CN112051547B - 异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，属于光学测量领域。首先在某台监视飞行目标的本站经纬仪不同的布站点位设置若干台对站经纬仪来发现并跟踪目标，对站经纬仪输出跟踪目标的方位角和俯仰角给本站经纬仪。然后在对站经纬仪和真实目标之间的连线上设定虚拟目标，设定虚拟目标与对站经纬仪之间的径向距离为R'n。本站经纬仪对虚拟目标的位置进行坐标转化，并使本站经纬仪的镜头指向虚拟目标；增加虚拟径向距离R'n的值，直到虚拟目标与真实目标重叠。若本站经纬仪跟踪的目标和对站经纬仪指向的目标为同一个，则引导更多的测控设备对目标进行跟踪测量，解算出更加精确的目标位置。本发明兼顾了搜索速度和捕获成功率，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体是一种异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法。
背景技术
目前测控***中，各测控设备都连入网络，实现信息共享，其它设备的测量信息作为目标指示信息，为设备的跟踪捕获提供支持。如在某种情况下，对于某目标仅有一台光学设备进行跟踪，为保持连续跟踪或需对其进一步观测及定位等，需要其它设备加入或接力跟踪观测，但光学设备通常由于不具备测距能力，仅能提供目标测角信息，单台设备不能实现空间定位。
目前，同站设备可利用测角信息实现引导捕获跟踪，但对于不同站设备，还不能实现设备间的引导捕获跟踪，也不能借助异站测角信息进行引导和跟踪目标的一致性比对。
发明内容
为了解决不具备测距能力的单台光学设备对目标的测角信息、图像信息不能在本站目标捕获引导中有效利用的问题，本发明提出了一种异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，通过利用具备精确空间测角能力的光电经纬仪，在不同的布站点位联网观测，获知正在观测设备目标的测角信息和图像信息以及曝光参数等信息。
所述的异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，具体步骤如下：
步骤一、针对某台监视飞行目标的本站经纬仪，在不同的布站点位设置若干台对站经纬仪，实现联网观测；
步骤二、对站经纬仪率先发现并跟踪目标，根据对站经纬仪跟踪目标所采用的焦距和曝光参数，利用成像指标自动计算本站经纬仪相应的焦距和曝光参数。
自动计算的要求是：确保本站经纬仪搜索到目标时，成像的大小、亮度能与对站经纬仪的图像相同。
步骤三、对站经纬仪输出跟踪目标的方位角度和俯仰角度信息，通过测控网传给本站经纬仪；
步骤四、在对站经纬仪和真实目标之间的连线上设定虚拟目标，并设定虚拟目标与对站经纬仪之间的径向距离为R'n，初始值R'0设为0km；
步骤五、以对站经纬仪的测站坐标系为基准，结合对站经纬仪输出的方位角和俯仰角，加上虚拟的径向距离R'n，得到虚拟目标的位置P'n(An,En,R'n)；
An是目标的方位角度，En是目标的俯仰角度。
步骤六、本站经纬仪对虚拟目标的位置进行坐标转化，解算出虚拟目标在本站经纬仪的测站坐标系中的方位角和俯仰角；
步骤七、驱动伺服电机控制本站经纬仪的镜头按解算出的方位角和俯仰角旋转，指向虚拟目标；
步骤八：从初始值开始不断增加虚拟径向距离R'n的值，引导本站经纬仪在空间进行搜索，直到虚拟目标与真实目标重叠，本站经纬仪发现目标，完成搜索过程；
搜索过程具体原理如下：
首先，在虚拟目标位置上添加时间Tn，构造虚拟目标的空间位置P'n(Tn,An,En,R'n)；
然后，从0km开始不断增加虚拟目标距离R'n的值，在空间射线上产生一系列不断滑动的虚拟位置，不断逼近真实目标的位置。
