空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)光電吊艙對(duì)目標(biāo)定位方法分析＊

黃 亮 張建強(qiáng) 劉 忠

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

0 引 言

光電跟蹤探測(cè)系統(tǒng)以其被動(dòng)隱蔽、不受電磁干擾、精度高等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代軍事警戒探測(cè)系統(tǒng)的重要手段之一.但由于目標(biāo)輻射在地球表面的傳播特性、地球曲率半徑以及光傳播的直線性等因素的影響，使岸基和艦載光電跟蹤探測(cè)系統(tǒng)的作用距離受到了限制，從而制約了光電裝備潛能的充分發(fā)揮.

受到星載光電系統(tǒng)的啟發(fā)，20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，世界各國(guó)紛紛發(fā)展各類基于空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)的光電系統(tǒng)，例如預(yù)警機(jī)的遠(yuǎn)程預(yù)警吊艙、直升機(jī)的反潛吊艙等.光電吊艙的出現(xiàn)彌補(bǔ)了上述光電探測(cè)系統(tǒng)的不足，給光電跟蹤和探測(cè)技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域［1］.

光電吊艙可精確測(cè)量地面目標(biāo)或空間目標(biāo)相對(duì)空中平臺(tái)的方位角和俯仰角，再結(jié)合空中平臺(tái)的GPS位置信息，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算.在此應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)的對(duì)目標(biāo)定位的三角幾何定位方法，雖然算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但定位精度不高，而且只能定位海面目標(biāo).文獻(xiàn)［2］提出了用正弦定理的幾何關(guān)系測(cè)距、然后對(duì)目標(biāo)定位的原理，由于是用物理的單站來(lái)實(shí)現(xiàn)體制上的虛擬多站，所以只能跟蹤海面慢速目標(biāo).文獻(xiàn)［3－4］利用時(shí)差定位方法分析了機(jī)載雷達(dá)對(duì)超視距目標(biāo)定位的情形，但需測(cè)得雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的徑向距離，而且是在多觀測(cè)站情況下定位，布置復(fù)雜，不易實(shí)施.文獻(xiàn)［5］使用測(cè)向交叉定位算法，卻僅針對(duì)二維條件下.此外，可應(yīng)用卡爾曼濾波及其拓展濾波（如 EKF，UKF 等）［6－9］分析目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，但需初始化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，若參數(shù)選擇不當(dāng)，將嚴(yán)重影響定位精度.

因此，針對(duì)單個(gè)空中機(jī)動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)定位的情形，本文首先分析了傳統(tǒng)的三角幾何定位方法的不足，并提出了一種基于最小二乘的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上及陸上目標(biāo)的高精度跟蹤定位，從而避免了上述各種方法的不足.

1 光電吊艙測(cè)角模型

空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)中光電吊艙的角度測(cè)量值包括2個(gè)：（1）光軸指向（吊艙質(zhì)心與目標(biāo)連線）與基準(zhǔn)縱軸（正北方向）的夾角，稱為方位角β；（2）光軸指向與基準(zhǔn)面（水平面）的夾角，即為俯仰角ε，見圖1.

圖1 光電吊艙的測(cè)角原理

2 三角幾何定位模型及誤差分析

這種方法基于空間幾何原理，利用三角形角邊關(guān)系確定目標(biāo)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù).這也是目前工程領(lǐng)域內(nèi)存在的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的定位方法.

根據(jù)俯仰角ε的定義，有

從而可以求得目標(biāo)的速度分量

所以，該目標(biāo)的速度、航向參數(shù)為

由于依賴于高度Zh，只有Zh已知，Dj才有解，所以此類方法只能針對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行定位；而對(duì)高度未知的岸上目標(biāo)，該算法將無(wú)法工作.

設(shè)空中平臺(tái)導(dǎo)航設(shè)備的高度測(cè)量誤差為δZh，光電吊艙的角度測(cè)量誤差為δε，對(duì)式（1）求微分，得

考慮到高度誤差與角度誤差互相獨(dú)立，斜距離的定位誤差均方差為

在空中平臺(tái)高度一定（Zh＝4 000m），導(dǎo)航誤差、角度測(cè)量誤差一定（δZh＝1.5，δε＝0.5）的條件下，斜距離的定位誤差均方差δD隨斜距離D的變化曲線見圖2.

圖2 目標(biāo)斜距離定位誤差均方差曲線

隨斜距離增大，斜距離的定位誤差均方差隨之增大.因此，這種方法無(wú)法對(duì)觀測(cè)噪聲的干擾進(jìn)行平滑濾波，從而也就無(wú)法達(dá)到較高的定位精度.

