基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法与流程

本发明涉及目标姿态模拟技术领域，尤其涉及一种基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法。

背景技术：

现有对目标的地面模拟测量中，模拟的目标双站角度范围为辐射源照射的高低角范围，这不但使模拟的目标双站角度范围有限，其角度解算方法也十分复杂，因此无法满足大双站角模拟测量的需求。

因此，针对以上不足，需要提供一种双站角度不受辐射源高低角限制的目标姿态模拟方法，能够满足覆盖大双站角范围的模拟需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有目标姿态模拟技术中，模拟的目标双站角度范围受限于辐射源照射的高低角范围，并且姿态角度解算过程复杂的缺陷，提供一种基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法，所述模拟方法基于目标转台实现，所述模拟方法包括：

将目标模型置于目标转台上，建立共原点的系统整体坐标系和目标模型体坐标系，并使所述原点与目标转台的回转中心重合；

以系统整体坐标系作为参考系，基于目标模型体坐标系以刚体姿态旋转矩阵描述欲模拟的目标姿态；求解刚体姿态旋转矩阵获得目标姿态相对于系统整体坐标系坐标轴描述的欧拉角；通过目标转台的转动使目标模型所在的目标模型体坐标系与系统整体坐标系相应坐标轴之间的夹角满足所述欧拉角，实现目标姿态模拟。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述目标转台包括方位旋转机构、俯仰机构和自转机构，方位旋转机构用于实现水平方向的旋转；俯仰机构设置于方位旋转机构上表面，俯仰机构的底座上表面具有圆弧运动轨道，圆弧运动轨道上设置圆弧运动小车，圆弧运动小车一端通过滑动机构连接圆弧运动轨道，另一端连接自转机构，自转机构通过支撑杆支撑目标模型，用于实现目标模型的自转。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述系统整体坐标系o-xyz的原点o和目标模型体坐标系o1-x1y1z1的原点o1重合，系统整体坐标系o-xyz中的z轴沿目标转台方位旋转机构的中心竖直向上；目标转台在初始位置时，方位旋转机构和自转机构的回转轴线均与z轴重合；圆弧运动小车的上表面圆弧和下表面圆弧的回转轴线与x轴重合；y轴根据x轴和z轴的指向按右手法则确定；目标模型体坐标系o1-x1y1z1的原点o1设置在目标模型的重心上，x1轴为目标模型的纵轴或滚转轴；目标模型水平放置时，z1轴竖直向上，y1轴的指向根据x1轴和z1轴的指向按右手法则确定；

设定n为xoy平面与x1o1y1平面的交线，则欧拉角α[-π，π]为x轴与交线n的夹角，欧拉角β[0，π]为z轴与z1轴的夹角，欧拉角γ[-π，π]为交线n与x1轴的夹角。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述通过目标转台的转动使目标模型所在的目标模型体坐标系与系统整体坐标系相应坐标轴之间的夹角满足所述欧拉角，实现目标姿态模拟的方法包括：

使目标模型在目标转台的带动下依次绕目标模型体坐标系o1-x1y1z1的z1、x1、z1轴分别做角度为α、β、γ的旋转；

或者使目标模型在目标转台的带动下依次绕系统整体坐标系o-xyz的z、x、z轴分别做角度为γ、β、α的旋转。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述刚体姿态旋转矩阵r为：

r＝rot(z，γ)rot(x，β)rot(z，α)，

即：

式中s代表sin，c代表cos；

若刚体姿态矩阵a为：

则三个欧拉角为：

式中ax为sαsβ，ay为-cαsβ，az为cβ，ox为-cαsγ-sαcβcγ，oy为-sαsγ+cαcβcγ，oz为sβcγ，nx为cαcγ-sαcβsγ，ny为sαcγ+cαcβsγ，nz为sβsγ；

atan2为四象限反正切函数。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述目标转台自转机构的支撑杆转角θ1[-180°，180°]，俯仰机构的转角θ2[0，96°]，方位旋转机构的转角θ3[-180°，180°]；

其中θ2为支撑杆与竖直方向的夹角。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述模拟方法中还包括辐射源和探测器，设定辐射源和探测器处于xoy平面上，辐射源位于x轴的正半轴上，探测器可绕z轴转动，探测器转动角度为θ4[-π，π]，θ4为辐射源和探测器之间的夹角。

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，设定辐射源的照射线矢量为p1(1，0，0)，照射方位角为照射俯仰角为探测器的探测线矢量为p2(cosθ4，sinθ4，0)，探测方位角为探测俯仰角为

照射线矢量和探测线矢量的方位角和俯仰角的定义方式相同，以照射线矢量为例：

以p代表照射线矢量，则p在x1o1y1平面内的投影p’与x1轴正向的夹角为照射方位角p与x1o1y1平面的夹角为照射俯仰角与z1轴正方向重合时与z1轴负方向重合时

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，将刚体姿态矩阵a转化为目标转台三个运动机构各自运动的复合：