虚拟径向距离不断增加的计算方法如下：
首先，虚拟目标从位置P1(A1,E1,R'n1)运动到P2(A2,E2,R'n2)，产生的位移为ΔD，位移ΔD与本站经纬仪观测方向的夹角为β。
位移量ΔD需满足：
式中，d是本站经纬仪到当前虚拟目标之间的距离；α是本站经纬仪的视场角；τ是本站经纬仪的捕获时间，即目标需在视场中停留的时间；f是对站经纬仪的数据发送频率；
然后，根据ΔD的值计算出虚拟距离的变化量ΔR'n＝R'n2-R'n1，以此作为下一帧数据的虚拟距离增加值；
如此不断迭代，实时修正虚拟距离的增加值，使其始终满足：虚拟目标的位移速度不超过本站经纬仪的捕获指标。
逼近过程中，虚拟目标和真实目标的位置表示为如下的坐标系列：
P1|P'1(T1,A1,E1,R1|R'1)
P2|P'2(T2,A2,E2,R2|R'2)
………
Pn|P'n(Tn,An,En,Rn|R'n)
………
当虚拟距离R'n的值接近真实目标的径向距离值时，虚拟目标会和真实目标接近重合，此时本站经纬仪视场中就发现真实目标。
步骤九、本站经纬仪发现真实目标并自主跟踪目标后，判断本站经纬仪跟踪的目标和对站经纬仪指向的目标是否为同一个，如果是，进入步骤十，否则，重新进行目标搜索。
是否为同一个目标的验证过程为：
首先，计算本站经纬仪的空间指向线与对站经纬仪的空间指向线之间的距离d，即两条空间射线的公垂线长度。
假设本站经纬仪和对站经纬仪对各自目标的观测方向向量分别为
和/>
根据直角坐标与球坐标转换原理，两向量的坐标分量用经纬仪的方位、俯仰角度信息表示为
(X1＝cos A1 cos E1，Y1＝sinE1,Z1＝sin A1 cos E1)
(X2＝cos A2 cos E2，Y2＝sinE2,Z2＝sin A2 cos E2)
A1为本站经纬仪对目标的观测方位角；E1为本站经纬仪对目标的俯仰角；A2为对站经纬仪对目标的观测方位角；E2为对站经纬仪对目标的观测俯仰角。
两条空间射线之间的距离为：
其中，
是两射线上任意两点连线的向量，/>
是两方向向量的向量积。
然后，利用距离d，结合设备的俯仰角和方位角信息，判断距离d是否大于设备测量的误差，如果明显大于测量误差，则判定为跟踪的并非同一目标，应重新搜索。否则，跟踪是同一目标。
步骤十、利用光电经纬仪双站交汇定位的方法对目标的空间位置进行定位，并将位置信息传入测控网，引导更多的测控设备对目标进行跟踪测量，利用更多的跟踪信息进行多站交汇，解算出更加精确的目标位置。
本发明的有益效果为：
本发明一种异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，仅利用一台光学跟踪设备的角度信息来引导其他测量站对目标的搜索捕获，具有明显经济效益和实用价值，并且本发明以虚拟径向距离变化率计算为前提，兼顾了搜索速度和捕获成功率，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明一种异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法的流程图；
图2为本发明利用测角信息搜索目标的示意图；
图3为本发明虚拟距离变化率计算的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提供一种异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，针对某本站经纬仪，在不同的布站点位设置联网观测的若干台对站经纬仪，对站率先发现并跟踪目标，由于单台光学设备只能提供目标角度信息，无法提供距离信息，所以，在本站“看”来，对站提供的目标位置指引就是一条空间射线，目标在射线上，但是具***置不知。随着目标的持续运动，该指示射线是随时间不断变化的空间扫描射线。本站利用对站提供的这些扫描射线搜索到目标，最直接的方法就是以一个初始虚拟距离(一般设为从零开始)为基准，改变虚拟距离，对目标进行搜索。随着虚拟目标在空间中不断逼近真实目标，本站将会在虚拟目标的“指引下”发现真实目标。发现真实目标后，切换为自主跟踪，通过双站空间交汇计算出目标的飞行轨迹参数。
