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一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng)及方法與流程

文檔序號:11705861閱讀:551來源:國知局
一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng)及方法與流程

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



背景技術(shù):

在靶場試驗任務(wù)中,通過光電經(jīng)緯儀可以對目標實時測量和自動跟蹤,獲得較高精度的目標姿態(tài)、位置等測量數(shù)據(jù)。光電經(jīng)緯儀的測量精度除與設(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)。為了提高測量精度、充分發(fā)揮測量設(shè)備的良好性能,通常會選擇兩站或多站交會測量,并合理設(shè)置測量站基線長度、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、地面測量站位置影響較大。隨著高性能武器的發(fā)展,對光電測量系統(tǒng)的機動能力、作用范圍和測量精度等要求越來越高,因此需要對傳統(tǒng)的光電測量方式進行拓展。

試驗靶場光電測控系統(tǒng)大多采用地基光電設(shè)備,其好處是測量站固定,可以通過現(xiàn)有的方法得到極為精確的坐標,方便測量空中目標的精確位置和姿態(tài)。但是,地基光電測控系統(tǒng)受天氣影響較為嚴重,觀測距離有限,對遠程導彈或其他較遠距離目標幾乎無能為力。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng)及方法,擴展對目標的測量范圍。

為實現(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)緯儀交會測量系統(tǒng),包括飛艇、系繩收放裝置、吊繩和光電測量系統(tǒng),光電測量系統(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;

光電測量系統(tǒng)由光電經(jīng)緯儀和穩(wěn)定平臺組成,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)定平臺上,穩(wěn)定平臺采用三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng),三軸為平臺方位軸、平臺俯仰軸和光電經(jīng)緯儀視軸,在穩(wěn)定平臺三個主軸上正交配備姿態(tài)敏感器和姿態(tài)執(zhí)行器,穩(wěn)定平臺滿足平臺方位軸自由旋轉(zhuǎn)。

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會測量方法,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)緯儀交會測量系統(tǒng);

s2,通過吊繩將光電測量系統(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)定平臺姿態(tài)轉(zhuǎn)角、抑制干擾力矩,為光電經(jīng)緯儀提供一個供穩(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致的干擾運動,實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤;

s5,通過兩個或以上光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng),根據(jù)需要改變飛艇距離、飛行高度,完成對目標的交會測量。

進一步,構(gòu)建兩套如權(quán)利要求1所述的光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng),其交會測量如下:

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

設(shè)兩測量站主光軸相交于目標上同一位置m處,根據(jù)幾何知識可知,目標點坐標m(xm,ym,zm)為:

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

由誤差傳遞定律可知,目標坐標的測量誤差為

上述求解中利用了測站o1的全部數(shù)據(jù),但只利用了測站o2的部分數(shù)據(jù);為了提高目標測量的精度,對兩站的測量信息進行數(shù)據(jù)融合,可得目標點坐標的另外一種形式

同理可知目標坐標的測量誤差為

以o1為主測量站的目標坐標為m(x12,y12,z12),測量誤差為以o2為主測量站的目標坐標為m(x21,y21,z21),測量誤差為

對兩組目標坐標點數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均,權(quán)重為相應(yīng)測量方差的倒數(shù),則可以得到融合后的空間目標坐標為

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)緯儀交會測量系統(tǒng)及方法利用吊繩懸掛光電測量系統(tǒng),可以擴大光經(jīng)緯儀器視軸的測量范圍;穩(wěn)定平臺保持特定的姿態(tài),為光電經(jīng)緯儀正常工作提供一個穩(wěn)定的環(huán)境;光電經(jīng)緯儀可以對目標持續(xù)跟蹤,并給出目標測量信息;通過兩套或以上系統(tǒng)進行交會測量,可以求得目標的位置坐標。由于飛艇研發(fā)費用低、承載載荷多,可在云層之上機動巡航,并對潛在目標提前測量,在一定程度上拓展了現(xiàn)有的光學測量能力。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明最大俯仰角測量范圍示意圖。

圖3為本發(fā)明交會測量示意圖。

具體實施方式

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng),如圖1所示,包括飛艇、系繩收放裝置、吊繩和光電測量系統(tǒng),光電測量系統(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;

光電測量系統(tǒng)由光電經(jīng)緯儀和穩(wěn)定平臺組成,光電經(jīng)緯儀安裝在穩(wěn)定平臺上,穩(wěn)定平臺采用三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng),三軸為平臺方位軸、平臺俯仰軸和光電經(jīng)緯儀視軸,在穩(wěn)定平臺三個主軸上正交配備姿態(tài)敏感器和姿態(tài)執(zhí)行器,穩(wěn)定平臺滿足平臺方位軸自由旋轉(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)、測控分系統(tǒng)和動力分系統(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,另一端連接光電測量系統(tǒng),光電測量系統(tǒng)懸掛于飛艇下方。