则自转机构的变换矩阵a1为：

俯仰机构的变换矩阵a2为：

方位旋转机构的变换矩阵a3为：

所述刚体姿态矩阵a为：

在根据本发明所述的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，所述目标姿态模拟中，目标模型的照射角和探测角范围为：

照射方位角

照射俯仰角

探测方位角

探测俯仰角

实施本发明的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法，具有以下有益效果：本发明方法解决了现有姿态模拟中目标模型双站角模拟范围不足的问题，通过建立合理的坐标系，结合目标转台，实现了目标模型的大双站角空间姿态模拟。结合欧拉角(α，β，γ)描述的目标姿态范围可实现，α＝[-180°,180°]，β＝[0,90°]，γ＝[-180°,180°]的目标姿态模拟。

附图说明

图1为根据本发明的基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法中，系统整体坐标系和目标模型体坐标系的示例性构建示意图；

图2为目标转台的示例性示意图；

图3为结合目标模型构建目标模型体坐标系的示例性示意图；

图4为基于系统整体坐标系的辐射源和探测器之间的夹角示意图；

图5为在目标模型体坐标系中，辐射源的照射方位角与照射俯仰角的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于角度耦合解算的大双站角覆盖目标姿态模拟方法，所述模拟方法基于目标转台实现，所述模拟方法包括：

将目标模型置于目标转台上，建立共原点的系统整体坐标系和目标模型体坐标系，并使所述原点与目标转台的回转中心重合；

以系统整体坐标系作为参考系，基于目标模型体坐标系以刚体姿态旋转矩阵描述欲模拟的目标姿态；求解刚体姿态旋转矩阵获得目标姿态相对于系统整体坐标系坐标轴描述的欧拉角；通过目标转台的转动使目标模型所在的目标模型体坐标系与系统整体坐标系相应坐标轴之间的夹角满足所述欧拉角，实现目标姿态模拟。

作为示例，所述目标转台包括方位旋转机构1、俯仰机构2和自转机构3，方位旋转机构1用于实现水平方向的旋转；俯仰机构2设置于方位旋转机构1上表面，俯仰机构2的底座2-1上表面具有圆弧运动轨道2-2，圆弧运动轨道2-2上设置圆弧运动小车2-3，圆弧运动小车2-3一端通过滑动机构连接圆弧运动轨道2-2，另一端连接自转机构3，自转机构3通过支撑杆3-1支撑目标模型，用于实现目标模型的自转。

目标转台采用多轴运动机构，可用于对目标模型进行光学散射目标特性的测试以及校验时模拟目标的姿态变化。目标转台可实现目标模型的方位、俯仰及自转三个自由度的姿态模拟，也可以模拟光源的方位、俯仰照射角以及探测设备的俯仰观测角的调整。其中方位旋转机构1被配置为可实现±180°的方位运动；俯仰机构2被配置为可实现0°到+96°的俯仰运动；自转机构3被配置为可实现±180°的自转运动。

对坐标系的具体建立，规则如下：

结合图1所示，所述系统整体坐标系o-xyz的原点o和目标模型体坐标系o1-x1y1z1的原点o1重合，系统整体坐标系o-xyz中的z轴沿目标转台方位旋转机构1的中心竖直向上；目标转台在初始位置时，方位旋转机构1和自转机构3的回转轴线均与z轴重合；圆弧运动小车2-3的上表面圆弧和下表面圆弧的回转轴线与x轴重合；y轴根据x轴和z轴的指向按右手法则确定；

对目标模型体坐标系的定义如图3所示，视目标模型为刚体，目标模型体坐标系固结于刚体上，对于飞行器而言，目标模型体坐标系o1-x1y1z1的原点o1一般设置在目标模型的重心上，x1轴为目标模型的纵轴或滚转轴；目标模型水平放置时，z1轴竖直向上，y1轴的指向根据x1轴和z1轴的指向按右手法则确定；

对于在三维空间里的一个参考系，任何坐标系的取向，都可以用三个欧拉角来表现。本实施方式中，以系统整体坐标系为参考系，将目标模型体坐标系固结于目标模型上，则目标模型的空间姿态可由三个欧拉角来表示，如图1所示，设定n为xoy平面与x1o1y1平面的交线，则欧拉角α[-π，π]为x轴与交线n的夹角，欧拉角β[0，π]为z轴与z1轴的夹角，欧拉角γ[-π，π]为交线n与x1轴的夹角。

对于任何一个参考系，空间模型的任意姿态可按照一定的顺序，绕参考系至少两个不同的坐标轴旋转三次实现。使目标模型的姿态通过三个基本旋转来完成，即使任何刚体姿态旋转矩阵通过三个基本旋转矩阵复合而成。对于其中的三次旋转没有规定顺序的限制，在经典力学里，通常用zxz顺规来设定欧拉角，对应于zxz顺规有两种旋转方式：

