基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用地面目标无源测速方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机载光电侦察技术领域，涉及一种基于陀螺测速的机载光电观瞄系统 用对地面目标的无源测速方法，该方法可以使光电观瞄系统在对地面运动目标进行稳定跟 踪时，不需要激光测距操作就能实时测得目标在大地坐标系下的速度矢量。
【背景技术】
[0002] 当前的信息化战争条件下对直升机或无人机用光电观瞄系统（以下简称光电系 统）的使用提出了更高的要求。光电系统如何能够及时提供全面、准确的目标信息是对目标 实施精确打击前首先要解决的问题。在对光电系统的使用中，要求在对感兴趣目标进行自 动跟踪时，不仅能够对其进行地理定位，还能够实时地测算出目标的速度的大小和方向（速 度矢量），这将为指挥、操作人员准确判断战场目标态势提供重要依据。目前国内的无人机 或直升机用光电观瞄系统中已具备了目标定位功能，但不具备对地面移动目标(如移动中 的装甲车、坦克等)的测速测向（速度矢量)能力，尤其是在出于自我保护目的而不使用激光 测距情况下的无源测速能力。
[0003] 另外在无人机或直升机用光电装置的使用中，为了方便操作员对地面目标区域进 行长时间观察，采用了相关速度补偿算法，使操作员在不需要进行手动瞄准情况下，光电系 统的瞄准线能够自动指向地面固定目标区域。但对于地面的移动目标，因无法获得目标运 动的速度矢量，所采用的补偿算法不适用于对移动目标。因此，利用载机惯导系统和光电系 统的相关测量数据，通过解算实时获得地面目标的移动速度及方向，使光电系统的瞄准线 实时指向地面移动目标，实现对移动目标的补偿，也是本方案的出发点。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于陀螺测速的机载光电观瞄系 统用对地面目标的无源测速方法，能够实现在对地面目标不进行激光测距操作情况下对目 标运动速度和方向进行解算估计。
[0005] 本发明基于载机惯导系统测量的载机三轴姿态角度、载机运动速度矢量、载机海 拔高度、地面目标海拔高度等相关参数及光电系统测量的瞄准线方位/俯仰角度、光电转塔 方位/俯仰角速度数据，建立恰当的数学模型，对光电系统所瞄准的地面目标的运动速度大 小和方向做出精确估计。实施测速时地面操作员只需操控手柄压住目标并进入自动跟踪模 式，在不需要发射激光对地面目标进行测距情况下，光电系统主计算机就能实时解算出地 面目标在大地坐标系的速度矢量，上报给上位机并在屏幕上显示。
[0006] 本发明的技术方案为：
[0007] 所述一种基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用对地面目标的无源测速方法，其特 征在于:包括以下步骤：
[0008] 步骤1:机载光电观瞄系统在跟踪目标过程中，实时采集测量数据αΡ，βΡ，yF，h u， QazJel, ωΑΖ, coEL;其中aF、0F、γρ依次为载机惯性导航系统测量的载机当前航向角、俯仰角 和横滚角，hu为惯性导航系统测量的载机点的海拔高度，θΑΖ、θΕ?依次为机载光电观瞄系统测 量的当前瞄线方位角、俯仰角，ωΑΖ、ωΕ?依次为机载光电观瞄系统在对目标稳定跟踪时的 转塔方位角速度、俯仰角速度；
[0009] 步骤2:根据步骤1的测量数据建立载机点'东北天'坐标系0-ΧΥΖ与机载光电观瞄 系统坐标系0-XeY么的坐标变换公式： "j" -jkT αιι S12· α?3
[0010] 二:七 * A) * je =Α * .ve = β2? .%:2 β23 * 押 Ζ Ζ'0 ze ^31 '^33 ze
[0011] 其中，（X，y，Z)是目标在载机点'东北天'坐标系下的坐标，（xe，ye， ze)是目标在机 载光电观瞄系统坐标系下的坐标;矩阵Ai为载机点'东北天'坐标系0-ΧΥΖ到机体坐标系0-XuYuZu的转换矩阵，矩阵A 2为机体坐标系Ο-XuYuZu到机载光电观瞄系统坐标系〇-XeYeZe的转 换矩阵： cm(ar) siii(^) 0 1 0 0 cos(^>) 0 sin(^.)
