CN114167900B - 一种基于无人机和差分gps的光电跟踪***标校方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置，利用差分GPS采集光电跟踪***以及任意两个标校点在地理坐标系下的部署点坐标信息；再通过光电跟踪***分别测量两个标校点在光电跟踪坐标系下的标校点测量坐标信息；根据部署点坐标信息、两个标校点实际坐标信息和两个标校点测量坐标信息，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；基于方位角、俯仰角和横滚角，得到光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的旋转矩阵；该旋转矩阵可以用于进行标校补偿。本发明实现了对光电跟踪***的快速、高精度标校。

Description

一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置，属于光电技术领域。

背景技术

光电跟踪***常用于精确定位和制导，因此常需要光电跟踪***具有很高的标校精度，以尽可能减小***误差。

光电跟踪***常规标校过程中，首先使用手动或自动设备将底座调平，保证主传感器在水平平面内，然后再修正转台方位角进行校北。调平时需要通过水平仪测定不同方向水平情况，并反复调整支撑腿，中间过程操作繁琐，且精度不易保证；校北时为保证精度一般需要在远处地面设置多个标校点，标校点之间尽可能保持方位偏差较大，随之带来地面人员、设备转移困难。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置，标校点的测量过程比较简单，而且计算得到标校误差后无需进行多次的硬件调平和校北，在软件中通过旋转矩阵进行实时的标校补偿，解决以往光电跟踪***常规标定过程中操作繁琐、过程复杂和精度较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，包括：

步骤一，利用差分GPS采集光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息；

步骤二，将所述差分GPS挂载于旋翼无人机，利用所述旋翼无人机任意选择两个标校点，并利用所述差分GPS分别测定两个所述标校点在所述地理坐标系下的标校点实际坐标信息；

步骤三，通过所述光电跟踪***分别测量两个所述标校点在光电跟踪坐标系下的标校点测量坐标信息；

步骤四，根据所述部署点坐标信息、两个所述标校点实际坐标信息和两个所述标校点测量坐标信息，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；

步骤五，基于所述方位角、所述俯仰角和所述横滚角，得到所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的旋转矩阵；其中，所述旋转矩阵用于进行实时的标校补偿。

可选地，所述地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴。

可选地，所述光电跟踪坐标系以所述光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以所述光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴；

可选地，所述部署点坐标信息包括部署点在所述地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度；所述标校点实际坐标信息包括所述标校点在所述地理坐标系下的实际方位、实际俯仰、实际距离；所述标校点测量坐标信息包括所述标校点在所述光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰和测量距离。

可选地，步骤四包括：

根据所述部署点的部署点经度、部署点纬度、部署点高度和两个所述标校点的实际方位、实际俯仰、实际距离，计算出所述标校点在所述地理坐标系下相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰和相对距离；

根据两个所述标校点相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰和相对距离，以及两个所述标校点的测量方位、测量俯仰和测量距离，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角。

可选地，采用如下公式计算所述旋转矩阵：

其中，α是所述方位角、β是所述俯仰角和γ是所述横滚角，P_α是OX₁轴的旋转矩阵，P_β是OY₁轴的旋转矩阵，P_γ是OZ₁轴的旋转矩阵。

可选地，所述旋转矩阵用于将目标在所述光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的目标实际坐标信息。

可选地，按如下公式将目标在所述光电跟踪坐标系下测得的所述目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的所述目标实际坐标信息：

A_j＝arcsin[sinγcosA_isin(E_i-α)-cosγsinβcosA_icos(E_i-α)+cosβcosγsinA_i]，

R_j＝R_i；

其中，所述目标实际坐标信息包括目标实际方位A_j、目标实际俯仰E_j和目标实际距离R_j，所述目标测量坐标信息包括目标测量方位A_i、目标测量俯仰E_i和目标测量距离R_i。

可选地，两个所述标校点位于，以所述光电跟踪***为圆心、以所述旋翼无人机飞行限制距离为半径的范围内。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校装置，包括光电跟踪***、旋翼无人机和差分GPS；其中，所述光电跟踪***包括红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合、通信组合和后端显控设备；所述差分GPS为独立供电且离线存储定位数据；