如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、针对某台监视飞行目标的本站经纬仪，在不同的布站点位设置若干台对站经纬仪，实现联网观测；
步骤二、对站经纬仪率先发现并跟踪目标，根据对站经纬仪跟踪目标所采用的焦距和曝光参数，利用成像指标自动计算本站经纬仪相应的焦距和曝光参数。
自动计算的要求是：确保本站经纬仪搜索到目标时，成像的大小、亮度能与对站经纬仪的图像相同。
步骤三、对站经纬仪输出跟踪目标的方位角度和俯仰角度信息，通过测控网传给本站经纬仪；
步骤四、在对站经纬仪和真实目标之间的连线上设定虚拟目标，并设定虚拟目标与对站经纬仪之间的径向距离为R'n，初始值R'0设为0km；
由于目标尺寸往往是未知的，所以无法根据成像公式估算目标距离，也就无法确定目标的空间位置，需要在只有角度信息的基础上，虚拟一个不断变化的径向距离R'n来进行目标搜索。
步骤五、以对站经纬仪的测站坐标系为基准，结合对站经纬仪输出的方位角和俯仰角，加上虚拟的径向距离R'n，得到虚拟目标的位置P'n(An,En,R'n)；
An是目标的方位角度，En是目标的俯仰角度。
步骤六、本站经纬仪对虚拟的目标位置利用坐标转换矩阵进行坐标转化，解算出虚拟目标在本站经纬仪的测站坐标系中的方位角和俯仰角；
坐标转换矩阵具体的值根据本站经纬仪和对站经纬仪的坐标来决定。
步骤七、驱动伺服电机控制本站经纬仪的镜头按解算出的方位角和俯仰角旋转，指向虚拟目标；
步骤八：从初始值开始不断增加虚拟径向距离R'n的值，引导本站经纬仪在空间进行搜索，直到虚拟目标与真实目标重叠，本站经纬仪发现目标，完成搜索过程；
对于“虚拟径向距离不断增加”而言，增加的速度是有条件限制的：不能太快，太快则经纬仪来不及发现并捕获目标，太慢则会使得搜索过程耗费时间太长，延误捕获机会。
增加速度的确定原理和计算方法如下：
如图2所示，在对站送来的两帧测量数据之间，由于真实目标位置为Pn(Tn,An,En,Rn)，Tn是时间，Rn是目标到测站的径向距离(单站无法测出)，这是一个不断变化的坐标系列，因为目标一直处于运动中。由于对站不能测量径向距离信息Rn，所以本站在搜索目标时能利用的只有角度信息，在本站“看”来，对站提供的目标位置指引只是一条空间射线。
如图3所示，由于真实目标的运动，对站经纬仪方位、俯仰角度将会发生改变，同时，再考虑叠加虚拟距离的变化量上去，虚拟目标从位置P1(A1,E1,R'n1)运动到P2(A2,E2,R'n2)，产生的位移为ΔD，位移ΔD与本站经纬仪观测方向的夹角为β。只要控制虚拟距离的变化量ΔR'n＝R'n2-R'n1，使得虚拟目标的位移速度不超过本站经纬仪的捕获指标即可。经过计算，两帧数据之间，虚拟目标的位移量ΔD需满足的条件为：
d是本站经纬仪到当前虚拟目标之间的距离；α是本站经纬仪的视场角；τ是本站经纬仪的捕获时间，即目标需在视场中停留的时间；f是对站经纬仪的数据发送频率；
式子(1)中，ΔD与d的值可通过对P1(A1,E1,R'n1)，P2(A2,E2,R'n2)进行坐标转换后算出，P1(A1,E1,R'n1)，P2(A2,E2,R'n2)转换为测站直角坐标系后为：
