CN112964245B - 一种利用光电经纬仪定位的方法 - Google Patents

Abstract

本方案涉及一种利用光电经纬仪定位的方法。所述方法包括：光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角；根据方位角、高低角计算出光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量；利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；计算光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的点法式方程式；根据点法式方程式计算目标的定位坐标。在不满足双站定位解算条件或飞机上没有激光合作目标时，仅有一个站的方位角和俯仰角也可以对目标进行定位解算，使得获得的有效信息得到充分利用，进而有效利用这些信息完成对目标的定位并提供高精度的数据处理结果。

Description

一种利用光电经纬仪定位的方法

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种利用光电经纬仪定位的方法。

背景技术

光电经纬仪是一种重要的靶场光测设备，其主要功能是跟踪测量飞机、导弹等物体的飞行姿态及轨迹。光电经纬仪具有测量精度高、直观性强、性能稳定可靠、不受地面杂波干扰等优点，是飞机定点着陆训练讲评和飞行质量评估的主要外测信息源之一，通常采用双站交汇、单站定位或与其他测元相结合等方法解算目标位置。由于受经纬仪数量、目标特性、场地、布站几何、站点位置和地形等诸多因素影响和限制，经常出现不满足定位解算条件或解算结果精度较低的情况，导致处理结果不能满足飞行员讲评需要。因此，每台经纬仪捕获目标后都会提供有效的方位角、俯仰角和斜距信息。

然而，在不满足双站定位解算条件或飞机上没有激光合作目标时，仅有一个站的方位角和俯仰角不能对目标进行定位解算，致使获得的有效信息不能充分利用。因此，传统的定位方法存在信息利用不完全，从而浪费有效测量信息的问题。

发明内容

基于此，为了解决上述技术问题，提供一种利用光电经纬仪定位的方法，可以充分利用已获取的信息，解决测元不足情况下的目标定位解算问题。

一种利用光电经纬仪定位的方法，所述方法包括：

通过光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角；

根据所述方位角、所述高低角计算出所述光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量；

利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；所述第二单位方向向量为所述光电经纬仪主光轴在所述跑道坐标系中的单位方向向量；

计算所述光电经纬仪在所述跑道坐标系中的第一位置，补充所述目标在所述跑道坐标系中的定位解算条件，并根据所述定位解算条件确定所述目标在所述跑道坐标系中的第二位置；

根据所述第一位置、所述第二位置、所述第二单位方向向量，计算所述光电经纬仪主光轴在所述跑道坐标系中的点法式方程式；

根据所述点法式方程式计算所述目标的定位坐标。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

通过所述光电经纬仪获取所述目标在所述测量坐标系中的测量位置；

根据所述测量位置、所述方位角、所述高低角，计算所述光电经纬仪主光轴在所述测量坐标系中的测量方程式。

在其中一个实施例中，所述将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量，包括：

获取所述跑道坐标系的水平轴与大地北方向的夹角；

根据所述夹角、所述方位角、所述高低角，利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

采集所述测量坐标系的测量原点坐标，采集所述跑道坐标系的跑道原点坐标；

所述将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量，包括：

根据所述夹角、所述方位角、所述高低角、所述测量原点坐标、所述跑道原点坐标，利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量。

上述利用光电经纬仪定位的方法，通过光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角；根据方位角、高低角计算出光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量；利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；第二单位方向向量为光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的单位方向向量；计算所述光电经纬仪在跑道坐标系中的第一位置，补充目标在跑道坐标系中的定位解算条件，并根据定位解算条件确定目标在跑道坐标系中的第二位置；根据第一位置、第二位置、第二单位方向向量，计算光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的点法式方程式；根据点法式方程式计算目标的定位坐标。在不满足双站定位解算条件或飞机上没有激光合作目标时，仅有一个站的方位角和俯仰角也可以对目标进行定位解算，使得获得的有效信息得到充分利用，进而有效利用这些信息完成对目标的定位并提供高精度的数据处理结果。

