一种基于海图物标的光电探测辅助定位方法及定位系统与流程

1.本发明涉及光电探测领域，更具体地，涉及一种基于海图物标的光电探测辅助定位方法及定位系统。


背景技术：

2.目前舰船综合导航以惯性导航设备为主，惯导具有全参量导航信息输出、完全自主和高隐蔽性等优点，但由于存在陀螺、加表等器件误差，使得其精度会随时间发散，时间越长精度越差，无法长时间保持高精度。为保持高精度输出，目前惯导需要定期依赖卫星、罗兰c、天文等设备提供的准确位置信息进行重调，重调后才能保证下一个周期内的精度，然而卫星导航、无线电等抗电磁干扰能力差、天文测星受天气影响较大，在强电磁遮蔽、强对抗的环境下，仅采用这类方式辅助定位存在局限性，舰船损伤修复或应急启动时导航系统可能受到较大影响，限制了现代综合导航精度与可靠性的进一步提升。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种海图物标的光电探测辅助定位方法及定位系统。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种海图物标的光电探测辅助定位方法，包括：
5.在电子海图上标注已知地理系位置信息的辅助定位物标点；
6.当舰船行至所述辅助定位物标点附近时，启动光电系统近距离捕捉所述辅助定位物标点，实施雷达测距和热像仪测角；
7.采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离；
8.基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息。
9.根据本发明的第二方面，提供一种就海图物标的辅助定位系统，包括：
10.标注模块，用于在电子海图上标注已知地理系位置信息的辅助定位物标点；
11.探测模块，用于当舰船行至所述辅助定位物标点附近时，启动光电系统近距离捕捉所述辅助定位物标点，实施雷达测距和热像仪测角；
12.第一确定模块，用于采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离；
13.第二确定模块，用于基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息。
14.本发明提供的一种基于海图物标的光电探测辅助定位方法及定位系统，本发明的目的是采用基于海图物标的光电探测辅助定位方法，以电子海图为基础平台，通过测量已知地理位置信息的物标点，确定舰船自身位置信息，辅助舰船惯性导航设备进行位置修正，提高舰船综合导航系统定位精度与可靠性。
附图说明
15.图1为本发明提供的一种基于海图物标的光电探测辅助定位方法流程图；
16.图2为雷达/光电联合定位空间示意图；
17.图3为本发明提供的一种海图物标的光电探测辅助定位系统的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
19.舰船平台一般会装备多部雷达、多部光电系统。舰载雷达用于远程警戒、监视、粗跟踪，光电系统用于近距离警戒、测量和精密跟踪。在现有舰船技术体制的基础上，以电子海图为基础平台，通过光电探测已知地理位置信息的物标点，可有效实现舰船位置的快速确定或修正，提高舰船综合导航系统定位精度与可靠性。
20.实施例一
21.一种基于海图物标的光电探测辅助定位方法，参见图1，该辅助定位方法包括：在电子海图上标注已知地理系位置信息的辅助定位物标点；当舰船行至所述辅助定位物标点附近时，启动光电系统近距离捕捉所述辅助定位物标点，实施雷达测距和热像仪测角；采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离；基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息。
22.可以理解的是，本发明采用基于海图物标的光电探测辅助定位方法，以电子海图为基础平台，通过测量已知地理位置信息的物标点，确定舰船自身位置信息，辅助舰船惯性导航设备进行位置修正，提高舰船综合导航系统定位精度与可靠性。
23.实施例二
24.一种基于海图物标的辅助定位方法，主要包括以下步骤：
25.s1，在电子海图上标注已知地理系位置信息的辅助定位物标点。
26.可以理解的是，本发明实施例的辅助定位物标点是电子海图中已知位置信息的一点，通过测量已知地理位置信息的物标点，确定舰船自身位置信息。因此，首先在电子海图上标注辅助定位物标点p