[0012] -sin(aF) cos(%) 0 ^ 0 cos(βΡ) -sm(fiF) ^010 0 0 1 0 sin(y^) cos(爲）-sin(/，）0 cos(;'y, )_ cc>s(<9 丨sin(<9,;/) 0 1 0 0
[0013] -sin(0;;/) cos(0 ;;/) 0 ^ 0 <:ο%(θι；) -sinl^.,):； _ 0 0 1_ _0 sini^,) to^{0u) _
[0014] 步骤3:用步骤2得到的坐标变换公式对时间求导，得到目标在机载光电观瞄系统 坐标系中速度矢量与在载机点'东北天'坐标系中速度矢量的关系： (- n t-dxe^n * t-dze - ν?·ι 1 -~T~ ；vti 'j -"I v*'! O - di di dt dt r n dv "灸 dx(/ … .dye ^ 令 dze
[0015] { ^ = an ^ 一- + G" 不-一十以2一'一 di 11 ? - dt ? 色=仏*化+~*企^十〇 、dt ? ? ' " di
[0016] 其中（dX/dt，dy/dt，dz/dt)是目标在载机点'东北天'坐标系下的速度矢量，（dxe/ dt，dye/dt，dZe/dt)是目标在机载光电观瞄系统坐标系下的速度矢量；
[0017 ]步骤4:根据以下运动关系
[0018] - = Vjx-Vux- -j- =ντγ-ν1ιγ, - = -Vuz, ~~ =(〇，x7 ^ L ； =c〇r.[. * L, dt dl .dt: di di L = (hu-hg) / (_a32)解算步骤3的公式，得到
[0019] VTX = γ(ιχ + ?/| , <:(.〇aZ：!,L+ avJ αΜ ) ^ ^ u'/+ ^Wr.L^L) VTC=VUY+a2i*t0AZ*L+a 23*mm*L-(a22/a32) * (VlJZ+<at3]*(〇AZ；：isL+a33 ；*e：>EI*L)
[0020] 其中（Vux，Vuy，Vuz)为载机在大地坐标系下的速度矢量，（Vtx，Vty，0)为目标在大地 坐标系下的速度矢量，h g是载机所在地的地面海拔高度，L是载机到目标的斜距。
[0021 ]有益效果
[0022] 本发明的有益效果体现在以下几个方面：
[0023] ( -）本发明通过建立载机点'东北天'坐标系、载机机体坐标系和光电系统坐标 系，输入载机三轴姿态角度、载机运动速度矢量、载机海拔高度、载机所在的飞行场地海拔 高度以及光电系统本身提供的瞄准线方位角度、俯仰角度、方位角速度、俯仰角速度等测量 信息，实时计算出地面目标在大地坐标系下的矢量速度。操作员只需对地面感兴趣目标瞄 准并执行跟踪操作，光电系统主计算机就能实时解算出目标的运动速度及方向，将计算结 果显示在屏幕上并向上位机报告。本方法属于被动测速范畴，不需要发射激光对目标进行 测距，从而提高了对自身的防护。
[0024] (二)本发明能够实时解算出所瞄准目标的速度矢量，该方法丰富了光电观瞄系统 的功能，为指挥、操作人员准确判断战场目标态势提供重要依据。本发明在现有光电系统的 基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加相关软件模块便可实现机载光电系统的功能 升级，应用方式简单。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明基于陀螺测速的机载光电观瞄系统用地面目标无源测速方法的工作 流程图。
[0026] 图2是载机点'东北天'坐标系、载机机体坐标系和光电系统坐标系的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例描述本发明：
[0028] 本发明的方法在机载光电观瞄系统中通过相关软件模块实现，工作流程图见附图 1。光电系统在跟踪上目标后，主计算机执行以下步骤：
[0029] 步骤1:机载光电观瞄系统在跟踪目标过程中，实时采集测量数据aF，i3F，yF，h u， Qaz，9el, ωΑζ, WEL，数据的米集周期不大于20ms。
[0030] aFjF、γ F依次为载机惯性导航系统测量的载机当前航向角、俯仰角和横滚角， 的正负定义为:绕附图2中0 Z轴顺时针旋转为正，逆时针旋转为负;fr的正负定义为:绕附图 2中0X轴向上旋转为正，向下旋转为负；γ f的正负定义为:绕附图2中0Y轴顺时针旋转为正， 逆时针旋转为负。
[0031] hu为惯性导航系统测量的载机点的海拔高度。
[0032] θΑΖ、θΕ?依次为机载光电观瞄系统测量的当前瞄线方位角、俯仰角，ΘΑΖ的正负定义 为:绕附图2中ΟΖυ轴顺时针旋转为正，逆时针旋转为负；0 EL的正负定义为:绕附图2中ΟΧυ轴 向上旋转为正，向下旋转为负。
[0033] ω ΑΖ、ω 依次为机载光电观瞄系统在对目标稳定跟踪时的转塔方位角速度、俯仰 角速度；《ΑΖ的正负定义为:光电转塔右转为正，左转为负；ω Ε?的正负定义为:光电转塔上 转为正，下转为负。
[0034] 步骤2:根据步骤1的测量数据建立载机点'东北天'坐标系0-ΧΥΖ与机载光电观瞄 系统坐标系0-XeY么的坐标变换公式： _x] 「叫 「叫卜β12卜
[0035] y ye =A * ye = an an a2i * ye z ze ze <331 an a3i ze
[0036]