所述差分GPS用于采集所述光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息、以及分别测定两个标校点在所述地理坐标系下的标校点实际坐标信息，并存储所述部署点坐标信息和所述标校点实际坐标信息；其中，所述地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴；所述部署点坐标信息包括部署点在所述地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度；所述标校点实际坐标信息包括所述标校点在所述地理坐标系下的实际方位、实际俯仰、实际距离；

所述旋翼无人机用于挂载所述差分GPS、以及悬停在任意选择的两个所述标校点；

所述红外热像仪和所述可见光摄像机用于采集所述旋翼无人机的图像；所述伺服控制组合用于调整所述红外热像仪和所述可见光摄像机的角度，以将所述旋翼无人机保持在图像中心位置；

所述伺服转台用于读取目标或所述标校点的测量方位和测量俯仰；所述激光测距机用于获得所述目标与所述部署点之间的测量距离；其中，标校点测量坐标信息包括所述标校点在光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰和测量距离；所述光电跟踪坐标系以所述光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以所述光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴；

所述通信组合用于所述后端显控设备、所述红外热像仪、所述可见光摄像机、所述激光测距机、所述伺服转台、所述伺服控制组合之间的通信，以及传输图像、状态信息、控制指令和所述标校点测量坐标信息；

所述后端显控设备用于，对所述红外热像仪、所述可见光摄像机、所述激光测距机、所述伺服转台、所述伺服控制组合的控制；图像显示、状态显示和实时标校补偿；根据所述部署点坐标信息、两个所述标校点实际坐标信息和两个所述标校点测量坐标信息，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；以及，基于所述方位角、所述俯仰角和所述横滚角，得到所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的旋转矩阵；其中，所述旋转矩阵用于进行实时的标校补偿。

可选地，两个所述标校点位于，以光电跟踪***为圆心、以旋翼无人机飞行限制距离为半径的半球范围内。

可选地，所述后端显控设备进一步用于：

根据所述部署点的部署点经度、部署点纬度、部署点高度和两个所述标校点的实际方位、实际俯仰、实际距离，计算出所述标校点在所述地理坐标系下相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰和相对距离；

根据两个所述标校点相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰和相对距离，以及两个所述标校点的测量方位、测量俯仰和测量距离，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；

以及，采用如下公式计算所述旋转矩阵：

其中，α是所述方位角、β是所述俯仰角和γ是所述横滚角，P_α是OX₁轴的旋转矩阵，P_β是OY₁轴的旋转矩阵，P_γ是OZ₁轴的旋转矩阵。

可选地，所述后端显控设备还用于：按如下步骤将所述目标在所述光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的目标实际坐标信息：

A_j＝arcsin[sinγcosA_isin(E_i-α)-cosγsinβcosA_icos(E_i-α)+cosβcosγsinA_i]，

R_j＝R_i；

其中，所述目标实际坐标信息包括目标实际方位A_j、目标实际俯仰E_j和目标实际距离R_j，所述目标测量坐标信息包括目标测量方位A_i、目标测量俯仰E_i和目标测量距离R_i。

实施本发明的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置，具有以下有益效果：

采用挂载高精度差分GPS的无人机在不同方位、俯仰和距离上静态测定多个标校点，获取标校点经度、维度和高度信息，同时光电跟踪***将主传感器中心对准标校点，获取各标校点方位、俯仰和距离信息，任选两个标校点和设备部署点计算出当前光电跟踪***姿态(方位角、俯仰角和横滚角)，获取一次标校后，通过旋转矩阵补偿可获取目标实际方位、俯仰和距离信息，无须进行反复的基座调平、方位校北和标校验证工作。上述技术方案解决了以往光电跟踪***标校过程中调平、校北过程繁琐和精度不高的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法的示意图；

图2是本发明实施例的坐标系示意图；

图3是根据本发明一个可参考实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法的主要流程的示意图；

图4是本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校装置的示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，主要包括如下步骤：