t
，建立物标点p
t
搜索策略。
27.s2，当舰船行至所述辅助定位物标点附近时，启动光电系统近距离捕捉所述辅助定位物标点，实施雷达测距和热像仪测角,。
28.可以理解的是，步骤s1标注好了辅助定位的物标点后，当舰船行驶至物标点p
t
附近时，启动光电探测近距离捕捉物标点p
t
，具体为，实施雷达测距和热像仪测角。
29.s3，采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离。
30.作为实施例，所述采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离，包括：定义测站坐标系，通过光电系统探测所述辅助定位物标点的方位角和高度角；根据雷达在测站坐标系内，相对于测站原点的距离、方位角和高度角，计算得到所述辅助定位物标点相对于测站原点的距离。
31.具体的，如图2所示，以经纬仪式光电系统为参考定义测站坐标系b
optic
：x轴指向俯仰轴正方向，z轴指向方位轴正方向，y轴与x轴和z轴构成右手坐标系，俯仰轴和方位轴交点
o为测站坐标系原点。y轴指向测站零方位角，测站方位角顺时针为正。雷达在测站坐标系内pr点(x
r y
r zr)，相对测站原点的距离rr、方位角ar、高度角er；待测目标(辅助定位物标点)在测站坐标系内p
t
点(x
t y
t z
t
)，相对测站原点的距离r、方位角a、高度角e；待测目标相对雷达距离r1。其中，辅助定位物标点在测站坐标系内p
t
点(x
t y
t z
t
)，相对测站原点的距离r为待求量。
32.根据a、e、ar、er、rr、r1，确定r或目标位置(x
t y
t z
t
)，已知，
[0033][0034]
对公式(1)化简得到：
[0035][0036]
令a＝cosecosercos(a-ar)+sinesiner，式(2)求解得：
[0037][0038]
雷达测量目标距离一般大于雷达和光电之间的部署距离，故式(3)只有一个解：
[0039][0040]
式(4)即为目标距离，进一步结合(1)可计算目标的三维测站坐标。
[0041]
需要说明的是，采用雷达/光电联合定位确定物标点p
t
在测站坐标系下的径向距离和直角坐标，需要对该雷达/光电联合定位的误差进行计算，进而评估该种联合定位方式的精度和效果。
[0042]
具体确定联合定位误差的方法为，实际光电系统输出的方位角和俯仰角分别为理论方位角和俯仰角分别为a、e；实际雷达系统距离测量值为理论距离为r1，雷达和光电系统之间存在舰体形变误差(δarδer)，实际测量值与理论测量值之间的关系：
[0043][0044]
忽略各误差之间的耦合关系，系统总误差dr：
[0045]
dr＝rr·
[-sinecosercos(a-ar)+cosesiner]
·
δe+rr·
cosecosersin(a-ar)
·
δa+rr·
cosecosersin(a
r-a)
·
δar+rr·
[-sinercosecos(a-ar)+cosersine]
·
δer+δr1(6)；
[0046]
式(6)即为雷达和光电联合定位误差公式。
[0047]
s4，基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息。
[0048]
作为实施例，所述基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息，包括：基于雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离，计算所述辅助定位物标点的矢量在地理坐标系下的投影矢量；基于所述辅助定位物标点的矢量在地理坐标系下的投影矢量，计算地理坐标系下，辅助定位物标点的分量以及相应的经度增量、纬度增量和高度增量；基于辅助定位物标点的地理系位置信息和地理坐标系下辅助定位物标点经度增量、纬度增量和高度增量，计算舰船地理系位置信息。
[0049]
可以理解的是，步骤s3为确定辅助定位物标点在测站坐标系内的径向距离和直角坐标的方法，在此基础上，基于辅助定位物标点在地理坐标系下的经度、纬度和高度，推算舰船在地理坐标系下的经度、纬度和高度。
[0050]
具体的，测站坐标系b
optic
内辅助定位物标点p
t
表示为：
[0051][0052]
测站坐标系相对舰船甲板系b的安装误差角为α＝[α
x
αyαz]
t
