无人机载光学侦察系统实时目标定位器设计

文章编号:1671-637Ⅹ(2008)1120047203

无人机载光学侦察系统实时目标定位器设计

吴艳梅1,2,　李　刚3,　张　霞2

(1.昆明理工大学,昆明　650093;　2.装备指挥技术学院,北京　101416;　3.航天空气动力技术研究院第三研究

部,北京　100074)

摘 要:　介绍了无人机载光学侦察系统目标定位原理,并设计出基于DSP处理器的实时目标定位器,同时给出了目标定位的误差因素及精度分析。

关　键　词:　无人机;　目标定位器;　DSP;　坐标变换;　误差

中图分类号:　V271.4 文献标识码:　A

Design of a real2time object locator for

optical reconnaissance system onboard UAV

W U Y an2mei1,2,　LI G ang3,　ZH ANG X ia2

(1.Kunming Univer sity o f Science and Technology,Kunming650093,China;　2.Institute o f Command and Technology o f

Equipment o f P LA,Beijing101416,China;　3.Aerospace Aerodynamic Technology Academy,Beijing100074,China)

Abstract:　Optical reconnaissance system is one of the im portant payloads of Unmanned Air Vehicle(UAV) for reconnaissance.Since the optical reconnaissance system is independent to UAV,m ost of the former systems had to trans fer the UAV information(position,attitude)and reconnaissance system information to the ground for calculating the position of the object.The time delays of data trans fer link and image com pression/ decom pression etc.are not consistent,thus may result in problems in ground analysis.Therefore,it is very im portant to obtain the location information of the object in real time.The principle of object locator for optical reconnaissance system onboard UAV is introduced.A real2time object locator is designed based on DSP.

Factors that have effect on accuracy of object locating are analyzed.

K ey w ords:　Unmanned Air Vehicle(UAV);　object locator;　DSP;　coordinate trans formation;　error

0　引言

光学侦察系统作为重要的有效载荷之一,在无人侦察机中得到广泛应用[1]。在实际应用中,要求系统在提供区域侦察图像的同时,还能够提供锁定目标点的数字化定位信息(经度、纬度、高度)。然而由于光学侦察系统作为有效载荷独立于载机,在没有载机位置和姿态信息的情况下,它只能提供与目标点对应的云台角度信息和目标测距信息。原有系统多数通过数据传输系统将载机信息(位置、姿态)以及侦察系统信息(云台角度、测距值)传至地

收稿日期:2007201222 修回日期:2008208224

作者简介:吴艳梅(1975-),女,湖南新化人,博士生,研究方向为光学信息处理。面,在地面解算出目标的位置信息(经度、纬度、高度),然后将目标位置信息叠加在图像上。由于数传链路、信息解算、图像压缩解压缩等过程产生的延时不一致,导致解算得到的信息与实际图像很难匹配,给地面判读造成一定困难。为了实时得到目标的定位信息,需要将载机信息与侦察系统信息结合起来,解算出目标的位置信息(经度、纬度、高度),并将其叠加在图像上传回地面。

1　无人机光学侦察系统定位原理无人机载光学侦察系统定位过程如下:由地面根据侦察图像指定目标,侦察系统控制云台使目标处于图像中间位置,即使目标与镜头光轴重合;此时侦察系统输出云台的方位角、俯仰角以及目标的激光测距数值,飞控计算机输出飞机的大地坐标值(经

第15卷第11期2008年11月

电光与控制

E lectronics Optics&C ontrol

V ol.15　N o.11

N ov.2008

度、纬度、海拔高度)以及飞机的姿态数据(横滚角、

俯仰角、航向角);根据这些数据可以解算出目标点的地理坐标值。无人机侦察定位系统结构见图1

。

图1　无人机侦察定位系统结构图

图1中①

为已叠加目标位置信息的图像信号;

②为侦察系统信息(云台角度、目标测距数据);③为无人机信息(位置、姿态数据)

