本發(fā)明涉及光電測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)中，通過光電經(jīng)緯儀可以對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量和自動(dòng)跟蹤，獲得較高精度的目標(biāo)姿態(tài)、位置等測(cè)量數(shù)據(jù)。光電經(jīng)緯儀的測(cè)量精度除與設(shè)備精度緊密相關(guān)外，還與布站位置、布站數(shù)目和布站幾何有關(guān)。為了提高測(cè)量精度、充分發(fā)揮測(cè)量設(shè)備的良好性能，通常會(huì)選擇兩站或多站交會(huì)測(cè)量，并合理設(shè)置測(cè)量站基線長度、跟蹤俯仰角范圍等。但是，通常光電經(jīng)緯儀作用距離有限，且受天氣、地面測(cè)量站位置影響較大。隨著高性能武器的發(fā)展，對(duì)光電測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)能力、作用范圍和測(cè)量精度等要求越來越高，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的光電測(cè)量方式進(jìn)行拓展。

試驗(yàn)靶場(chǎng)光電測(cè)控系統(tǒng)大多采用地基光電設(shè)備，其好處是測(cè)量站固定，可以通過現(xiàn)有的方法得到極為精確的坐標(biāo)，方便測(cè)量空中目標(biāo)的精確位置和姿態(tài)。但是，地基光電測(cè)控系統(tǒng)受天氣影響較為嚴(yán)重，觀測(cè)距離有限，對(duì)遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或其他較遠(yuǎn)距離目標(biāo)幾乎無能為力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)及方法，擴(kuò)展對(duì)目標(biāo)的測(cè)量范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，包括飛艇、系繩收放裝置、吊繩和光電測(cè)量系統(tǒng)，光電測(cè)量系統(tǒng)通過吊繩懸掛于飛艇下方，系繩收放裝置連接吊繩并控制吊繩的收放；

光電測(cè)量系統(tǒng)由光電經(jīng)緯儀和穩(wěn)定平臺(tái)組成，在光電經(jīng)緯儀方位軸和俯仰軸上分別安裝有軸角編碼器，光電經(jīng)緯儀安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，穩(wěn)定平臺(tái)采用三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)，三軸為平臺(tái)方位軸、平臺(tái)俯仰軸和光電經(jīng)緯儀視軸，在穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)主軸上正交配備姿態(tài)敏感器和姿態(tài)執(zhí)行器，穩(wěn)定平臺(tái)滿足平臺(tái)方位軸自由旋轉(zhuǎn)。

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量方法，包括如下步驟：

s1，構(gòu)建兩套或以上如權(quán)利要求1所述的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)；

s2，通過吊繩將光電測(cè)量系統(tǒng)自由懸掛于飛艇下方，設(shè)置系繩長度，減小飛艇囊體對(duì)光電經(jīng)緯儀視軸在俯仰方向的遮擋；

s3，通過姿態(tài)敏感器、姿態(tài)執(zhí)行器控制穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)轉(zhuǎn)角、抑制干擾力矩，為光電經(jīng)緯儀提供一個(gè)供穩(wěn)定的工作環(huán)境；

s4，光電經(jīng)緯儀本身通過控制回路隔離因飛艇航向變化或氣流導(dǎo)致的干擾運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；

s5，通過兩個(gè)或以上光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)需要改變飛艇距離、飛行高度，完成對(duì)目標(biāo)的交會(huì)測(cè)量。

進(jìn)一步，構(gòu)建兩套如權(quán)利要求1所述的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，其交會(huì)測(cè)量如下：

設(shè)發(fā)射坐標(biāo)系為o-xyz，兩艇載光電經(jīng)緯儀坐標(biāo)分別為o1(x1,y1,z1)和o2(x2,y2,z2)，兩測(cè)量站測(cè)得目標(biāo)的方位角和俯仰角分別為αi和λi，i＝1,2；

設(shè)兩測(cè)量站主光軸相交于目標(biāo)上同一位置m處，根據(jù)幾何知識(shí)可知，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)m(xm,ym,zm)為：

