CN102928861B - 机载设备用目标定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机载设备用目标定位方法及装置，装置包括信号处理单元及输出信号均连入信号处理单元的激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器，所述信号处理单元用于根据上传的各信号解算出目标的位置信息；本发明融合载机GPS信息、载机姿态信息、观测设备相对载机角度偏差、观测设备对目标的测距信息实现对目标经纬高度的准确定位，本发明结合多传感器优势，利用多维空间变换原理实现迅速、有效、无接触、高适应性的目标准确定位，可在森林防火、人员迅速搜救等领域使用，具备广阔的技术和市场前景。

Description

机载设备用目标定位方法及装置

技术领域

本发明属于目标精确测量定位技术领域，涉及一种机载设备用目标定位方法及装置。

背景技术

当前国内外常用的目标定位技术多集中在单一传感器应用领域，譬如激光测距技术通过激光器发射***向测量目标发射调制光信号，到达测量目标后经过漫反射返回，通过接收***接收，并将接收光信号转换为电信号，然后传给信号处理电路进行信号处理可计算出发射点和目标间直线距离；以图像处理技术获取目标在图像上距离中心的像素偏移，结合成像装置尺寸和镜头焦距可计算出目标偏离当前观察中心的俯仰方位角度；通过图像处理技术提取目标像素尺寸，结合已知的目标实际尺寸和成像***光学焦距，利用三角变换可预估出目标距观测点直线距离；通过对目标绑定GPS通讯设备可获取其经纬高度信息。

但以上技术均存在一定问题，如获取直线距离或偏离视场中心角度仅适用于某些特殊应用领域；通过图像和目标先验知识计算直线距离存在较大误差，亦仅能应用于特殊领域；而对目标绑定GPS通讯设备在人员搜救、林火监控、目标打击等领域也是“不可能完成的任务”。所以如何实现迅速、有效、无接触、高适应性的目标定位，已成为军/民/警各领域、空/海/地环境中一个迫在眉睫的应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种机载设备用目标定位方法及装置，以实现迅速、有

效、无接触、高适应性的目标定位。

为实现上述目的，本发明的机载设备用目标定位装置技术方案如下：该装置包括信号处理单元及输出信号均连入信号处理单元的激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器，所述信号处理单元用于根据上传的各信号解算出目标的位置信息。

所述信号处理单元由通讯连接的A/D、FPGA和DSP组成，所述A/D包括A/D模块和422通讯模块，所述FPGA包括视频采集模块、图像数据调度模块和通讯控制模块，所述DSP包括目标定位解算模块。

本发明的机载设备用目标定位方法的步骤如下：

（1）将激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器的输出信号连入信号处理单元，来构建机载设备用目标定位装置；

（2）将机载设备用目标定位装置设置于一载机中；

（3）对准欲捕获目标分别采集红外图像和可见光图像，根据图像来捕获目标并锁定，对锁定的目标分别采集测距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐标信息和载机航向、俯仰、横滚信息并上传给信息处理单元；

（4）信息处理单元通过机载设备用目标定位装置方位俯仰信息和测距信息计算出其在载机固连坐标系中坐标，进而通过三维旋转变换将坐标转换为载机NED坐标系中坐标，再结合地球半径、载机GPS信息计算目标实际经纬高度，实现目标的定位。

本发明的机载设备用目标定位方法及装置，融合载机GPS信息、载机姿态信息、观测设备相对载机角度偏差、观测设备对目标的测距信息实现对目标经纬高度的准确定位，本发明结合多传感器优势，利用多维空间变换原理实现迅速、有效、无接触、高适应性的目标准确定位，可在森林防火、人员迅速搜救等领域使用，具备广阔的技术和市场前景。

附图说明

图1是机载设备用目标定位装置的结构示意图；

图2是信号处理单元的结构示意图；

图3是载机顾连坐标系中载机与目标方位关系图；

图4是地球几何形状示意图。

具体实施方式

基本定义：

1)载机NED坐标系：为直角坐标系，原点固连在载机中心，OX轴指向正北，OY轴指向正东，OZ轴指向为铅垂向下。此坐标系各轴指向与载机姿态角无关。

2)载机固连坐标系：直角坐标系，原点固连在载机中心，OX轴与飞机纵轴重合，指向机头。OY轴指向飞机右侧，OZ轴指向飞机下方。此坐标系的各轴指向由载机姿态角决定。

3)载机偏航角：飞机OX轴在水平面内投影与正北方向的夹角，从上向下看，指向正北时为0°，顺时针旋转为正，取值范围[-180°~180°]。

4)载机俯仰角：飞机OX轴与水平面的夹角，水平时为0°，抬头为正，取值范围[-90°~90°]。

5)载机横滚角：飞机固连坐标系的OZ轴与包含飞机纵轴（OX轴）的铅垂面之间的夹角，从飞机正后方沿纵轴向前看，顺时针旋转为正。取值范围[-90°~90°]。

6)观测设备方位角：观测设备前视方向在载机固连坐标系OX/OY轴平面的投影与飞机纵轴的夹角，指向飞机航向为0°，顺时针旋转为正，取值范围[0°~360°]。

7)观测设备俯仰角：观测设备前视方向在载机固连坐标系OX/OY轴平面的投影与飞机纵轴的夹角，指向飞机航向为0°，顺时针旋转为正，取值范围[-110°~10°]。

如图1所示，机载设备用目标定位装置包括信号处理单元及输出信号均连入信号处理单元的激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器，信号处理单元用于根据上传的各信号解算出目标的位置信息。其中前端传感器负责提供计算输入，譬如激光测距仪提供的激光测距信息，红外热像仪提供的场景红外图像信息、可见光摄像机提供的可见光图像信息、组合惯导模块提供的当前设备经纬高度信息和设备相对于地理坐标系的航向/俯仰/横滚信息，测角器提供的当前视轴相对于设备的俯仰、偏移信息；信号处理电路将以上信息作为输入，经由目标定位算法解算出目标的真实经纬高度信息。