步骤一，利用差分GPS采集光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息。差分GPS(differential GPS-DGPS，DGPS)是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户(GPS导航仪)，对用户的测量数据进行修正，以提高GPS(全球定位***)定位精度。参考图2，地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴。地理坐标系是以光电跟踪***(部署点)为零点的坐标系。本发明实施例以光电跟踪***作为部署点，以差分GPS采集地理坐标系下光电跟踪***的部署点坐标信息，其中，部署点坐标信息包括部署点在地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度。

步骤二，将差分GPS挂载于旋翼无人机，利用旋翼无人机任意选择两个标校点，并利用差分GPS分别测定两个标校点在地理坐标系下的标校点实际坐标信息。本发明实施例以任意选择的两个位置作为标校点，并通过旋翼无人机挂载差分GPS的方式分别测定地理坐标系下两个标校点的标校点实际坐标信息，其中，标校点实际坐标信息包括标校点在地理坐标系下的实际方位、实际俯仰、实际距离。需要说明的是，标校点的位置可以通过控制旋翼无人机在任意位置悬停来确定，且两个标校点均位于以光电跟踪***为圆心、以旋翼无人机飞行限制距离为半径的范围内。

步骤三，通过光电跟踪***分别测量两个标校点在光电跟踪坐标系下的标校点测量坐标信息。参考图2，光电跟踪坐标系以光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴，光电跟踪坐标系也是以光电跟踪***(部署点)为零点的坐标系。通过光电跟踪***测量标校点的坐标时，以光电跟踪坐标系表示标校点的坐标。其中，标校点测量坐标信息包括标校点在光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰和测量距离。

步骤四，根据部署点坐标信息、两个标校点实际坐标信息和两个标校点测量坐标信息，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角。在获得部署点坐标信息、标校点实际坐标信息和标校点测量坐标信息后，便可以进一步计算光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，即光电跟踪坐标系(坐标系O-X₁Y₁Z₁)沿OZ轴旋转方位角、沿OY轴旋转俯仰角、沿OX轴旋转横滚角可得到地理坐标系(坐标系O-XYZ)。

对于方位角、俯仰角和横滚角的计算，可以用前述步骤得到的部署点和标校点的经度、纬度、高度分别计算得出。在本发明实施例中，步骤四可以采用如下方式实现：根据部署点的部署点经度、纬度、高度和两个标校点的实际方位、纬度、高度，计算出标校点在地理坐标系下相对于部署点的相对方位、俯仰和距离；根据两个标校点在地理坐标系和光电跟踪坐标系下的方位、俯仰和距离，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角。

步骤五，基于方位角、俯仰角和横滚角，得到光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的旋转矩阵。利用上一步计算出的光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，可以进一步得到光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的旋转矩阵，该旋转矩阵可以用于进行标校补偿。

在本发明实施例中，旋转矩阵可以具体用于将目标在光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在地理坐标系下的目标实际坐标信息。可以采用如下公式计算旋转矩阵：

其中，α表示方位角，β表示俯仰角，γ表示横滚角，P_α表示OX₁轴的旋转矩阵，P_β表示OY₁轴的旋转矩阵，P_γ表示OZ₁轴的旋转矩阵。

此外，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，还可以包括步骤六，在后端显控设备中通过旋转矩阵对目标在地理坐标系下的实际位置进行实时补偿，无须进行反复基座调平、方位校北和标校验证工作。

在得到旋转矩阵后光电跟踪***便可以用于实际测量，具体地，光电跟踪***测得目标在光电跟踪坐标系下的目标测量坐标信息后，利用旋转矩阵进行计算即可得到目标在地理坐标系下的目标实际坐标信息。可以按如下公式将目标在光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在地理坐标系下的目标实际坐标信息：

A_j＝arcsin[sinγcosA_isin(E_i-α)-cosγsinβcosA_icos(E_i-α)+cosβcosγsinA_i]

R_j＝R_i

其中，目标在地理坐标系下的目标实际坐标信息包括目标实际方位A_j、目标实际俯仰E_j和目标实际距离R_j，目标在光电跟踪坐标系下的目标测量坐标信息包括目标测量方位A_i、目标测量俯仰E_i和目标测量距离R_i。

如图3所示，作为一种可参考的实施方式，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，可以采用如下方式实施：