附图说明

图1为一个实施例中利用光电经纬仪定位的方法的流程示意图；

图2为一个实施例中跑道坐标系的示意图；

图3为一个实施例中三个架次的x-z二维图；

图4为一个实施例中目标M在测量坐标系下主光轴上的示意图；

图5为一个实施例中第一架X方向值、Y方向值与真值的一次差图；

图6为一个实施例中第二架X方向值、Y方向值与真值的一次差图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述单位方向向量，但这些单位方向向量不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个单位方向向量与另一个单位方向向量区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一单位方向向量称为第二单位方向向量，且类似地，可将第二单位方向向量称为第一单位方向向量。第一单位方向向量和第二单位方向向量两者都是单位方向向量，但其不是同一单位方向向量。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种利用光电经纬仪定位的方法，包括以下步骤：

步骤102，通过光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角。

光电经纬仪具备激光测距功能时可提供三个测元，此时单台设备可得到目标的位置参数。以目标是飞机为例，如果飞机上没有激光合作目标，由于飞机体积较大激光回波位置不固定，导致数据处理结果的精度较差，不能满足飞行讲评和飞行质量评估的要求。

在本实施例中，单台光电经纬仪可以提供两个有效测元，如图2所示，图2为目标M在测量坐标下光电经纬仪主光轴的示意图。通过光电经纬仪测得目标M在测量坐标系中的方位角A和高低角E，Oc为测量坐标系的原点，射线OcL为经纬仪的主光轴，即高低角E的终边。M为目标，则目标M一定在OcL上，如图2所示，目标M在XOcZ平面上的投影为M′，M′在X轴上的投影为M″，此时方位角和俯仰角分别为A＝∠M"OcM'和E＝∠M'OcM。

步骤104，根据方位角、高低角计算出光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量。

光电经纬仪主光轴为射线OcL，在本实施例中，令K为射线OcL的第一单位方向向量，则：K＝(cos E·cos A,sin E,cos E·sin A)^T。

步骤106，利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；第二单位方向向量为光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的单位方向向量。

利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，可把射线OcL在测量直角坐标系中的第一方向向量K转换为跑道坐标系下的第二单位向量P＝(P₁,P₂,P₃)^T。

其中，跑道坐标系是一种站心坐标系，以目标是飞机为例，主要用来描述飞机相对于跑道上某个固定点位的运动情况，确定飞机相对于这个固定点位的位置。它是以跑道上固定点的铅垂线、水准面为基准建立的坐标系，通常以O_p-xyz表示，如图2所示。

跑道坐标系的原点O_p通常位于跑道中线定点着陆区，与飞机理想着陆点相重合，x轴位于过原点O_p的水平面内，由原点O_p指向跑道的延伸方向，其方向为从大地北顺时针向东转过α_o(大地北与跑道延伸方向的夹角，通常与飞机的起飞方向一致)；y轴取过原点O_p的铅垂线，向上为正；z轴位于过坐标系原点的水平面内，与x,y构成右手直角坐标系，跑道坐标系是垂线坐标系。

以目标是飞机为例，在定点着陆训练过程中，飞机对准跑道进入下滑道到着陆点之间的运动状态将直接决定飞机是否准确降落到指定位置，是飞行讲评和飞行质量评估关注的重点区间。飞机进入下滑道后，飞行员调整飞行姿态对准跑道中线并根据指挥员口令调整飞机姿态进行降落。根据跑道坐标系定义，x轴与跑道中线重合，飞机机头的运动方向与跑道坐标系的x轴方向一致，所以在理论上，当飞机在跑道坐标系中运动时，z轴方向上的位置在z＝0。通过对二维飞行轨迹图进行重叠绘制可以发现，在下滑道阶段不同圈次的轨迹在此阶段差异很小，表现出一定的聚集现象。

如图3所示，图3为一个实施例中某架机三个架次的x-z二维图，从图上可以发现飞机在进入下滑道后，z方向的位置参数一直在0附近变化且变化幅度不大。其中，图3中采用的是双站交汇的数据处理结果，判读部位为前起落架，横坐标为飞机在跑道坐标系中x轴方向的位置，纵坐标为飞机在z轴方向的变化情况。如图3所示，飞机进入下滑道后，到前轮着地飞机z方向上的变化范围在在-5米到5米之间，从-1200米以后，z方向的位置数据在1米范围内变化，而且越接近跑道坐标系原点(即理想着陆点)z越接近0。

