光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术

《光电测量技术》课程读书报告

光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术

院（系）名称：电气工程及自动化学院

专业名称：自动化测试与控制系

学生学号：

学生姓名：

指导教师：

哈尔滨工业大学

2016年11月

目录

第1章绪论............................................................................................... 错误!未定义书签。

1.1课题背景及研究意义 (1)

1.2国内外光电经纬仪技术的研究现状 (1)

1.3光电经纬仪测速方法和应用现状 (3)

1.4报告主要研究内容及结构安排 (4)

1.5本章小结 (5)

第2章跟踪测量理论基础....................................................................... 错误!未定义书签。

2.1常用坐标系及坐标转换 (6)

2.1.1地心坐标系 (6)

2.1.2跑道坐标系 (7)

2.1.3测量坐标系 (7)

2.1.4辅助坐标系 (8)

2.2直角坐标系之间的转换 (8)

2.3目标空间定位方法 (9)

2.3.1单站定位 (9)

2.3.2双站交会定位 (10)

2.3.3纯测距信息定位 (11)

2.4本章小结 (12)

第3章光电跟踪测量............................................................................... 错误!未定义书签。

3.1激光测距仪 (13)

3.2单站双站综合测量 (14)

3.3本章小结 (15)

参考文献..................................................................................................... 错误!未定义书签。

第1章绪论

1.1 课题背景及研究意义

现代化靶场上的武器控制系统、激光通讯设备或者是天文观测仪器中，为了迅速地发现并精确地跟踪目标，都需要安装光电捕获跟踪与瞄准装置。光电经纬仪作为既能记录目标的运动姿态，又能实现对目标高精度空间测量的靶场光电跟踪测量设备，具有测量精度高、事后可复现、直观性强等优点，因此，在靶场跟踪测量领域得到了广泛的应用[1]。

为了精确地跟踪运动目标，一旦确定运动目标之后，需要将目标的运动轨迹以及运动状态记录下来。而运动目标的外弹道测量数据主要包括两方面的内容：第一，运动姿态；第二，弹道数据：如目标在各跟踪测量时刻的空间位置坐标、速度、距离、航迹倾角、航迹偏角等等[2]。得到目标在当前时刻的速度，对于分析目标的空间运动特性、几何特性、物理特性以及后续跟踪测量时刻对目标的识别、运动过程的模拟仿真、航迹测量等具有非常重要的意义[3]。

在靶场试验中，光电经纬仪对运动目标进行跟踪测量时，只能测得目标在各跟踪时刻的方位角和俯仰角，不能直接输出目标的速度测量值。因此，本文主要针对光电经纬仪不能直接测得跟踪目标的速度值这一问题，开展了光电测量仪器的测速误差分析及提高精度方法这一研究。

利用光电经纬仪输出的方位角和俯仰角的角度值，以及加装激光距仪输出的目标距光电经纬仪的距离，采用相应的数学算法获取目标的速度、加速度与测量时间的函数关系，据此外推目标在下一时刻的空间位置坐标、速度和加速度等运动参数[4]。将目标的速度参数反馈给光电经纬仪自身的伺服控制系统，作为目标继续跟踪捕获的参考。这在光电跟踪测量领域中，对提高光电经纬仪的跟踪测量精度具有非常重要的现实意义，也是今后该领域研究的目标和方向。

1.2 国内外光电经纬仪技术的研究现状

光电经纬仪作为现代化靶场最基本的光电测量仪器，被广泛应用于航空航天以及武器试验等军事科研领域。

从60年代初期开始，国内的一些研究所和高校开始自己研制靶场试验专用光电经

纬仪。其中，最具有代表性的研制单位是长春光机所和成都光电所，这两个研究所研制的靶场专用大型光电经纬仪代表了国内光电经纬仪技术的最高水平[5]。

图1.1 光电经纬仪

60年代中期，长春光机所就己经研制了第一台光学电影经纬仪。60年代末，第二台光学电影经纬仪成功问世，这台经纬仪安装了光学轴角编码器，并且可以实时地对外输出测量角度值。在70年代生产的经纬仪，己经采用激光测距仪实现激光测距的功能，并且安装有电视实时记录目标序列图像[6]。80年代中期的第四代光学电影经纬仪，己经采用集成电路、微处理机等技术，可以实现变焦距捕获电视、红外、程序引导等多种跟踪手段，并且具有跟踪精度高、测量距离远等优点。如今，在崭新的21世纪，长春光机所所生产的全新光电经纬仪不仅安装了全波段传感器，而且具有大口径、测量精度高、作用距离远的优点，能够全天候的工作，并且具有一定的对抗功能，在靶场光电跟踪测量领域，光电经纬仪己经成为了必不可少的试验工具。

国外的导弹试验靶场配备的光电经纬仪不仅数量多、测量精度高，而且更新换代速度非常快。图1.2是美国的靶场光电经纬仪正在对发射的导弹进行跟踪测量试验的图片。

图1.2 国外的光电测量系统

早在1791年，英国的威廉·康格里夫就在英格兰伍尔威奇兵工厂用小型望远镜跟踪了射程高达4570m的“康格里夫”火箭。而真正开创了光学测量界先河的是美国的戈达德夫人，她在1926年，用锡尼柯达摄影机对罗伯特H-戈达德博士的液体火箭研制过程做了摄影记录[7]。1937年，德国的冯布劳恩用阿斯卡尼亚经纬仪加装16mm的摄影机，用于320公里试验射程的V-2火箭轨迹的拍摄。在1940年，第一台电影经纬仪(KTH-41)正式装备德国的佩内明德试验靶场。至20世纪70年代初，美国的太平洋导弹靶场就己经装备了23台电影经纬仪，而大西洋导弹靶场仅次于太平洋导弹靶场。1993年，美国的Boeing Duluth公司研制出了高性能光电测量系统，它具有反应速度快、体积小、质量轻等特点。国外光电经纬仪的型号主要有KTH-500，RA-SUM，EOTS，GEODSS，K-400，RADOT，KINETO，MAST等[8]。

在现代化靶场上，光电经纬仪的工作状态主要有两种：固定站形式和活动站形式。而活动站的工作状态又分为两种：一种是把光电经纬仪安装在车载平台上；一种是把光电经纬仪直接安装到轮船的甲板上。国内靶场的光电经纬仪大都采用固定地基式的工作方式，这种安装方式虽然机动性能差，但钢筋混凝土结构的地基可以使光电经纬仪平稳地工作，且带动误差小。因此，光电经纬仪在跟踪测量过程中产生的测量误差也比较小。本文主要的研究对象是新型具有激光距功能的固定站式大型光电经纬仪。

1.3 光电经纬仪测速方法和应用现状

在靶场上，光电经纬仪对目标进行跟踪测量时，跟踪精度与响应速度是其实现精密跟踪的关键，而获取目标的运动特性是跟踪系统的主要技术要求。其中，目标的运动特