首先，设备部署

包括光电跟踪***、旋翼无人机和差分GPS的组建及连接，建立地理坐标系。

光电跟踪***由红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合、通信组合和后端显控设备组成；其中，旋翼无人机优选四旋翼无人机，例如大疆精灵4pro；差分GPS要求具备体积小、重量轻、独立供电、离线存储定位数据等特点，便于挂载在旋翼无人机上，可选用Unistrong G659高精度手持机。

此外，上述设备的操作，最多需要两名人员配合即可完成，具体地，一名人员操作光电跟踪***，一名人员作为操作旋翼无人机。

地理坐标系是建立在地球表面上的，OX轴为地球正北方向，OY轴为地球正东方向，OZ为垂直于地球表面向上。

在完成以上组建之后建立光电跟踪坐标系，光电跟踪坐标系是建立在光电跟踪***内，OX₁轴为光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面，OY₁轴为光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面，OZ₁轴为垂直于X₁OY₁平面向上。

其次，部署点测量

以光电跟踪***作为部署点，使用差分GPS采集光电跟踪***的部署点经度、纬度、高度信息，即采集部署点坐标信息。

同时，标校点测量

旋翼无人机在不同方位、俯仰和距离选择两个标校点。然后通过其上挂载的差分GPS测定标校点的真实经度、纬度、高度信息，即测定标校点实际坐标信息。再通过光电跟踪***测量两个标校点的方位、俯仰、距离信息，即测量标校点测量坐标信息。

然后，光电跟踪坐标系计算

通过部署点坐标信息、以及两个标校点的标校点实际坐标信息和标校点测量坐标信息，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角。

最后，旋转矩阵计算

计算倾斜平面坐标系相对于地理坐标系的旋转矩阵。

光电跟踪坐标系下测得的方位、俯仰、距离(即标校点测量坐标信息)，通过旋转矩阵计算后，得到标校点在地理坐标系下的方位、俯仰、距离(即标校点实际坐标信息)。

通过上述实施例的说明可以发现，针对现有光电跟踪***标校方法操作繁琐、过程复杂和精度较低等问题，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，采用无人机挂载差分GPS确保无人机操作手在部署点即可完成对360°、旋翼无人机飞行限制距离(例如5km)范围内任意的标校点进行测定；通过旋转矩阵实现对光电跟踪***倾斜平面的补偿，无须再对光电跟踪***进行调平、校北工作；当基于计算机软件进行标校时，整个标校过程操作简单，仅需无人机选择两个标校点，通过差分GPS获取真实值，通过光电跟踪***获取测量值，将真实值和测量值填入计算机软件中，计算机软件自动计算出旋转矩阵并在后续实际使用过程中进行实时补偿，输出相对于地理坐标系的真实值。

如图4所示，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校装置，主要包括光电跟踪***、旋翼无人机和差分GPS。其中，光电跟踪***包括红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合、通信组合和后端显控设备。

差分GPS为独立供电且离线存储定位数据，且具备体积小和重量轻等特点，便于挂载在旋翼无人机上。差分GPS用于采集光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息、以及分别测定两个标校点在地理坐标系下的标校点实际坐标信息，并存储部署点坐标信息和标校点实际坐标信息。其中，地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴；部署点坐标信息包括部署点在地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度；标校点实际坐标信息包括标校点在地理坐标系下的实际方位、实际俯仰、实际距离。

旋翼无人机用于挂载差分GPS、以及悬停在任意选择的两个标校点。需要说明的是，标校点的位置可以通过控制旋翼无人机在任意位置悬停来确定，且两个标校点均位于，以光电跟踪***为圆心、以旋翼无人机飞行限制距离为半径的范围内。

红外热像仪和可见光摄像机用于采集旋翼无人机的图像；伺服控制组合用于调整红外热像仪和可见光摄像机的角度，以将旋翼无人机保持在图像中心位置。在通过红外热像仪和可见光摄像机采集旋翼无人机的图像时，需要将旋翼无人机保持在图像中心位置，可以通过伺服控制组合调整红外热像仪和可见光摄像机的角度，从而使悬停的旋翼无人机保持在图像中心位置。