(2)式中，方位、俯仰角度通过经纬仪编码器测出，虚拟距离R'n1由前一帧数据迭代确定(虚拟距离初始值是0)，所以(3)式表达出来的ΔD是一个含有未知量R'n2的式子。将ΔD的表达式带入(1)式，可计算得到R'n2的值，也就能得到虚拟距离变化量ΔR'n＝R'n2-R'n1，将ΔR′n的值作为下一帧数据的虚拟距离增加值，如此不断迭代，即可实时修正虚拟距离的增加值，使其始终满足捕获条件。
使用对站坐标系，本站利用虚拟距离R'n和虚拟目标的位置P'n(Tn,An,En,R'n)，通过改变R'n的值，在空间射线上产生一系列不断滑动的虚拟位置P'n(Tn,An,En,R'n)。当R'n的值从0开始不断增加，使得虚拟目标在对站经纬仪的观测方向射线上不断滑动，并且不断逼近真实目标。逼近过程中，虚拟目标和真实目标的位置表示为如下的坐标系列：
P1|P'1(T1,A1,E1,R1|R'1)
P2|P'2(T2,A2,E2,R2|R'2)
………
Pn|P'n(Tn,An,En,Rn|R'n)
………
当虚拟距离R'n的增加到接近或等于真实目标的径向距离值时，虚拟目标会和真实目标接近重合，此时本站经纬仪视场中就发现真实目标。
步骤九、本站经纬仪发现并自主跟踪真实目标后，应判断对站经纬仪跟踪的目标和本站经纬仪指向的目标是否为同一个，如果是，进入步骤十，否则，重新进行目标搜索。
是否为同一个目标验的验证过程为：
首先，计算本站经纬仪的测角信息所确定的空间指向线与对站经纬仪的测角信息确定的空间指向线间的距离d，即两条空间射线的公垂线长度。
假设本站经纬仪和对站经纬仪对各自目标的观测方向向量分别为
和/>
根据直角坐标与球坐标转换原理，两向量的坐标分量用角度信息表示为
(X1＝cos A1 cos E1，Y1＝sinE1,Z1＝sin A1 cos E1)
(X2＝cos A2 cos E2，Y2＝sinE2,Z2＝sin A2 cos E2)
A1为本站经纬仪对目标的观测方位角；E1为本站经纬仪对目标的俯仰角；A2为对站经纬仪对目标的观测方位角；E2为对站经纬仪对目标的观测俯仰角。
两条空间射线之间的距离为：
其中，
是两射线上任意两点连线的向量，/>
是两方向向量的向量积。
然后，利用距离d，结合设备的俯仰角和方位角信息，判断距离d是否明显大于设备测量的误差，如果是，则判定跟踪的并非同一目标，应重新搜索。否则，跟踪的是同一目标。
步骤十、利用光电经纬仪双站交汇定位的方法对目标的空间位置进行定位，并将位置信息传入测控网，引导更多的测控设备对目标进行跟踪测量，利用更多的跟踪信息进行多站交汇，解算出更加精确的目标位置。
本发明利用具备精确测角能力的光学设备，对目标的观测能够给出目标的空间角度信息，利用这些角度信息，其他设备对目标搜索的空间范围能够被限定在非常小的范围内，以便快速捕获目标，进一步实现空间定位等测量需求。
Claims (4)
1.异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、针对某台监视飞行目标的本站经纬仪，在不同的布站点位设置若干台对站经纬仪，实现联网观测；
步骤二、对站经纬仪率先发现并跟踪目标，根据对站经纬仪跟踪目标所采用的焦距和曝光参数，利用成像指标自动计算本站经纬仪相应的焦距和曝光参数；
步骤三、对站经纬仪输出跟踪目标的方位角度和俯仰角度信息，通过测控网传给本站经纬仪；
步骤四、在对站经纬仪和真实目标之间的连线上设定虚拟目标，并设定虚拟目标与对站经纬仪之间的径向距离为R'n，初始值R'0设为0km；
步骤五、以对站经纬仪的测站坐标系为基准，结合对站经纬仪输出的方位角和俯仰角，加上虚拟的径向距离R'n，得到虚拟目标的位置P'n(An,En,R'n)；
An是目标的方位角度，En是目标的俯仰角度；
步骤六、本站经纬仪对虚拟目标的位置进行坐标转化，解算出虚拟目标在本站经纬仪的测站坐标系中的方位角和俯仰角；
