：隐蔽性差、速度慢、用户数量饱和限制。　要想不受制于人．中国就必须有自主的卫星导　航定位系统，这也是建立北斗系统的意义所在。　中国的北斗导航系统规划由５颗静止轨道卫星　和３０颗非静止卫星组成。４年内可对全球实施精确　覆盖。定位精度为１０　ｍ。定位方式与ＧＰＳ相同，改　为被动式。　４．２惯导技术的发展　４．２．１惯导器件的微型化　惯导技术是航空航天领域的基础技术之一，随　着ＭＥＭＳ（微电子机械系统）技术的发展，惯导器　件的微型化已成为可能。这样既可降低飞行载荷，　也可使机载光电平台在实现自主定位时能够更方便　地应用。并使重量和体积大幅降低。　垄　目前惯导器件的体积和重量严重制约了光电平　台自主定位的发展　４．２．１　惯导器件性价比的提高　目前惯导器件的成本也是严重制约了光电平台　自主定位的发展的另一重要因素之一。　高精度惯导要上百万。几万块钱的精度很低，　在军事应用上不太实用。　４．３发展新型的带有超光谱相机的光电侦察平台　带有超光谱相机的光电侦察平台可以监视几千　条光谱带，能区别伪装网和蔟叶。还能分析坦克涂　料和燃料的化学特征。也就是说，带有超光谱相机　的光电侦察平台能对隐蔽目标进行定位。　５　结束语　我国的机载光电侦察定位技术起步较晚，但近　年来发展很快，与世界先进水平的差距在逐渐缩小。　目前我国已经开始研制微型化的惯导器件和机载超　光谱相机。我国的北斗导航系统也在逐渐完善，相　信在不远的将来我国在航空侦察测量领域必将达到　世界先进水平。（Ｎｏ．６）