伺服转台用于读取目标或标校点的测量方位角和测量俯仰角；激光测距机用于获得目标或标校点和部署点之间的距离。目标或标校点的坐标测量，可以通过伺服转台和激光测距机获取的方位、俯仰和距离信息，结合部署点经度、部署点纬度和部署点高度，进行换算进而得到目标或标校点的测量方位、测量俯仰和测量距离。其中，光电跟踪坐标系以光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴；标校点测量坐标信息包括标校点在光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰和测量距离。

通信组合用于后端显控设备和红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合之间的通信，以及传输图像、状态信息、控制指令和标校点测量坐标信息。

后端显控设备用于对红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合的控制、图像显示、状态显示和实时标校补偿，根据部署点坐标信息、两个标校点实际坐标信息和两个标校点测量坐标信息，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；以及，基于方位角、俯仰角和横滚角，得到光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的旋转矩阵。其中，旋转矩阵用于进行实时的标校补偿。

作为一种优选的实施方式，后端显控设备可以进一步用于以下几项：

一、根据部署点的部署点经度和两个标校点的实际方位，计算出标校点在地理坐标系下相对于部署点的相对方位；根据部署点的部署点纬度和两个标校点的实际俯仰，计算出标校点在地理坐标系下相对于部署点的相对俯仰；根据部署点的部署点高度和两个标校点的实际距离，计算出标校点在地理坐标系下相对于部署点的相对距离；根据相对方位和两个标校点的测量方位，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的方位角；根据相对俯仰和两个标校点的测量俯仰，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的俯仰角；根据相对距离和两个标校点的测量距离，计算出光电跟踪坐标系相对于地理坐标系的横滚角。

二、采用如下公式计算旋转矩阵：

其中，α是方位角、β是俯仰角和γ是横滚角，P_α是OX₁轴的旋转矩阵，P_β是OY₁轴的旋转矩阵，P_γ是OZ₁轴的旋转矩阵。

三、按如下步骤将目标在光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在地理坐标系下的目标实际坐标信息：

A_j＝arcsin[sinγcosA_isin(E_i-α)-cosγsinβcosA_icos(E_i-α)+cosβcosγsinA_i]，

R_j＝R_i；

其中，目标在地理坐标系下的目标实际坐标信息包括目标实际方位A_j、目标实际俯仰E_j和目标实际距离R_j，目标在光电跟踪坐标系下的目标测量坐标信息包括目标测量方位A_i、目标测量俯仰E_i和目标测量距离R_i。

作为一种可参考的实施方式，本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校装置，可以采用如下方式实施：

部署点测量：

将差分GPS开机，待设备搜星完成正常工作后，在红外热像仪中心位置放置30s，测定得到部署点位置信息(即部署点坐标信息)。

标校点测量：

将差分GPS固定在旋翼无人机顶部，在不同方位、俯仰、距离上任意选择两个标校点，无人机起飞至其中一个标校点悬停30s，测定得到标校点真实值(即标校点实际坐标信息)，与此同时，操作伺服控制组合使旋翼无人机保持在红外热像仪和可见光摄像机的图像中心位置，通过伺服转台读取该标校点当前的方位、俯仰信息，通过激光测距机获得目标和部署点之间距离信息，再以相同方式测量另一个标校点的方位、俯仰、距离信息。

光电跟踪坐标系计算：

通过部署点位置信息和两个标校点真实值计算出标校点在地理坐标系下相对于部署点的相对方位、相对俯仰、相对距离，结合光电跟踪坐标系下标校点方位、俯仰、距离的测量值(即标校点测量坐标信息)，计算出地理坐标系相对于光电跟踪坐标系的方位角α、俯仰角β和横滚角γ，即坐标系O-X₁Y₁Z₁沿OZ轴旋转α、沿OY轴旋转β、沿OX轴旋转γ可得到坐标系O-XYZ。

旋转矩阵计算：

三个方向的旋转矩阵可通过如下公式计算：

地理坐标系下目标方位、俯仰信息计算：

光电跟踪坐标系下目标位置为P_i，其在地理坐标系中的投影为P_j，则有：

[P_j]＝P_γP_βP_α[P_i]