只有消除隨機(jī)噪聲對(duì)定位參數(shù)的干擾，才能提高系統(tǒng)定位精度，采用基于隨機(jī)參數(shù)平滑的目標(biāo)定位模型是最佳選擇.基于此，本文提出了一種基于最小二乘的目標(biāo)定位方法.

3 基于最小二乘的目標(biāo)定位方法

設(shè)空中平臺(tái)航向Kw、航速Vw，在初始時(shí)刻t1，目標(biāo)相對(duì)空中平臺(tái)的初始斜距為D1，俯仰角ε1、方位角β1；在時(shí)刻tj，目標(biāo)相對(duì)空中平臺(tái)的斜距離為Dj，俯仰角εj、方位角βj.設(shè)目標(biāo)作勻速直航，未知航向?yàn)镵m，未知航速為Vm.目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的幾何態(tài)勢(shì)見圖3.

圖3 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)幾何態(tài)勢(shì)圖

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間幾何封閉性原理，由圖3中4邊形O′A′C′B′，得

式中：φm為目標(biāo)俯沖角；φw為空中平臺(tái)俯沖角.

由于測(cè)量誤差的存在，式（3）一般不嚴(yán)格滿足，此時(shí)，可得

經(jīng)過(guò)k次觀測(cè)，基于最小二乘估計(jì)原理［10］，定義如下極小化目標(biāo)函數(shù)

為求得參數(shù)Vmx，Vmy，Vmz和D1，分別對(duì)其求偏導(dǎo)，并使?J／?Vmx＝0，?J／?Vmy＝0，?J／?Vmz＝0，?J／?D1＝0.經(jīng)過(guò)整理，最終可以得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

4 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真分析

以空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)的初始位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)，空中平臺(tái)以航速30m／s、航向30°機(jī)動(dòng)；目標(biāo)在坐標(biāo)系中的初始坐標(biāo)位置為（5 000，5 000，－3 500），并以航速10m／s、航向60°運(yùn)動(dòng).同時(shí)，假定光電吊艙對(duì)目標(biāo)的角度測(cè)量精度為0.5°，空中平臺(tái)自身位置的測(cè)量精度為1.5m，以1s的時(shí)間間隔、生成300s的仿真數(shù)據(jù).

分別利用傳統(tǒng)的三角幾何定位法和本文提出的最小二乘方法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位.經(jīng)100次蒙特卡羅仿真后的結(jié)果，見圖4～5.

圖4 目標(biāo)航向收斂過(guò)程

圖5 目標(biāo)航速收斂過(guò)程

由圖中可以看出，三角幾何法定位結(jié)果雖然也能趨近于真實(shí)值，但波動(dòng)大、精度不高；相比之下，本文提出的基于最小二乘的方法則收斂速度快、結(jié)果穩(wěn)定、而且定位精度高.估計(jì)航速相對(duì)真實(shí)航速的相對(duì)誤差小于4%，航向誤差均方差為0.59°，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求.

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步說(shuō)明算法的有效性，選用某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析.當(dāng)時(shí)試驗(yàn)情景為：以空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)的地面靜止控制站作為光電吊艙的跟蹤目標(biāo)；機(jī)動(dòng)平臺(tái)以變速率繞目標(biāo)做圓弧機(jī)動(dòng).根據(jù)本文提出的算法，得到目標(biāo)經(jīng)度的收斂過(guò)程，見圖6，并得到圖7所示的空中平臺(tái)與目標(biāo)間的距離與真實(shí)距離的比較曲線.

圖6 目標(biāo)經(jīng)度

由對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析也可看出，本文提出的算法收斂速度快，100s左右可穩(wěn)定到真值附近；定位精度高，位置誤差（經(jīng)度、緯度）不超過(guò)0.001°，距離誤差則可達(dá)到10m級(jí)，因此能夠滿足快速、高精度指示目標(biāo)的實(shí)際需求，從而也為無(wú)源定位領(lǐng)域提供了一種新的可實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的方法.

圖7 空中平臺(tái)與目標(biāo)間的距離

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源定位是探測(cè)、跟蹤目標(biāo)的重要方式，而光電吊艙又成為無(wú)源定位的一種關(guān)鍵手段.利用空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)搭載光電吊艙實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)定位已開始得到應(yīng)用.結(jié)合本文所述的應(yīng)用背景，在分析傳統(tǒng)定位方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了基于最小二乘的目標(biāo)定位方法.仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明，新方法能夠有效抑制測(cè)量噪聲帶來(lái)的累積誤差，收斂速度快、定位精度高，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求.

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