步骤七、驱动伺服电机控制本站经纬仪的镜头按解算出的方位角和俯仰角旋转，指向虚拟目标；
步骤八：从初始值开始不断增加虚拟径向距离R'n的值，引导本站经纬仪在空间进行搜索，直到虚拟目标与真实目标重叠，本站经纬仪发现目标，完成搜索过程；
搜索过程具体原理如下：
首先，在虚拟目标位置上添加时间Tn，构造虚拟目标的空间位置P'n(Tn,An,En,R'n)；
然后，从0km开始不断增加虚拟目标距离R'n的值，在空间射线上产生一系列不断滑动的虚拟位置，不断逼近真实目标的位置；
虚拟径向距离不断增加的计算方法如下：
首先，虚拟目标从位置P1(A1,E1,R'n1)运动到P2(A2,E2,R'n2)，产生的位移为ΔD，位移ΔD与本站经纬仪观测方向的夹角为β；
位移量ΔD需满足：
式中，d是本站经纬仪到当前虚拟目标之间的距离；α是本站经纬仪的视场角；τ是本站经纬仪的捕获时间，即目标需在视场中停留的时间；f是对站经纬仪的数据发送频率；
然后，根据ΔD的值计算出虚拟距离的变化量ΔR'n＝R'n2-R'n1，以此作为下一帧数据的虚拟距离增加值；
如此不断迭代，实时修正虚拟距离的增加值，使其始终满足：虚拟目标的位移速度不超过本站经纬仪的捕获指标；
步骤九、本站经纬仪发现真实目标并自主跟踪目标后，判断本站经纬仪跟踪的目标和对站经纬仪指向的目标是否为同一个，如果是，进入步骤十，否则，重新进行目标搜索；
步骤十、利用光电经纬仪双站交汇定位的方法对目标的空间位置进行定位，并将位置信息传入测控网，引导更多的测控设备对目标进行跟踪测量，利用更多的跟踪信息进行多站交汇，解算出更加精确的目标位置。
2.如权利要求1所述的异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，其特征在于，步骤二中所述的自动计算的要求是：确保本站经纬仪搜索到目标时，成像的大小、亮度与对站经纬仪的图像相同。
3.如权利要求1所述的异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，其特征在于，步骤八中所述的逼近过程中，虚拟目标和真实目标的位置表示为如下的坐标系列：
P1|P'1(T1,A1,E1,R1|R'1)
P2|P'2(T2,A2,E2,R2|R'2)
………
Pn|P'n(Tn,An,En,Rn|R'n)
………
当虚拟距离R'n的值接近真实目标的径向距离值时，虚拟目标会和真实目标接近重合，此时本站经纬仪视场中就发现真实目标。
4.如权利要求1所述的异站测角信息在目标捕获跟踪中的利用方法，其特征在于，步骤九中所述的判断本站经纬仪跟踪的目标和对站经纬仪指向的目标是否为同一个的验证过程为：
首先，计算本站经纬仪的空间指向线与对站经纬仪的空间指向线之间的距离d，即两条空间射线的公垂线长度；
假设本站经纬仪和对站经纬仪对各自目标的观测方向向量分别为
和
根据直角坐标与球坐标转换原理，两向量的坐标分量用经纬仪的方位、俯仰角度信息表示为(X1＝cosA1cosE1，Y1＝sinE1,Z1＝sinA1cosE1)
(X2＝cosA2cosE2，Y2＝sinE2,Z2＝sinA2cosE2)
A1为本站经纬仪对目标的观测方位角；E1为本站经纬仪对目标的俯仰角；A2为对站经纬仪对目标的观测方位角；E2为对站经纬仪对目标的观测俯仰角；
两条空间射线之间的距离为：
其中，
是两射线上任意两点连线的向量，/>
是两方向向量的向量积；
然后，利用距离d，结合设备的俯仰角和方位角信息，判断距离d是否大于设备测量的误差，如果明显大于测量误差，则判定为跟踪的并非同一目标，应重新搜索；否则，跟踪是同一目标。
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