通过光电跟踪***测得的任意目标的位置信息为目标测量方位A_i、目标测量俯仰E_i和目标测量距离R_i，则目标在光电跟踪***坐标系下的坐标信息为：P_i(R_icosA_icosE_i,R_icosA_isinE_i,R_isinA_i)，已知R_j＝R_i，经过旋转矩阵转换后则有：

由此可计算出目标在地理坐标系下目标实际方位A_j，目标实际俯仰E_j

A_j＝arcsin[sinγcosA_isin(E_i-α)-cosγsinβcosA_icos(E_i-α)+cosβcosγsinA_i]

实际标定过程中，计算出旋转矩阵后将A_j和E_j表达式中已知参数替换，只有A_i和E_i为变量，这样即可实现在软件中的实时标校过程。

本发明实施例的一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法及装置。采用挂载高精度差分GPS的无人机在不同方位、俯仰和距离上静态测定多个标校点，获取标校点经度、维度和高度信息，同时光电跟踪***将主传感器中心对准标校点，获取各标校点方位、俯仰和距离信息，任选两个标校点和设备部署点计算出当前光电跟踪***姿态(方位角、俯仰角和横滚角)，获取一次标校后，通过旋转矩阵补偿可获取目标实际方位、俯仰和距离信息，无须进行反复的基座调平、方位校北和标校验证工作。本发明实现了对光电跟踪***的快速、高精度标校，解决以往光电跟踪***标校过程中调平、校北过程繁琐和精度不高的问题。

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。

Claims (10)

1.一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校方法，其特征在于，包括：

步骤一，利用差分GPS采集光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息；

步骤二，将所述差分GPS挂载于旋翼无人机，利用所述旋翼无人机任意选择两个标校点，并利用所述差分GPS分别测定两个所述标校点在所述地理坐标系下的标校点实际坐标信息；

步骤三，通过所述光电跟踪***分别测量两个所述标校点在光电跟踪坐标系下的标校点测量坐标信息；

步骤四，根据所述部署点坐标信息、两个所述标校点实际坐标信息和两个所述标校点测量坐标信息，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；

步骤五，基于所述方位角、所述俯仰角和所述横滚角，得到所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的旋转矩阵；其中，所述旋转矩阵用于进行实时的标校补偿。

2.根据权利要求1所述的光电跟踪***标校方法，其特征在于：

所述地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴；

所述光电跟踪坐标系以所述光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以所述光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴；

所述部署点坐标信息包括部署点在所述地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度；所述标校点实际坐标信息包括所述标校点在所述地理坐标系下的实际方位、实际俯仰角、实际距离；所述标校点测量坐标信息包括所述标校点在所述光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰角和测量距离；

以及，步骤四包括：

根据所述部署点的部署点经度、部署点纬度、部署点高度和两个所述标校点的实际方位、实际俯仰角、实际距离，计算出所述标校点在所述地理坐标系下相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰角和相对距离；

根据两个所述标校点相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰角和相对距离，以及两个所述标校点的测量方位、测量俯仰角和测量距离，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角。

3.根据权利要求1所述的光电跟踪***标校方法，其特征在于：

采用如下公式计算所述旋转矩阵：

；

其中，

是所述方位角、/>

是所述俯仰角和/>

是所述横滚角，/>

是OX₁轴的旋转矩阵，

是OY₁轴的旋转矩阵，/>

是OZ₁轴的旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的光电跟踪***标校方法，其特征在于：所述旋转矩阵用于将目标在所述光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的目标实际坐标信息。

5.根据权利要求4所述的光电跟踪***标校方法，其特征在于，按如下公式将目标在所述光电跟踪坐标系下测得的所述目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的所述目标实际坐标信息：

，

，

；

其中，所述目标实际坐标信息包括目标实际方位A _j 、目标实际俯仰角E _j 和目标实际距离R _j ，所述目标测量坐标信息包括目标测量方位A _i 、目标测量俯仰角E _i 和目标测量距离R _i 。

6.根据权利要求1所述的光电跟踪***标校方法，其特征在于：两个所述标校点位于，以所述光电跟踪***为圆心、以所述旋翼无人机飞行限制距离为半径的范围内。

7.一种基于无人机和差分GPS的光电跟踪***标校装置，其特征在于，包括光电跟踪***、旋翼无人机和差分GPS；其中，所述光电跟踪***包括红外热像仪、可见光摄像机、激光测距机、伺服转台、伺服控制组合、通信组合和后端显控设备；所述差分GPS为独立供电且离线存储定位数据；