如图2所示，信号处理单元由通讯连接的A/D、FPGA和DSP组成，所述A/D包括A/D模块和422通讯模块，所述FPGA包括视频采集模块、图像数据调度模块和通讯控制模块，所述DSP包括目标定位解算模块。A/D负责接收从红外、可见光、激光、组合惯导和测角器传来的实时数据，经由FPGA进行整理后调度至DSP，由其对几类传感器传来的数据进行融合解算。

本发明的方法结合载机GPS信息、载机姿态信息、观测设备在载机固连坐标系中俯仰方位信息（其中载机GPS信息由组合惯导模块得到，载机姿态信息由组合惯导模块得到，观测设备在载机固连坐标系中俯仰方位信息由测角器得到，目标测距信息由激光测距仪得到）、对目标测距信息依据三维坐标变换原理计算目标位置的GPS信息：通过观测设备（即观察组件，指红外热像仪和可见光摄像机）方位俯仰信息和测距信息计算出其在载机固连坐标系中坐标，进而通过三维旋转变换将坐标转换为载机NED坐标系中坐标，再结合地球半径、载机GPS信息计算其实际经纬高度。

机载设备用目标定位方法的步骤如下：

（1）将激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器的输出信号连入信号处理单元，来构建机载设备用目标定位装置；

（2）将机载设备用目标定位装置设置于一载机中；

（3）对准欲捕获目标分别采集红外图像和可见光图像，根据图像来捕获目标并锁定，对锁定的目标分别采集测距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐标信息和载机航向、俯仰、横滚信息并上传给信息处理单元；

（4）信息处理单元通过机载设备用目标定位装置方位俯仰信息和测距信息计算出其在载机固连坐标系中坐标，进而通过三维旋转变换将坐标转换为载机NED坐标系中坐标，再结合地球半径、载机GPS信息计算目标实际经纬高度，实现目标的定位。

1，目标在载机固连坐标系中坐标计算

如图3所示，已知观测设备在载机固连坐标系中相对于X轴和Z轴偏移角度μ、φ，该偏移角度由测角器得到，用于测量观察组件视场中心轴相对于设备的俯仰和偏移角度，以及激光测距长度D，经过三角函数运算，得到目标在载机固连坐标系中坐标：

X′=D×sinφ×cosμ

Y′=D×sinφ×sinμ

Z′=D×cos(φ)

注：观测设备方位与μ一致，俯仰角σ与φ的关系为：

φ=|90°+σ|。

2，目标在载机NED坐标系（即大地坐标系）中坐标计算

目标从载机固连坐标系向载机NED坐标系转换中需考虑两坐标系间平移、旋转关系：载机与观测设备直线距离在几米内，与测距距离（若干公里）相比可忽略不计，可认为两坐标系同轴无平移，即转换仅限于旋转关系。

载机固连坐标系是由载机NED坐标系经过偏航α、俯仰β、横滚γ（旋转顺序不能颠倒）得到的，根据相对关系理论，可认为载机固连坐标系经过逆向横滚变换A、逆向俯仰变换B、逆向偏航变换C（旋转顺序不能颠倒）得到载机NED坐标系，即：

$C=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}\\ 0& \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

$C\×B\×A=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=C\×B\×A\×\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right].$

3，目标相对经纬高度差计算

1)经度差计算方法：在不同纬度的地方，相同经度差对应的距离不同，规定东经为正，西经为负。设某地纬度为θ°，经度差对应的距离为Ym，则纬度为θ°的纬线圈周长为：2×π×R×cos(θ),这一周为经度360°，所以经度差对应的距离为：

2)纬度差计算方法：按地心纬度进行计算，忽略地球表面不平。如图4所示，地球的赤道半径为6378136m，极地半径为6376751m，取平均值6377444m作为计算依据，用R表示。设纬度差为Δθ，对应距离为Xm，则换算关系为：Δθ=X×180/(π×R)。

3)高度差ΔH等同于Z。

4，目标经纬高度计算

将载机经纬高度与目标相对经纬高度相加，即可得到目标实际经度纬度θ、高度H：

θ=θ'+Δθ

H=H′-ΔH。

Claims (1)

1.一种机载设备用目标定位方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

(1)将激光测距仪、红外热像仪、可见光摄像机、组合惯导模块和测角器的输出信号连入信号处理单元，来构建机载设备用目标定位装置；

(2)将机载设备用目标定位装置设置于一载机中；

(3)对准欲捕获目标分别采集红外图像和可见光图像，根据图像来捕获目标并锁定，对锁定的目标分别采集测距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐标信息和载机航向、俯仰、横滚信息并上传给信息处理单元；

(4)信息处理单元通过机载设备用目标定位装置方位俯仰信息和测距信息计算出其在载机固连坐标系中坐标，进而通过三维旋转变换将坐标转换为载机NED坐标系中坐标，载机NED坐标系：为直角坐标系，原点固连在载机中心，OX轴指向正北，OY轴指向正东，OZ轴指向为铅垂向下；再结合地球半径计算出目标相对经纬高度差，将目标相对经纬高度差与载机GPS信息相结合得到目标实际经纬高度，利用多维空间变换原理实现目标的定位。