步骤108，计算光电经纬仪在跑道坐标系中的第一位置，补充目标在跑道坐标系中的定位解算条件，并根据定位解算条件确定目标在跑道坐标系中的第二位置。

光电经纬仪站点在跑道坐标系下的第一位置的坐标可以为(x_oc,y_oc,z_oc)。目标在跑道坐标系中的定位解算条件可以用于表示假定目标在跑道坐标系Z方向的坐标值为0，根据定位解算条件可以确定目标在跑道坐标系中的第二位置是(x,y,z)。

步骤110，根据第一位置、第二位置、第二单位方向向量，计算光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的点法式方程式。

由直线的点法式方程可求得OcL在跑道坐标系中的点法式方程式为：

步骤112，根据点法式方程式计算目标的定位坐标。

点法式方程式中，由于A、E是测量值为已知量，单位向量P(P₁,P₂,P₃)可通过P＝(P₁,P₂,P₃)^T式求得，所以只要知道光电经纬仪站点在跑道坐标系下的坐标O_cp(x_oc,y_oc,z_oc)^T和目标在跑道坐标***下x,y，z中的任何一个值，即可求得跑道方程式的解，即目标在跑道坐标系下的位置坐标，即目标的定位坐标。

在本实施例中，通过光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角；根据方位角、高低角计算出光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量；利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；第二单位方向向量为光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的单位方向向量；计算所述光电经纬仪在跑道坐标系中的第一位置，补充目标在跑道坐标系中的定位解算条件，并根据定位解算条件确定目标在跑道坐标系中的第二位置；根据第一位置、第二位置、第二单位方向向量，计算光电经纬仪主光轴在跑道坐标系中的点法式方程式；根据点法式方程式计算目标的定位坐标。在不满足双站定位解算条件或飞机上没有激光合作目标时，仅有一个站的方位角和俯仰角也可以对目标进行定位解算，使得获得的有效信息得到充分利用，进而有效利用这些信息完成对目标的定位并提供高精度的数据处理结果。

在一个实施例中，提供的一种利用光电经纬仪定位的方法还可以包括计算测量方程式的过程，具体过程包括：通过光电经纬仪获取目标在测量坐标系中的测量位置；根据测量位置、方位角、高低角，计算光电经纬仪主光轴在测量坐标系中的测量方程式。

如图4所示，光电经纬仪主光轴OcL过测量坐标系原点Oc，由直线的点法式方程，可求得光电经纬仪主光轴OcL在测量直角坐标系下的方程为：其中(x_c,y_c,z_c)为测量坐标系下目标位置。

在一个实施例中，提供的一种利用光电经纬仪定位的方法还可以包括得到第二方向向量的过程，具体过程包括：获取跑道坐标系的水平轴与大地北方向的夹角；根据夹角、方位角、高低角，利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量。

在一个实施例中，提供的一种利用光电经纬仪定位的方法还可以包括得到第二方向向量的过程，具体过程包括：采集测量坐标系的测量原点坐标，采集跑道坐标系的跑道原点坐标；根据夹角、方位角、高低角、测量原点坐标、跑道原点坐标，利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将第一单位方向向量转换为第二单位方向向量。

设跑道坐标系原点与测量坐标系原点的大地坐标分别为O(B_oL_oH_o)和O_c(B_oc,L_oc,H_oc)，跑道坐标系的水平X轴与大地北方向的夹角为α_o，A、E为测量设备测得的方位角和高低角，利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，可以把光电经纬仪主光轴OcL在测量直角坐标系中的第一方向向量K转换为跑道坐标系下的单位第二方向向量P＝(P₁,P₂,P₃)^T。即：

其中，

显然，当目标运动时，第二方向向量P随着设备的测量值A、E的变化而变化。

由于O_c(B_oc,L_oc,H_oc)为已知，所以测量站点的地心坐标可根据大地坐标转地心坐标公式求得，再利用地心坐标转跑道坐标系公式可求得测站在跑道坐标系下的坐标O_cp(x_oc,y_oc,z_oc)^T。令z为常值0，即在下滑道中飞机在跑道坐标系中的位置参数(x,y,z)^T＝(x,y,0)^T，此时点法式方程式的求解问题可简化为：而z_oc为已知，所以可求得飞机的x和y值。

