機載光電吊艙線性位移補償方法

范本果，軒新想，姜 林，許祥馨

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，無人機的功能、性能得到了飛躍式的提升，無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應用也越來越廣泛。機載光電吊艙是無人機的重要載荷之一，幾乎已經(jīng)成為偵察無人機、察打一體無人機的標準配置。

機載光電吊艙可配裝可見光攝像機、紅外熱像儀、大面陣照相機、激光測照器等多種成像探測傳感器，掛載在無人機、有人機、飛艇等機載平臺上，完成空對地、空對空等應用場景下的全天候、全天時的多譜段圖像偵察、目標跟蹤、目標定位、激光照射引導以及情報態(tài)勢感知等功能[1-2]。

光電吊艙一般安裝陀螺儀，通過伺服控制算法實現(xiàn)對慣性空間的角運動隔離。當載機進行角運動時，光電吊艙伺服控制組件可通過伺服控制算法完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)慣性空間穩(wěn)定，控制光電吊艙的光軸實時指向目標。但是當載機在空中進行高速線性運動時，光電吊艙的瞄準線指向無法抵消由于載機線性運動帶來的視軸偏移，光電吊艙的光軸指向、成像視場會隨著載機的線性運動而快速變化，給目標成像偵察、目標跟蹤、目標激光照射引導等功能的實現(xiàn)帶來了不好的影響[3]。

為了抵消載機線性運動帶來的瞄準線指向變化，通常有以下兩種方法可供采用。

（1）手動操控模式。光電吊艙處于手動模式，光電吊艙操作手通過操縱桿，不斷操控光電吊艙，使光電吊艙的瞄準線指向目標。采用這種方法，會造成成像場景的不流暢，而且會大大增加操作手的壓力和工作難度，不利于長時間和對目標進行高效偵察。

（2）自動跟蹤模式。光電吊艙處于自動跟蹤模式，光電吊艙操作手通過圖像自動跟蹤模式，選定目標進行圖像跟蹤。目標跟蹤穩(wěn)定后，光軸指向精度較高，但是在某些目標圖像特征不明顯的情況下，容易丟失目標。丟失目標后，較難再次捕獲原目標，并且不利于長時間工作。

本文提出適用于機載光電吊艙的線性位移補償方法，通過獲取載機在“東北天”坐標系下的線性速度量、橫滾角、俯仰角及偏航角等姿態(tài)信息，光電吊艙自身的方位角、俯仰角架位信息，載機相對地面的垂直高度等信息，通過綜合運算、誤差補償、坐標矩陣轉(zhuǎn)換，計算出目標相對于光電吊艙的斜距，從而計算出目標相對于光電吊艙的角速度，將角速度量補償給光電吊艙的伺服組件，可實現(xiàn)光電吊艙的瞄準線實時指向目標，實現(xiàn)對目標區(qū)域“粗跟蹤”的效果[4]。雖然光軸指向精度不如自動跟蹤模式，但是在目標成像偵察使用友好性、長時間應用、減輕操作手工作壓力等方面，使用效果較好，可大大提升機載光電吊艙的任務執(zhí)行能力。

1 線性位移補償方法基本原理

線性位移補償方法的基本原理是，光電吊艙的主控系統(tǒng)接收機載慣導系統(tǒng)在“東北天”坐標系下的線性速度矢量，根據(jù)飛機的俯仰角、橫滾角、偏航角姿態(tài)變換矩陣，再結(jié)合光電吊艙自身的方位角、俯仰角信息，構(gòu)建光電吊艙線速度坐標系，通過光電吊艙與目標之間的斜距估算，計算光電吊艙相對于光軸指向區(qū)域的相對運動角速度，開啟角速度補償，最終實現(xiàn)光軸指向的角速度量自動補償，使得目標區(qū)域相對光電吊艙的成像視場、光軸指向保持不變，為后續(xù)的光電吊艙手動操控、自動跟蹤、圖像處理等操作提供支撐[5-7]。

2 線性位移補償方法基本流程

線性位移補償方法的工作流程如下：

（1）主控接收地面控制站“線性位移補償開啟”控制指令；

（2）主控進入“線性位移補償”功能處理函數(shù)，進行20 ms 周期性運算；

（3）根據(jù)從飛機慣導設備接收的東向速度、北向速度、天向速度，構(gòu)建“北東地”速度坐標矩陣；

（4）速度矩陣通過姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)到飛機導航坐標系（前右下坐標系）矩陣；