所述差分GPS用于采集所述光电跟踪***在地理坐标系下的部署点坐标信息、以及分别测定两个标校点在所述地理坐标系下的标校点实际坐标信息，并存储所述部署点坐标信息和所述标校点实际坐标信息；其中，所述地理坐标系以地球正北方向为OX轴、以地球正东方向为OY轴、以垂直于地球表面向上为OZ轴；所述部署点坐标信息包括部署点在所述地理坐标系下的部署点经度、部署点纬度和部署点高度；所述标校点实际坐标信息包括所述标校点在所述地理坐标系下的实际方位、实际俯仰角、实际距离；

所述旋翼无人机用于挂载所述差分GPS、以及悬停在任意选择的两个所述标校点；

所述红外热像仪和所述可见光摄像机用于采集所述旋翼无人机的图像；所述伺服控制组合用于调整所述红外热像仪和所述可见光摄像机的角度，以将所述旋翼无人机保持在图像中心位置；

所述伺服转台用于读取目标或所述标校点的测量方位和测量俯仰角；所述激光测距机用于获得所述目标与所述部署点之间的测量距离；其中，标校点测量坐标信息包括所述标校点在光电跟踪坐标系下的测量方位、测量俯仰角和测量距离；所述光电跟踪坐标系以所述光电跟踪***平面内伺服方位零位方向且垂直于俯仰零位平面为OX₁轴、以所述光电跟踪***平面内伺服俯仰零位方向且垂直于方位零位平面为OY₁轴、以垂直于X₁OY₁平面向上为OZ₁轴；

所述通信组合用于所述后端显控设备、所述红外热像仪、所述可见光摄像机、所述激光测距机、所述伺服转台、所述伺服控制组合之间的通信，以及传输图像、状态信息、控制指令和所述标校点测量坐标信息；

所述后端显控设备用于，对所述红外热像仪、所述可见光摄像机、所述激光测距机、所述伺服转台、所述伺服控制组合的控制；图像显示、状态显示和实时标校补偿；根据所述部署点坐标信息、两个所述标校点实际坐标信息和两个所述标校点测量坐标信息，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；以及，基于所述方位角、所述俯仰角和所述横滚角，得到所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的旋转矩阵；其中，所述旋转矩阵用于进行实时的标校补偿。

8.根据权利要求7所述的光电跟踪***标校装置，其特征在于：两个所述标校点位于，以光电跟踪***为圆心、以旋翼无人机飞行限制距离为半径的半球范围内。

9.根据权利要求7所述的光电跟踪***标校装置，其特征在于，所述后端显控设备进一步用于：

根据所述部署点的部署点经度、部署点纬度、部署点高度和两个所述标校点的实际方位、实际俯仰角、实际距离，计算出所述标校点在所述地理坐标系下相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰角和相对距离；

根据两个所述标校点相对于所述部署点的相对方位、相对俯仰角和相对距离，以及两个所述标校点的测量方位、测量俯仰角和测量距离，计算出所述光电跟踪坐标系相对于所述地理坐标系的方位角、俯仰角和横滚角；

以及，采用如下公式计算所述旋转矩阵：

；

其中，

是所述方位角、/>

是所述俯仰角和/>

是所述横滚角，/>

是OX₁轴的旋转矩阵，

是OY₁轴的旋转矩阵，/>

是OZ₁轴的旋转矩阵。

10.根据权利要求7所述的光电跟踪***标校装置，其特征在于，所述后端显控设备还用于：按如下步骤将所述目标在所述光电跟踪坐标系下测得的目标测量坐标信息转换为在所述地理坐标系下的目标实际坐标信息：

，

，

；

其中，所述目标实际坐标信息包括目标实际方位A _j 、目标实际俯仰角E _j 和目标实际距离R _j ，所述目标测量坐标信息包括目标测量方位A _i 、目标测量俯仰角E _i 和目标测量距离R _i 。

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