，姿态转换矩阵甲板系相对地理系g的姿态角为θ、γ、ψ，姿态矩阵为假设舰船位置参考点、甲板系位置参考点与测站位置重合，辅助定位物标点的矢量在地理系下的投影为：
[0053][0054]
式(8)中，由光电测量和联合定位计算获取，由光电系统安装时标定获取，θ、γ、ψ和由舰船惯导提供。
[0055]
地理系下辅助定位物标点的矢量的分量形式为rg＝[r
xe r
yn r
zu
]
t
，相应的经度增量dλ、纬度增量dl、高度增量dh为：
[0056][0057]
式(9)中rm为子午圈曲率半径，rn为卯酉圈曲率半径，h为舰船海拔高度。
[0058]
其中，辅助定位物标点的地理位置(l
p λ
p h
p
)已知，结合雷达/光电联合测量可计算位置增量(dl dλ dh)，舰船地理系位置(l
s λ
s hs)：
[0059][0060]
式(10)舰船位置参考点与测站原点重合，实际测站处的地理位置是舰船惯性参考基准点位置经过杆臂误差补充获得。
[0061]
作为实施例，确定舰船地理系位置信息，之后还包括确定已知舰船位置推算辅助定位物标点位置，或已知辅助定位物标点位置推算舰船位置时，由测距误差引起的位置误差。
[0062]
具体的，最终确定的舰船的地理位置信息的误差中雷达测距误差为误差的主要分量。舰船在海面上水平姿态角在水平附近变化，而航向角可在较大范围变化，故有，
[0063][0064][0065]
其中，δ
dl
、δ
dλ
和δ
dh
分别为经度增量误差、纬度增量误差和高度增量误差，rd为目标在地理系下水平投影指向的曲率半径。式(11)、(12)即为已知舰船位置推算辅助定位物标点位置，或已知辅助定位物标点位置推算舰船位置时，由测距误差引起的位置误差公式，通过计算出的误差可评价采用本发明提出的定位方式的精度。
[0066]
实施例三
[0067]
一种基于海图物标的辅助定位系统，参见图3，该辅助定位系统包括标注模块301、探测模块302、第一确定模块303和第二确定模块304，其中：
[0068]
标注模块301，用于在电子海图上标注已知地理系位置信息的辅助定位物标点；探测模块302，用于当舰船行至所述辅助定位物标点附近时，启动光电系统近距离捕捉所述辅助定位物标点，实施雷达测距和热像仪测角；第一确定模块303，用于采用雷达/光电联合定位确定所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离；第二确定模块304，用于基于所述辅助定位物标点在测站坐标系下的径向距离和其地理系位置信息，确定舰船地理系位置信息。
[0069]
可以理解的是，本发明提供的一种基于海图物标的辅助定位系统与前述各实施例提供的基于海图物标的辅助定位方法相对应，基于海图物标的辅助定位系统的相关技术特征可参考基于海图物标的辅助定位方法的相关技术特征，在此不再赘述。
[0070]
本发明实施例提供的一种基于海图物标的辅助定位方法及定位系统，采用基于海图物标的光电探测辅助定位方法，以电子海图为基础平台，通过测量已知地理位置信息的物标点，确定舰船自身位置信息，辅助舰船惯性导航设备进行位置修正，提高舰船综合导航系统定位精度与可靠性。其定位精度可达到44.9m，满足舰船惯性导航设备校正精度要求(优于100m)，在强电磁遮蔽、强对抗及典型气象条件下均可执行定位任务，弥补当前卫星导航、天文导航辅助定位的不足，可用于舰船辅助定位，有效提高舰船综合导航系统定位精度与可靠性。
[0071]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0072]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0073]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0074]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0075]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0076]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选
实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0077]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。