作为示例，所述通过目标转台的转动使目标模型所在的目标模型体坐标系与系统整体坐标系相应坐标轴之间的夹角满足所述欧拉角，实现目标姿态模拟的方法包括：

使目标模型在目标转台的带动下依次绕目标模型体坐标系o1-x1y1z1的z1、x1、z1轴分别做角度为α、β、γ的旋转；

或者使目标模型在目标转台的带动下依次绕系统整体坐标系o-xyz的z、x、z轴分别做角度为γ、β、α的旋转。

以上两种旋转方式等价。

对于刚体姿态旋转矩阵的计算如下，其中，矢量可以用行向量或列向量表示，对应于行向量和列向量的基本旋转矩阵为转置关系，本公开中的矢量统一用行向量表示：

所述刚体姿态旋转矩阵r为：

r＝rot(z，γ)rot(x，β)rot(z，α)，

即：

式中s代表sin，c代表cos；

若已知刚体姿态矩阵a为：

则目标模型的三个欧拉角为：

式中ax为sαsβ，ay为-cαsβ，az为cβ，ox为-cαsγ-sαcβcγ，oy为-sαsγ+cαcβcγ，oz为sβcγ，nx为cαcγ-sαcβsγ，ny为sαcγ-cαcβsγ，nz为sβsγ；

atan2为四象限反正切函数。

结合图2所示，目标转台各机构的转动顺序为：首先使所述目标转台自转机构3的支撑杆转动θ1[-180°，180°]，然后俯仰机构2转动角度θ2[0，96°]，最后方位旋转机构1转动角度θ3[-180°，180°]；完成预定姿态的模拟。在初始状态时，目标转台各机构的转角均为0。

其中θ2为支撑杆与竖直方向的夹角；θ1为支撑杆3-1逆时针转过的角度；θ3为目标转台整体按逆时针方向绕z轴转过的角度。可见，本实施方式能实现目标模型的空间姿态范围用欧拉角进行描述为：

α：[-180°，180°]，β：[0，96°]，γ[-180°，180°]。

结合图4所示，所述模拟方法中还包括辐射源和探测器，设定辐射源和探测器处于xoy平面上，辐射源位于x轴的正半轴上，探测器可绕z轴转动，探测器转动角度为θ4[-π，π]，θ4为辐射源和探测器之间的夹角，以俯视时逆时针方向为正方向。

设定辐射源的照射线矢量为p1(1，0，0)，照射方位角为照射俯仰角为探测器的探测线矢量为p2(cosθ4，sinθ4，0)，探测方位角为探测俯仰角为

照射线矢量和探测线矢量的方位角和俯仰角的定义方式相同，以照射线矢量为例：

结合图5所示，以p代表照射线矢量，则p在x1o1y1平面内的投影p’与x1轴正向的夹角为照射方位角从z1轴俯视，以顺时针方向为正；p与x1o1y1平面的夹角为照射俯仰角与z1轴正方向重合时与z1轴负方向重合时

对于探测方位角和探测俯仰角的确定原则与照射方位角和照射俯仰角相类似，如果以图5中p代表探测线矢量，则p在x1o1y1平面内的投影p’与x1轴正向的夹角为探测方位角p与其在x1o1y1平面内投影o1p’之间的夹角为探测俯仰角

下面对目标姿态进行耦合求解：

照射线向量：

探测线向量：

模型初始体坐标：

目标转台为实现目标模型任意姿态的模拟，需经过自转机构3、俯仰机构2和方位旋转机构1三次变换，变换过程中各机构运动具有独立性，因此可通过变换矩阵的复合来计算最终模型的姿态矩阵。

作为示例，将刚体姿态矩阵a转化为目标转台三个运动机构各自运动的复合：

则自转机构3的变换矩阵a1为：

俯仰机构2的变换矩阵a2为：

方位旋转机构1的变换矩阵a3为：

所述刚体姿态矩阵a为：

经计算，可以获得，所述目标姿态模拟中，目标模型的照射角和探测角范围为：

照射方位角

照射俯仰角

探测方位角

探测俯仰角

本实施方式通过建立模拟系统的数学模型，推导出基于多变量有约束非线性规划的正解与逆解运动学方程，并进行了模拟系统的探测角范围及其影响因素分析：用欧拉角(α，β，γ)进行描述，通过本发明方法可实现目标空间姿态范围为α＝[-180°,180°]，β＝[0,90°]，γ＝[-180°,180°]。

综上所述，本发明解决了以往在目标散射模拟测量中双站角角度模拟范围有限的问题。通过对目标模型运动坐标的合理定义，采用基于螺旋理论分析的具有三个转动自由度的目标转台，实现了被测目标模型的空间姿态模拟。通过辐射源、目标转台和探测器之间的动态配合和角度耦合求解，将机械结构的运动角度与辐射源照射和探测器观看的角度之间的关系建立起来。实现了目标模型周向98％角度范围覆盖的辐射源照射和探测模拟，可实现双站角度范围包括：照射方位角：[-180°，180°]，照射俯仰角：[-90°，90°]；探测方位角：[-180°，180°]，探测俯仰角：[-90°，90°]。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。