;④为目标位置信息。根据以上系统结构,目标定位器的解算过程涉及4个坐标系,即云台坐标系、载机机体坐标系、载机地理坐标系和大地坐标系。解算方法采取从目标点的云台坐标系的坐标值求得目标在载机机体坐标系的坐标值,再求得其在载机地理坐标系的坐标值,最后

得到目标在大地坐标系的坐标。以下是相关坐标系定义。云台坐标系定义为:X 轴为镜头所指方向,Z 轴从镜头左指向右,Y 轴由镜头腹部指向镜头背部,原点位于转轴中心。由于镜头始终锁定跟踪目标,假设目标的测距值为L ,则目标在云台坐标系的坐标为

[L ,0,0][223]

;载机机体坐标系定义为:X 轴从飞机纵轴指向机头,Z 轴从左翼指向右翼,Y 轴由机腹指向机背;载机地理坐标系定义为:X 轴从飞机质心指向正北,Z 轴从飞机质心指向正东,Y 轴由飞机质心指向地心,即北-东-地坐标系;大地坐标系采用普遍的G PS 定位系统坐标系,即WG S -84大地坐标系。

云台为两轴角度转动平台,在锁定目标时,设云台镜头俯仰角为α(镜头垂直向下为0°。方位角为0°时

,镜头前倾为正,后倾为负),方位角为β(从飞机上方俯视飞机,顺时针为正,逆时针为负,0°指向机头)。则目标在载机机体坐标系的位置关系见图2。

图2　目标在载机机体坐标系的位置关系

根据以上定义,设无人机的航向角、俯仰角及横

滚角分别为φ、

θ、γ,则载机地理坐标系到机体坐标系的3个欧拉角转换矩阵为

A 1=cos (-φ)0-sin (-φ)

1

　0

sin (-φ)0　cos (-φ)

(1)A 2=　cos (θ

)sin (θ)0-sin (θ)cos (θ)0　001(2)A 3=1　00

0　cos (γ

)sin (γ)0-sin (γ

)cos (γ)(3)载机机体坐标系到云台坐标系的欧拉角转换矩阵依次为

A 4=cos (-β

)0-sin (-β)0

1

　0

sin (-β)0　cos (-β

)(4)A 5=　cos (-(π/2-α))sin (-(π/2-α))0-sin (-(π/2-α

))cos (-(π/2-α))0　001

(5)如果设目标点在载机地理坐标系的坐标为[X ,Y ,Z ],则经过两次坐标变换有如下关系:

L 00

=A 53A 43A 33A 23A 13X

Y Z

(6)

先算得

A 0=A 53A 43A 33A 23A 1=A 0(1,1)　A 0(1,2)　A 0(1,3)A 0(2,1)　A 0(2,2)　A 0(2,3)

A 0(3,1)　A 0(3,2)　A 0(3,3)

(7)

则得到方程组:

A 0(1,1)3X +A 0(1,2)3Y +A 0(1,3)3Z =L A 0(2,1)3X +A 0(2,2)3Y +A 0(2,3)3Z =0

A 0(3,1)3X +A 0(3,2)3Y +A 0(3,3)3Z =0

(8)

解得:

X =L 3(A 0(3,3)3A 0(2,2)-A 0(3,2)3

A 0(2,3))/(-A 0(3,1)3A 0(1,3)3A 0(2,2)+A 0(3,1)3A 0(1,2)3A 0(2,3)+A 0(1,1)3A 0(3,3)3A 0(2,2)+A 0(1,3)3A 0(2,1)3A 0(3,2)-A 0(1,2)3A 0(2,1)3A 0(3,3)-A 0(1,1)3A 0(3,2)3A 0(2,3))

(9)Y =-L 3(-A 0(3,1)3A 0(2,3)+A 0(2,1)3A 0(3,3))/(-A 0(3,1)3A 0(1,3)3A 0(2,2)+A 0(3,1)3A 0(1,2)3A 0(2,3)+A 0(1,1)3

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