忽略大地測(cè)量誤差，光電經(jīng)緯儀方位角和俯仰角測(cè)角誤差分別為σα和σλ，且σα1＝σα2＝σλ1＝σλ2＝σα；

由誤差傳遞定律可知，目標(biāo)坐標(biāo)的測(cè)量誤差為

上述求解中利用了測(cè)站o1的全部數(shù)據(jù)，但只利用了測(cè)站o2的部分?jǐn)?shù)據(jù)；為了提高目標(biāo)測(cè)量的精度，對(duì)兩站的測(cè)量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的另外一種形式

同理可知目標(biāo)坐標(biāo)的測(cè)量誤差為

以o1為主測(cè)量站的目標(biāo)坐標(biāo)為m(x12,y12,z12)，測(cè)量誤差為以o2為主測(cè)量站的目標(biāo)坐標(biāo)為m(x21,y21,z21)，測(cè)量誤差為

對(duì)兩組目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，權(quán)重為相應(yīng)測(cè)量方差的倒數(shù)，則可以得到融合后的空間目標(biāo)坐標(biāo)為

融合后的方差為

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

本發(fā)明基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)及方法利用吊繩懸掛光電測(cè)量系統(tǒng)，可以擴(kuò)大光經(jīng)緯儀器視軸的測(cè)量范圍；穩(wěn)定平臺(tái)保持特定的姿態(tài)，為光電經(jīng)緯儀正常工作提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境；光電經(jīng)緯儀可以對(duì)目標(biāo)持續(xù)跟蹤，并給出目標(biāo)測(cè)量信息；通過兩套或以上系統(tǒng)進(jìn)行交會(huì)測(cè)量，可以求得目標(biāo)的位置坐標(biāo)。由于飛艇研發(fā)費(fèi)用低、承載載荷多，可在云層之上機(jī)動(dòng)巡航，并對(duì)潛在目標(biāo)提前測(cè)量，在一定程度上拓展了現(xiàn)有的光學(xué)測(cè)量能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明最大俯仰角測(cè)量范圍示意圖。

圖3為本發(fā)明交會(huì)測(cè)量示意圖。

具體實(shí)施方式

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示，包括飛艇、系繩收放裝置、吊繩和光電測(cè)量系統(tǒng)，光電測(cè)量系統(tǒng)通過吊繩懸掛于飛艇下方，系繩收放裝置連接吊繩并控制吊繩的收放；

光電測(cè)量系統(tǒng)由光電經(jīng)緯儀和穩(wěn)定平臺(tái)組成，光電經(jīng)緯儀安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，穩(wěn)定平臺(tái)采用三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)，三軸為平臺(tái)方位軸、平臺(tái)俯仰軸和光電經(jīng)緯儀視軸，在穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)主軸上正交配備姿態(tài)敏感器和姿態(tài)執(zhí)行器，穩(wěn)定平臺(tái)滿足平臺(tái)方位軸自由旋轉(zhuǎn)。

其中，各部件具體如下：

(1)飛艇：飛艇包含艇體分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)和動(dòng)力分系統(tǒng)等。飛艇載重能力不小于300kg，最大飛行高度不低于3km，最大橫截面可近似為圓形，其半徑約為r～10m。

系繩收放裝置和飛艇吊艙硬連接，飛艇起飛前，系繩收放裝置收起吊繩(即系繩)，待飛艇到達(dá)預(yù)定高度后，再緩慢釋放吊繩。

吊繩一端與系繩收放裝置固定，另一端連接光電測(cè)量系統(tǒng)，光電測(cè)量系統(tǒng)懸掛于飛艇下方。

(2)吊繩：吊繩需滿足低重量、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，且吊繩長度足夠長，盡量減小飛艇囊體對(duì)光電經(jīng)緯儀視軸的遮擋，使得光電經(jīng)緯儀視軸在俯仰方向有足夠大的測(cè)量范圍。

選用高強(qiáng)輕質(zhì)迪尼瑪(dyneema)繩，由荷蘭dsm公司生產(chǎn)的超強(qiáng)聚乙烯纖維加工而成，具有破斷負(fù)荷高、重量輕、耐磨性好等特點(diǎn)。吊繩密度為0.97g/cm³，直徑8mm的迪尼瑪繩破斷力約為6t，適合本發(fā)明使用環(huán)境。設(shè)吊繩完全放開后長度為l～300m，如圖2所示，根據(jù)幾何關(guān)系易知最大可測(cè)俯仰角λmax范圍為

