姿态测量激光测距的无人机目标定位模
姿态测量激光测距的无人机目标定位模
作者:毛昭军;汪德虎
不能迅速获取视距外目标的准确坐标和运动参数是限制舰炮对岸范围和精度的主要因素之一, 利用无人机作为远程观测平台为解决这一难题提供了新的出路。而目前无人机采用的实时定位模型存在着突出缺点: 地形复杂地区定位误差较大; 对机动目标连续定位能力缺乏。为了适应作战需要, 有必要提出一种能实时、连续、高精度给出目标坐标的定位模型。在三维坐标系中, 假设存在已知坐标点A , 未知坐标点B , 若已知从A 至B 的矢量A B 的空间指向(姿态) 和模长(距离) , 就可以由A 推算出B 点在此坐标系中的三维坐标。为了满足对激光制导炮弹炸弹进行持续目标指示的需要, 多种无人机都装备有激光测距目标指示器。例如科索沃战争期间, 美军在其 4 架“捕食者”无人机上加装了激光指示器, 取得了良好的作战效果。为了让细小的激光束能保持对目标的持续照射, 激光目标指示器都安装在稳定平台上, 其光轴和照相机 (CCD 摄像机) 光轴保持平行。由此可以设想: 利用CCD 摄像机的姿态信息 (由惯导测得)、投影中心的三维坐标信息、激光目标指示器的测距信息来对目标进行定位。在CCD 摄像机对机动目标实施跟踪时, 如果激光测距仪目标指示器以某一固定脉冲间隔对目标连续测距, 那么通过对获取的一系列采样点进行滤波平滑, 同样可以获取机动目标的速度、加速度和运动方向参数。
1 目标定位原理
111 定位坐标系及其变换矩阵
下面给出本文所需的几个坐标系
①无人机载体坐标系
Y 轴为飞行方向, X 轴指向左机翼, Z 轴和 X Y平面构成右手直角坐标系。
②象空间坐标系
原点为投影中心 S , z 轴和摄影方向相反与光轴重合。通过投影中心作平行于象片面上 x 轴和 y轴的轴线即为象空间坐标系的 x 轴和 y 轴。
③无人机当地水平坐标系
原点为无人机中心, u 轴沿参考椭球面酉卯圈方向并指向东, v 轴沿参考椭球子午圈方向并指向北; w 轴沿参考椭球外法线方向指向天顶。
④发射舰当地水平坐标系
原点为发射舰, u 轴沿参考椭球面酉卯圈方向并指向东, v 轴沿参考椭球子午圈方向并指向北; w轴沿参考椭球外法线方向指向天顶。⑤W GS284 空间直角坐标系
⑥W GS284 大地坐标系
为了分析问题的方便, 假设载体坐标系中心和象空间坐标系原点 (CCD 面阵摄像机投影中心)、激光目标指示器光源中心重合。
112 定位数学模型
利用电视跟踪器和激光目标指示器对目标进行实时定位时, 在象空间坐标系中, 目标的坐标为[ 0, 0, - l ], 根据坐标转换原理, 可以得到在无人机当地水平坐标中目标坐标。在发射舰、无人机和目标之间的距离不大(相对于地球半径) 的情况下, 无人机当地水平坐标系和发射舰当地水平坐标系的坐标轴指向相差是很小的。假设无人机的活动半径为 150km , 且发射舰和无人机始终位于同一纬度线上, 则两坐标系的坐标轴指向偏差。
经过计算, 由此而产生的目标定位误差一般在1m 范围以内, 对舰炮对岸攻击而言, 这样的目标定位误差对射击精度的影响是非常小的。因此, 在定位过程中可以假设无人机当地水平坐标系和发射舰当地水平坐标系的坐标轴指向平行。因而可以直接利用无人机测得的姿态角进行定位计算, 得出目标在发射舰当地水平坐标系内的相对直角坐标。
113 目标定位精度分析
影响定位精度的误差因素主要有以下几个方面:
①无人机三维坐标误差 Ρx 84s, Ρy 84s, Ρz 84s;
②姿态测量误差, 包括 ΡΥ1, Ρϑ1, ΡΞ1, ΡΥ2, Ρϑ2, ΡΞ2;
③目标跟踪时的跟踪误差 Ρg;
④激光指示器校靶误差 Ρb;
⑤激光指示器测距误差 Ρl。
由于对目标跟踪点选取的误差、伺服跟踪系统误差、飞机抖动误差等误差因素的影响, 致使摄像机(激光指示器) 稳定光轴偏离目标中心, 这个误差叫做目标跟踪误差。此误差可以用以毫弧度为单位的瞄准精度来表示。
无人机载激光指示器的激光束中心轴(瞄准线)与摄像机的瞄准线之间不可能绝对平行而存在一个角偏差, 这个偏差量叫做激光指示器的校靶误差。
目前军用激光指示测距仪均为脉冲式, 其定位精度主要由脉冲的震荡频率决定。频率越高, 测距误差越小。如果 f 为 30M H z, 则 Ρl = 5m , 而且和测距距离大小无关。
114 模型仿真
无人机初始坐标姿态角测量误差均方差取为 015m rad, 无人机定位误差在三个坐标轴上均取 10m , 由于跟踪误差造成的光轴指向偏差均方差为 115m rad, 激光测距误差均方差取为 5m , 校靶误差假设经过精确校正已经微小到可以忽略不计。
仿真想定①: 无人机航向航速不变, 载体姿态角不变, 目标为固定目标, 坐标为 (500, 600) , 以 200m为间隔选取无人机航路上 10 个航路点, 在每一点上进行定位仿真, 计算出在测角误差分 110m rad 时的定位均方差。
仿 真 想 定 ②: 无 人 机 飞 行 高 度 以 1 000m、1 100m、1 200m、……2 000m 规律变化, 每一条航路测角误差分别为 015m rad、110m rad、115m rad、 210m rad, 计算出每一条航路的定位均方差的平均值, 其余条件同仿真想定①。
在飞行高度和姿态测量精度一定的情况下, 目标点越接近无人机的机下点, 则在 X 和Y 轴方向上的定位误差都呈减小趋势, 但在 Z 轴方向上的定位误差则呈增大趋势, 总的定位误差变化很小。不同的姿态测量精度条件下定位精度在三个坐标轴方向上高度变化的误差估计。从图中可以看到, 在X 和 Y 轴方向上的定位误差对姿态测量误差和无人机的飞行高度都比较敏感, 在 Z 轴方向上的定位误差对姿态测量误差和无人机的飞行高度都不太敏感, 而主要和激光测距的误差有关。
2 结 语
无人机利用姿态测量激光测距方法进行目标定位, 不但定位速度快, 而且可以利用电视跟踪系统对目标实施连续定位, 精度完全满足舰炮对岸射击的需要。
但是如果需要同时对多个目标实施实时或近实时定位的话, 则应用本定位模型存在一定困难, 需要频繁对无人机稳定平台的空间指向进行改变, 在实战条件下, 这种改变所消耗的时间可能不被允许。在对运动目标进行射击时, 如何根据目标运动参数的变化情况, 在军事地理信息系统 (M G IS) 的支持下确定最佳的阻击区域, 还是一个需要深入研究的问题。
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