(2)吊繩:吊繩需滿足低重量、高強度的特點,且吊繩長度足夠長,盡量減小飛艇囊體對光電經(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量范圍。

選用高強輕質(zhì)迪尼瑪(dyneema)繩,由荷蘭dsm公司生產(chǎn)的超強聚乙烯纖維加工而成,具有破斷負荷高、重量輕、耐磨性好等特點。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,光電測量系統(tǒng)還通過電纜和飛艇吊艙內(nèi)測控分系統(tǒng)相連,可由地面測控計算機對光電測量系統(tǒng)進行遙控,并獲取目標測量信息。

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

(4)穩(wěn)定平臺:穩(wěn)定平臺通過抵消光電經(jīng)緯儀跟蹤架轉(zhuǎn)動力矩以及其它干擾力矩,提供一個可供光電經(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),在平臺三個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),保持平臺本體坐標軸相對于某一參考基準的方位。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,可以確保平臺本體坐標系相對于慣性坐標系的方位。姿態(tài)執(zhí)行器以動量飛輪為主,飛輪根據(jù)控制系統(tǒng)所發(fā)指令,通過直流或交流電機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動,飛輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生一個偏置力矩,該力矩可用于控制平臺姿態(tài)轉(zhuǎn)角,也可用于抑制干擾力矩。但是當飛輪達到最大角速度后便進入飽和狀態(tài),此時再增加轉(zhuǎn)速,將不能提供力矩,需要用磁力矩器對飛輪進行動量卸載。

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

(5)光電經(jīng)緯儀:國內(nèi)自主研制的某種型號機載電視經(jīng)緯儀與普通光電經(jīng)緯儀相似,由照準架、兩軸陀螺精密轉(zhuǎn)臺、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)處理機等分系統(tǒng)組成,其最大水平作用距離大于15km,方位角測量范圍為-150°~150°,俯仰角測量范圍為-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,儀器自身動態(tài)指向誤差均方值和投影到水平面的測角誤差均方值均達到角秒級,體積為φ0.4m×1m,最大回轉(zhuǎn)半徑為0.5m,重量小于80kg。該經(jīng)緯儀配備彈道測量使用的標準b碼接口,接入靶場測控網(wǎng)后,可作為中等精度的外彈道測量設(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)動范圍為0~360°,俯仰軸轉(zhuǎn)動范圍至少為0~90°,望遠鏡筒等安裝于俯仰軸上,可實現(xiàn)半球面跟蹤。當光電經(jīng)緯儀視軸轉(zhuǎn)動能力受限時,可通過調(diào)整穩(wěn)定平臺姿態(tài)輔助光電經(jīng)緯儀進行跟蹤測量。

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,實時記錄視軸的方位角和俯仰角,綜合考慮目標的脫靶量,可以給出修正后的目標方位角和俯仰角。

一種基于飛艇的光電經(jīng)緯儀交會測量方法,包括如下步驟:

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

s2,通過吊繩將光電測量系統(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)定平臺姿態(tài)轉(zhuǎn)角、抑制干擾力矩,為光電經(jīng)緯儀提供一個供穩(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致的干擾運動,實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤;

s5,通過兩個光電經(jīng)緯儀交會測量系統(tǒng),根據(jù)需要改變飛艇距離、飛行高度,完成對目標的交會測量

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

設(shè)兩測量站主光軸相交于目標上同一位置m處,根據(jù)幾何知識可知,目標點坐標m(xm,ym,zm)為:

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

由誤差傳遞定律可知,目標坐標的測量誤差為

上述求解中利用了測站o1的全部數(shù)據(jù),但只利用了測站o2的部分數(shù)據(jù);為了提高目標測量的精度,對兩站的測量信息進行數(shù)據(jù)融合,可得目標點坐標的另外一種形式

同理可知目標坐標的測量誤差為

以o1為主測量站的目標坐標為m(x12,y12,z12),測量誤差為以o2為主測量站的目標坐標為m(x21,y21,z21),測量誤差為

對兩組目標坐標點數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均,權(quán)重為相應(yīng)測量方差的倒數(shù),則可以得到融合后的空間目標坐標為

融合后的方差為

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

本發(fā)明通過把光電經(jīng)緯儀的功能延伸到飛艇,可以在云層之上對潛在目標進行測量,減少大氣層的不利影響,進一步拓展光學觀測能力。

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,可以對飛艇高度進行調(diào)整,或者保持在一定高度并進行機動巡航。相比于無人機、偵察機、衛(wèi)星等,飛艇具研發(fā)費用低、承載載荷多等特點,故搭載了光電經(jīng)緯儀的飛艇可以擴展對目標的測量范圍,在交會測量領(lǐng)域有著重要的價值。

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