式中r為飛艇橫截面半徑(假設(shè)飛艇最大橫截面為圓形)，l為吊繩長度，θ為光電經(jīng)緯儀視軸與飛艇橫截面切線和吊繩的夾角，式中忽略吊艙尺寸及吊繩傾斜的影響。

除吊繩外，光電測(cè)量系統(tǒng)還通過電纜和飛艇吊艙內(nèi)測(cè)控分系統(tǒng)相連，可由地面測(cè)控計(jì)算機(jī)對(duì)光電測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行遙控，并獲取目標(biāo)測(cè)量信息。

(3)系繩收放裝置：可以選用直升機(jī)絞車，由直流/交流電驅(qū)動(dòng)，承重不小于200kg。

(4)穩(wěn)定平臺(tái)：穩(wěn)定平臺(tái)通過抵消光電經(jīng)緯儀跟蹤架轉(zhuǎn)動(dòng)力矩以及其它干擾力矩，提供一個(gè)可供光電經(jīng)緯儀穩(wěn)定工作的環(huán)境，也可通過調(diào)整姿態(tài)擴(kuò)大光電經(jīng)緯儀的視軸的跟蹤范圍。

采用衛(wèi)星上常用的三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，在平臺(tái)三個(gè)主軸上正交配備姿態(tài)敏感器和執(zhí)行器，通過有效的控制邏輯(常用pid控制器)，保持平臺(tái)本體坐標(biāo)軸相對(duì)于某一參考基準(zhǔn)的方位。姿態(tài)敏感器包含陀螺儀、星敏感器和太陽敏感器等，為了提高精度，可以將不同敏感器配合使用。通過控制姿態(tài)執(zhí)行器，可以確保平臺(tái)本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的方位。姿態(tài)執(zhí)行器以動(dòng)量飛輪為主，飛輪根據(jù)控制系統(tǒng)所發(fā)指令，通過直流或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)偏置力矩，該力矩可用于控制平臺(tái)姿態(tài)轉(zhuǎn)角，也可用于抑制干擾力矩。但是當(dāng)飛輪達(dá)到最大角速度后便進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)再增加轉(zhuǎn)速，將不能提供力矩，需要用磁力矩器對(duì)飛輪進(jìn)行動(dòng)量卸載。

平臺(tái)姿態(tài)控制方式包含兩種：第一種通過平臺(tái)上信息處理模塊自主處理姿態(tài)敏感器的測(cè)量信息，然后平臺(tái)上計(jì)算機(jī)按照預(yù)設(shè)算法產(chǎn)生控制指令，驅(qū)動(dòng)飛輪系統(tǒng)工作，從而控制平臺(tái)姿態(tài)；第二種是通過地面控制計(jì)算機(jī)發(fā)送遙控指令，從而驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的飛輪系統(tǒng)進(jìn)行工作。兩種方式相互配合，提高平臺(tái)控制的可靠性。

(5)光電經(jīng)緯儀：國內(nèi)自主研制的某種型號(hào)機(jī)載電視經(jīng)緯儀與普通光電經(jīng)緯儀相似，由照準(zhǔn)架、兩軸陀螺精密轉(zhuǎn)臺(tái)、減震基座、變焦電視攝像系統(tǒng)、電視跟蹤器、伺服控制系統(tǒng)、圖像記錄儀、數(shù)據(jù)處理機(jī)等分系統(tǒng)組成，其最大水平作用距離大于15km，方位角測(cè)量范圍為-150°～150°，俯仰角測(cè)量范圍為-45°～90°，最小角速度為0.02°/s，最大角速度為10°/s，最大角加速度為5°/s²，儀器自身動(dòng)態(tài)指向誤差均方值和投影到水平面的測(cè)角誤差均方值均達(dá)到角秒級(jí)，體積為φ0.4m×1m，最大回轉(zhuǎn)半徑為0.5m，重量小于80kg。該經(jīng)緯儀配備彈道測(cè)量使用的標(biāo)準(zhǔn)b碼接口，接入靶場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)后，可作為中等精度的外彈道測(cè)量設(shè)備使用。

