[發明專利]基于機載光電系統的瞄準線廣域掃描控制方法

有效

• 申請號: 201911212276.5
• 申請日: 2019-12-02
• 公開（公告）號: CN111026165B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 劉棟;王惠林;雷亮;陳鳴;杜佩;王冠;劉吉龍;蔣蕭村;賀劍;沈宇;楊萌
• 申請（專利權）人: 西安應用光學研究所
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 周恒

1.一種基于機載光電系統的瞄準線廣域掃描控制方法，其特征在于，其包括以下步驟：

步驟1：建立地球直角坐標系e、導航坐標系n、載機機體坐標系b、光電系統基座坐標系a、瞄準線坐標系s、航向濾波坐標系LL；某點的經度λ、緯度L、高度h，通過慣導系統測得，用地球直角坐標系e表示為：

x＝(R_N+h)cosLcosλ

y＝(R_N+h)cosLsinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sinL

其中，R_N為卯酉圈半徑，e₀為地球扁心率；

步驟2：導航坐標系n采用東北天地理坐標系，地球直角坐標系e到導航坐標系n的坐標轉換矩陣為：

步驟3：載機機體坐標系b，機頭方向為y軸，ψ為載機航向角、θ為載機俯仰角、γ為載機橫滾角，導航坐標系n到載機機體坐標系b的坐標轉換矩陣為：

步驟4：光電系統基座坐標系a是由載機機體坐標系b沿y軸旋轉180度得到，坐標轉換矩陣為：

步驟5：瞄準線坐標系s，由光電系統基座坐標系a先沿載機橫滾軸轉動光電系統橫滾角再沿俯仰軸轉動光電系統俯仰角β得到，光電系統基座坐標系a到瞄準線坐標系s的坐標轉換矩陣為：/

步驟6：采用以下公式得到地球直角坐標系e到瞄準線坐標系s的轉換公式：

采用以下公式得到導航坐標系n到瞄準線坐標系s的轉換公式：

步驟7：航向濾波坐標系LL，航向濾波坐標系LL由導航坐標系n沿z軸旋轉α角度得到，α是載機航向角ψ低通濾波得到的值；航向濾波坐標系繞導航坐標系緩慢旋轉，導航坐標系n到航向濾波坐標系LL的坐標轉換矩陣為：

由于

采用以下公式得到航向濾波坐標系到瞄準線坐標系的轉換公式：

設采用以下公式計算在航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角/

在左端掃描起始點，在航向濾波坐標系下，瞄準線橫滾角為在右端掃描結束點，在航向濾波坐標系下，瞄準線橫滾角為/步驟8：設目標T是瞄準線與地球表面的交點，T的速度與兩個因素相關，一是瞄準線的轉動，二是載機的平動；首先計算航向濾波坐標系下瞄準線的轉動引起的目標運動速度，滿足哥氏定理：

其中，

為航向濾波坐標系LL下瞄準線向量；

r^s＝[00R]^T，

向量ω^s為瞄準線在瞄準線坐標系s下轉動的角速度向量；

用向量表示瞄準線在地球直角坐標系e下的坐標，則：

其中，/

用向量表示載機AA在地球坐標系的坐標，設瞄準線同地面交點T用向量表示為并滿足：/

其中，a＝R_e為地球長半徑，b為地球短半徑；

由于

通過上式可計算出r^s，即載機AA與瞄準線同地面交點T的距離為R；

設ω^s＝[ω_xω_yω_z]^T，則

則航向濾波坐標系下轉動引起的目標速度為

V_E、V_N分別表示東、北向速度，ν為載機飛行速度，V_N＝v*cosψ，V_E＝v*sinψ，航向濾波坐標系下平動引起的目標速度可表示為

所以目標在航向濾波坐標系下的運動速度V^LL為

步驟9：在廣域掃描前，系統任務給出掃描區域起始點、載機飛行的高度、速度及航向；根據廣域掃描原理，圖像運動角速度ω為：

ω＝φ_r(1-overlap)f

其中，φ_r為電視橫滾視場角，overlap為重疊率，f為電視傳感器幀頻；

掃描時間t通過以下方法計算：

R_L為左端掃描起始點載機與瞄準線在地面交點之間的距離，φ_p為電視傳感器俯仰視場角，t_s為伺服加減速占用時間；

步驟10：設載機在飛行過程中，偏離航線的橫滾角為Δr，偏離航線的俯仰角為Δp，偏離航線的航向角為Δψ；在航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角為俯仰角為/在廣域掃描過程中，俯仰角/俯仰角速度/從瞄準線坐標系向量/到繞載機航線旋轉航向角Δψ、俯仰角Δp、橫滾角Δr而得到的向量/的轉換關系為：