（5）前右下坐標系矩陣旋轉(zhuǎn)到方位、俯仰線速度坐標系矩陣；

（6）計算視軸目標在地理系下的俯仰角，根據(jù)地面海拔高度裝訂數(shù)據(jù)，估算目標斜距；

（7）根據(jù)線速度坐標系矩陣計算方位、俯仰角速度；

（8）光電吊艙伺服系統(tǒng)按照伺服“手動”功能，發(fā)送方位角速度、俯仰角速度，保持視軸基本指向目標區(qū)域不動。

3 線性位移補償方法具體解算過程

式中：γ為飛機慣導系統(tǒng)輸出的橫滾角。

（3）飛機導航坐標系下的速度表示矩陣VM，經(jīng)過兩次坐標矩陣變換，得到光電穩(wěn)瞄系里的線速度矩陣坐標為Vo：

XYZ坐標系為飛機“前右下”坐標系，X′Y′Z′為線速度坐標系矩陣。坐標系如圖1 所示。

圖1 前右下坐標系旋轉(zhuǎn)到目標線速度矩陣坐標系

兩次坐標矩陣變換旋轉(zhuǎn)順序為：XYZ坐標系先繞Z軸旋轉(zhuǎn)α-90°，再繞X軸旋轉(zhuǎn)-β-90°，得到最終相對于目標的線速度坐標系矩陣X′Y′Z′。

（4）計算光電吊艙與地面目標的實際斜距，獲取光電吊艙與光軸指向目標的距離一般有兩種方法：一是通過光電吊艙配裝的激光測距機對目標進行激光測距，得到光電吊艙與光軸指向目標的距離，但是這種方法需要開啟激光測距機，無法保證一直開啟，且長時間進行測距操作，容易引起激光測距機超溫和人員疲憊。二是通過地面裝訂海拔高度，配合機載慣導設備的海拔高度，得到光電吊艙距地面的相對高度，通過三角函數(shù)運算，得到光電吊艙距目標的斜距。同時要考慮到，飛機在空中的姿態(tài)角度不是絕對水平狀態(tài)，不應采用光電吊艙的俯仰角進行斜距距離計算，而應該采用目標在地理系里面的俯仰角數(shù)據(jù)進行俯仰角、目標斜距計算。

具體計算步驟如下所示。

光電吊艙指向目標后，光電吊艙顯示方位角為α，俯仰角為β，因只是計算光電吊艙光軸指向在“北東地”地理系里面的俯仰角度，所以可以選取光軸指向上的1 m 距離的目標進行后續(xù)運算，則目標在光電穩(wěn)瞄系里面的定義為：

“北東地”坐標系和俯仰角β′如圖2 所示。

圖2 “北東地”坐標系下求地理坐標系俯仰角

根據(jù)“北東地”地理坐標系表示方法，計算光軸指向的地面目標在“北東地”地理坐標系里的俯仰角β′。

計算光電穩(wěn)瞄系里的最終方位角速度、俯仰角速度。方位角速度為Vox/(d×cosβ)，俯仰角速度為-Voz/d。

按照伺服“手動”模式，經(jīng)過弧度轉(zhuǎn)換，將計算完成的角速度數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服單元對應的方位角速度、俯仰角速度，進行最終的線性位移速度補償。

4 掛飛驗證

光電吊艙線性位移補償方法已經(jīng)掛載在高空高速無人機載機平臺上，進行了多個飛行架次的驗證。飛行高度7 000 m，距目標斜距在18 km 左右，線性位移補償方法（LMC）開啟后，系統(tǒng)能夠?qū)崟r解算光電吊艙光軸指向相對于地面目標的角速度進行反饋補償，光電吊艙光學視場畫面可長時間地保持相對地面區(qū)域不動，達到了很好的對目標區(qū)域的自動速度補償效果，極大地提高了對地面目標偵察、目標跟蹤的效率和友好性。線性位移補償方法掛飛試驗效果如圖3 所示。

圖3 線性位移補償方法掛飛試驗效果

5 結(jié) 語

本文提出的線性位移補償方法，已經(jīng)過某型高空高速察打一體無人機平臺飛行驗證。試驗結(jié)果表明，線性位移補償算法開啟后，系統(tǒng)能夠?qū)崟r解算目標相對于光電系統(tǒng)的角速度，通過反向補償給伺服運動系統(tǒng)，光電吊艙的光軸指向能夠?qū)崟r指向目標區(qū)域。