其跟蹤架應(yīng)采用體積小、重量輕、應(yīng)用較為成熟的地平式跟蹤架，它由繞水平線旋轉(zhuǎn)的俯仰軸和繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的方位軸組成。跟蹤架方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0～360°，俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍至少為0～90°，望遠(yuǎn)鏡筒等安裝于俯仰軸上，可實(shí)現(xiàn)半球面跟蹤。當(dāng)光電經(jīng)緯儀視軸轉(zhuǎn)動(dòng)能力受限時(shí)，可通過調(diào)整穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)輔助光電經(jīng)緯儀進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

在光電經(jīng)緯儀方位軸和俯仰軸上分別安裝有軸角編碼器，實(shí)時(shí)記錄視軸的方位角和俯仰角，綜合考慮目標(biāo)的脫靶量，可以給出修正后的目標(biāo)方位角和俯仰角。

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量方法，包括如下步驟：

s1，構(gòu)建兩套上述的光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)；

s2，通過吊繩將光電測(cè)量系統(tǒng)自由懸掛于飛艇下方，設(shè)置系繩長度，減小飛艇囊體對(duì)光電經(jīng)緯儀視軸在俯仰方向的遮擋；

s3，通過姿態(tài)敏感器、姿態(tài)執(zhí)行器控制穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)轉(zhuǎn)角、抑制干擾力矩，為光電經(jīng)緯儀提供一個(gè)供穩(wěn)定的工作環(huán)境；

s4，光電經(jīng)緯儀本身通過控制回路隔離因飛艇航向變化或氣流導(dǎo)致的干擾運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；

s5，通過兩個(gè)光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)需要改變飛艇距離、飛行高度，完成對(duì)目標(biāo)的交會(huì)測(cè)量

如圖3所示，設(shè)發(fā)射坐標(biāo)系為o-xyz，兩艇載光電經(jīng)緯儀坐標(biāo)分別為o1(x1,y1,z1)和o2(x2,y2,z2)，兩測(cè)量站測(cè)得目標(biāo)的方位角和俯仰角分別為αi和λi，i＝1,2；

設(shè)兩測(cè)量站主光軸相交于目標(biāo)上同一位置m處，根據(jù)幾何知識(shí)可知，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)m(xm,ym,zm)為：

忽略大地測(cè)量誤差，光電經(jīng)緯儀方位角和俯仰角測(cè)角誤差分別為σα和σλ，且σα1＝σα2＝σλ1＝σλ2＝σα；

由誤差傳遞定律可知，目標(biāo)坐標(biāo)的測(cè)量誤差為

上述求解中利用了測(cè)站o1的全部數(shù)據(jù)，但只利用了測(cè)站o2的部分?jǐn)?shù)據(jù)；為了提高目標(biāo)測(cè)量的精度，對(duì)兩站的測(cè)量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的另外一種形式

同理可知目標(biāo)坐標(biāo)的測(cè)量誤差為

以o1為主測(cè)量站的目標(biāo)坐標(biāo)為m(x12,y12,z12)，測(cè)量誤差為以o2為主測(cè)量站的目標(biāo)坐標(biāo)為m(x21,y21,z21)，測(cè)量誤差為

對(duì)兩組目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，權(quán)重為相應(yīng)測(cè)量方差的倒數(shù)，則可以得到融合后的空間目標(biāo)坐標(biāo)為

融合后的方差為

本發(fā)明并不限于構(gòu)建兩套光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建兩套或以上光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)。

本發(fā)明通過把光電經(jīng)緯儀的功能延伸到飛艇，可以在云層之上對(duì)潛在目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，減少大氣層的不利影響，進(jìn)一步拓展光學(xué)觀測(cè)能力。

飛艇主要依靠凈浮力在空中飛行，通過調(diào)節(jié)囊體內(nèi)氣體比例或改變螺旋槳轉(zhuǎn)速、方向，可以對(duì)飛艇高度進(jìn)行調(diào)整，或者保持在一定高度并進(jìn)行機(jī)動(dòng)巡航。相比于無人機(jī)、偵察機(jī)、衛(wèi)星等，飛艇具研發(fā)費(fèi)用低、承載載荷多等特點(diǎn)，故搭載了光電經(jīng)緯儀的飛艇可以擴(kuò)展對(duì)目標(biāo)的測(cè)量范圍，在交會(huì)測(cè)量領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。