設，矩陣

矩陣

矩陣則：

故，

由于某光電系統采用橫滾和俯仰兩軸控制，因此只需計算ω_x2和ω_y2；

步驟11：為使在航向濾波坐標系下，掃描方向在水平面內垂直于載機經濾波且經步驟10修正后的航向，有：

根據步驟8結論有：

其中，為R的導數；

所以

/

設則

故

ω_y＝ωcosΔψcosΔp-(C₁₁V_E/R+C₁₂V_N/R)

步驟12：設按照以下公式求取慣性速率指令/

R_M＝R_e*(1-2e₀+3e₀sin²L)

R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)

其中，ω_ie表示地球自轉角速度，R_M為子午圈半徑、R_N卯酉圈半徑,e₀表示地球扁率，L表示緯度；

步驟13：計算一個條幅包含的幀幅數N和掃描條幅之間的步進角度；

N＝t*f，N取整數；

在廣域掃描過程中，近端步進角度為

θ_L＝φ_p(1-overlap)

遠端步進角度為

θ_R＝R_L/R_R*θ_L

其中，R_R為右端掃描結束點載機與瞄準線在地面交點之間的距離；

步驟14：當載機快到達掃描區域時，控制系統調用地理指向工作模式，使瞄準線提前指向該位置，在廣域掃描開始時，退出地理指向模式，進入廣域掃描模式；根據步驟12計算的瞄準線控制指令使光電系統橫滾和俯仰開始運動；由于對載機飛行引起的前向運動進行了補償，瞄準線在俯仰方向上幾乎不動，在橫滾方向上相對地面開始從0加速到ω，當角速度ω達到勻速后，計算瞄準線橫滾角度r_{los_L}，控制計算機給快調反射鏡發指令進行反掃，并在快調反射鏡進入穩態后觸發電視傳感器曝光而獲得一幅圖像，依次進行N次，快調反射鏡不再反掃并停在零位，同時計算在右端掃描結束點航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角/此時，使ω勻減速到0；

步驟15：使橫滾角速度從ω減速到0的過程中，使俯仰按照步驟13的角度θ_R向前步進；為消除載機姿態變化的影響，該角度的控制在慣性坐標系下完成，由于慣性坐標系沒有角度測量傳感器，通過瞄準線的速度閉環穩定控制完成慣性坐標系的角度控制；具體方法是將穩定控制回路的積分靜態變量加上步進角度進行控制，穩定控制回路為消除積分器的誤差，必然會調轉平臺運動，平臺運動被陀螺敏感到并在積分器內積分為角位置信號，由于負反饋作用，陀螺積分的角度信號與步進角度方向相反，當兩者相等時，系統重新回到穩態工作點，而瞄準線實際運動的角度恰好為步進角度；

步驟16，此時，瞄準線調轉到了下一條幅的掃描開始位置；在橫滾方向上瞄準線相對地面開始以最大加速度從0加速到-ω，同時不斷計算瞄準線的橫滾角度；當角速度-ω達到勻速后，并且當航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角與上一條幅最后一幅圖像右端掃描結束點航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角/相等時，觸發快調反射鏡反掃，并在快調反射鏡進入穩態后觸發電視傳感器曝光而獲得一幅圖像，依次進行N次，快調反射鏡不再反掃并停在零位；使橫滾相對地面角速度從-ω勻減速到0，俯仰向前步進角度θ_L；同理，再下一條掃描時，當航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角/與上一條幅最后一幅圖像左端掃描起始點航向濾波坐標系下瞄準線橫滾角/相等時，觸發快調反射鏡反掃；按照上述控制方法循環進行下去，直到系統退出廣域掃描任務為止。