在一个实施例中，提供的一种利用光电经纬仪定位的方法还可以包括对数据处理结果进行分析的过程，具体过程包括：计算出目标的理想着陆点在跑道坐标系中的理想坐标；计算理想坐标与定位坐标之间的差异值；根据差异值调整跑道方程式。

具体的，取两个架次的数据处理结果进行对比分析，用双站交汇定位计算结果为真值，取其中一个站点测得的方位角和俯仰角进行补充定位解算飞机在下滑道中的位置，然后将定位解算结果分别与双站交汇解算的x、y做一次差，得到的对比结果如图5、图6所示，其中，图5为第一架X方向值、Y方向值与真值的一次差图；图6为第二架X方向值、Y方向值与真值的一次差图。

如图5、图6所示，补充定位计算得到数据与双站交汇计算得到的定位解算结果都存在一定的误差，这个误差主要是由于z_b＝0这个补充条件引起。通过对40个样本数据的统计分析发现，在1200米以内，令z_b＝0时，补充定位解算结果和真值一次差的绝对值均小于0.5米，如下表所示，其中(x_s,y_s,z_s)为双站定位解算结果，(x_b,y_b,z_b)为补充定位解算结果。

从表中可以看到，飞机距理想着陆点-1500米～-1000米时，δ_x的取值范围在0.11米～1.55米范围内波动，δ_y在0.25米～1.4米范围内波动；飞机距理想着陆点-500米～0.0米时，δ_x的取值范围在0.12米～0.36米范围内波动，δ_y在0.05米～0.23米范围内波动，根据飞行讲评和飞行质量评估的数据处理精度要求，误差在可接受范围内，在没有其他信息提供精确定位结果的情况下，能够满足下滑道到着陆点之间飞行讲评和飞行质量评估的需求。

应该理解的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种利用光电经纬仪定位的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过光电经纬仪测得目标在测量坐标系中的方位角和高低角；

根据所述方位角、所述高低角计算出所述光电经纬仪主光轴的第一单位方向向量；

利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，采集所述测量坐标系的测量原点坐标，采集所述跑道坐标系的跑道原点坐标；将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量，包括：根据夹角、所述方位角、所述高低角、所述测量原点坐标、所述跑道原点坐标，利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，获取所述跑道坐标系的水平轴与大地北方向的夹角；将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量；所述第二单位方向向量为所述光电经纬仪主光轴在所述跑道坐标系中的单位方向向量；跑道坐标系的水平X轴与大地北方向的夹角为，A、E为测量设备测得的方位角和高低角，利用测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，把光电经纬仪主光轴OcL在测量直角坐标系中的第一方向向量K转换为跑道坐标系下的单位第二方向向量/>，即：/>其中，，；

设跑道坐标系原点与测量坐标系原点的大地坐标分别为和/>；

当目标运动时，第二方向向量P随着设备的测量值A、E的变化而变化；

由于为已知，所以测量站点的地心坐标根据大地坐标转地心坐标公式求得，再利用地心坐标转跑道坐标系公式求得测站在跑道坐标系下的坐标/>；令Z为常值0，即在下滑道中飞机在跑道坐标系中的位置参数/>，此时点法式方程式/>的求解问题简化为：/>，而/>为已知，所以求得飞机的x和y值；

计算所述光电经纬仪在所述跑道坐标系中的第一位置，补充所述目标在所述跑道坐标系中的定位解算条件，并根据所述定位解算条件确定所述目标在所述跑道坐标系中的第二位置；

根据所述第一位置、所述第二位置、所述第二单位方向向量，计算所述光电经纬仪主光轴在所述跑道坐标系中的点法式方程式；

根据所述点法式方程式计算所述目标的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述光电经纬仪获取所述目标在所述测量坐标系中的测量位置；

根据所述测量位置、所述方位角、所述高低角，计算所述光电经纬仪主光轴在所述测量坐标系中的测量方程式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量，包括：

根据所述夹角、所述方位角、所述高低角，利用所述测量坐标系到跑道坐标系的转换公式，将所述第一单位方向向量转换为第二单位方向向量。