[发明专利]基于机载光电系统的瞄准线广域扫描控制方法

权利要求书

1.一种基于机载光电系统的瞄准线广域扫描控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：建立地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机机体坐标系b、光电系统基座坐标系a、瞄准线坐标系s、航向滤波坐标系LL；某点的经度λ、纬度L、高度h，通过惯导系统测得，用地球直角坐标系e表示为：

x＝(R_N+h)cosLcosλ

y＝(R_N+h)cosLsinλ

z＝[R_N(1-e₀)²+h]sinL

其中，R_N为卯酉圈半径，e₀为地球扁心率；

步骤2：导航坐标系n采用东北天地理坐标系，地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换矩阵为：

步骤3：载机机体坐标系b，机头方向为y轴，ψ为载机航向角、θ为载机俯仰角、γ为载机横滚角，导航坐标系n到载机机体坐标系b的坐标转换矩阵为：

步骤4：光电系统基座坐标系a是由载机机体坐标系b沿y轴旋转180度得到，坐标转换矩阵为：

步骤5：瞄准线坐标系s，由光电系统基座坐标系a先沿载机横滚轴转动光电系统横滚角再沿俯仰轴转动光电系统俯仰角β得到，光电系统基座坐标系a到瞄准线坐标系s的坐标转换矩阵为：/

步骤6：采用以下公式得到地球直角坐标系e到瞄准线坐标系s的转换公式：

采用以下公式得到导航坐标系n到瞄准线坐标系s的转换公式：

步骤7：航向滤波坐标系LL，航向滤波坐标系LL由导航坐标系n沿z轴旋转α角度得到，α是载机航向角ψ低通滤波得到的值；航向滤波坐标系绕导航坐标系缓慢旋转，导航坐标系n到航向滤波坐标系LL的坐标转换矩阵为：

由于

采用以下公式得到航向滤波坐标系到瞄准线坐标系的转换公式：

设采用以下公式计算在航向滤波坐标系下瞄准线横滚角/

在左端扫描起始点，在航向滤波坐标系下，瞄准线横滚角为在右端扫描结束点，在航向滤波坐标系下，瞄准线横滚角为/步骤8：设目标T是瞄准线与地球表面的交点，T的速度与两个因素相关，一是瞄准线的转动，二是载机的平动；首先计算航向滤波坐标系下瞄准线的转动引起的目标运动速度，满足哥氏定理：

其中，

为航向滤波坐标系LL下瞄准线向量；

r^s＝[00R]^T，

向量ω^s为瞄准线在瞄准线坐标系s下转动的角速度向量；

用向量表示瞄准线在地球直角坐标系e下的坐标，则：

其中，/

用向量表示载机AA在地球坐标系的坐标，设瞄准线同地面交点T用向量表示为并满足：/

其中，a＝R_e为地球长半径，b为地球短半径；

由于

通过上式可计算出r^s，即载机AA与瞄准线同地面交点T的距离为R；

设ω^s＝[ω_xω_yω_z]^T，则

则航向滤波坐标系下转动引起的目标速度为

V_E、V_N分别表示东、北向速度，ν为载机飞行速度，V_N＝v*cosψ，V_E＝v*sinψ，航向滤波坐标系下平动引起的目标速度可表示为

所以目标在航向滤波坐标系下的运动速度V^LL为

步骤9：在广域扫描前，系统任务给出扫描区域起始点、载机飞行的高度、速度及航向；根据广域扫描原理，图像运动角速度ω为：

ω＝φ_r(1-overlap)f

其中，φ_r为电视横滚视场角，overlap为重叠率，f为电视传感器帧频；

扫描时间t通过以下方法计算：

R_L为左端扫描起始点载机与瞄准线在地面交点之间的距离，φ_p为电视传感器俯仰视场角，t_s为伺服加减速占用时间；

步骤10：设载机在飞行过程中，偏离航线的横滚角为Δr，偏离航线的俯仰角为Δp，偏离航线的航向角为Δψ；在航向滤波坐标系下瞄准线横滚角为俯仰角为/在广域扫描过程中，俯仰角/俯仰角速度/从瞄准线坐标系向量/到绕载机航线旋转航向角Δψ、俯仰角Δp、横滚角Δr而得到的向量/的转换关系为：

设，矩阵

矩阵

矩阵则：

故，

由于某光电系统采用横滚和俯仰两轴控制，因此只需计算ω_x2和ω_y2；

步骤11：为使在航向滤波坐标系下，扫描方向在水平面内垂直于载机经滤波且经步骤10修正后的航向，有：

根据步骤8结论有：

其中，为R的导数；

所以

/

设则

故

ω_y＝ωcosΔψcosΔp-(C₁₁V_E/R+C₁₂V_N/R)

步骤12：设按照以下公式求取惯性速率指令/

R_M＝R_e*(1-2e₀+3e₀sin²L)

R_N＝R_e*(1+e₀sin²L)

其中，ω_ie表示地球自转角速度，R_M为子午圈半径、R_N卯酉圈半径,e₀表示地球扁率，L表示纬度；

步骤13：计算一个条幅包含的帧幅数N和扫描条幅之间的步进角度；

N＝t*f，N取整数；

在广域扫描过程中，近端步进角度为

θ_L＝φ_p(1-overlap)

远端步进角度为

θ_R＝R_L/R_R*θ_L

其中，R_R为右端扫描结束点载机与瞄准线在地面交点之间的距离；

步骤14：当载机快到达扫描区域时，控制系统调用地理指向工作模式，使瞄准线提前指向该位置，在广域扫描开始时，退出地理指向模式，进入广域扫描模式；根据步骤12计算的瞄准线控制指令使光电系统横滚和俯仰开始运动；由于对载机飞行引起的前向运动进行了补偿，瞄准线在俯仰方向上几乎不动，在横滚方向上相对地面开始从0加速到ω，当角速度ω达到匀速后，计算瞄准线横滚角度r_{los_L}，控制计算机给快调反射镜发指令进行反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行N次，快调反射镜不再反扫并停在零位，同时计算在右端扫描结束点航向滤波坐标系下瞄准线横滚角/此时，使ω匀减速到0；

步骤15：使横滚角速度从ω减速到0的过程中，使俯仰按照步骤13的角度θ_R向前步进；为消除载机姿态变化的影响，该角度的控制在惯性坐标系下完成，由于惯性坐标系没有角度测量传感器，通过瞄准线的速度闭环稳定控制完成惯性坐标系的角度控制；具体方法是将稳定控制回路的积分静态变量加上步进角度进行控制，稳定控制回路为消除积分器的误差，必然会调转平台运动，平台运动被陀螺敏感到并在积分器内积分为角位置信号，由于负反馈作用，陀螺积分的角度信号与步进角度方向相反，当两者相等时，系统重新回到稳态工作点，而瞄准线实际运动的角度恰好为步进角度；

步骤16，此时，瞄准线调转到了下一条幅的扫描开始位置；在横滚方向上瞄准线相对地面开始以最大加速度从0加速到-ω，同时不断计算瞄准线的横滚角度；当角速度-ω达到匀速后，并且当航向滤波坐标系下瞄准线横滚角与上一条幅最后一幅图像右端扫描结束点航向滤波坐标系下瞄准线横滚角/相等时，触发快调反射镜反扫，并在快调反射镜进入稳态后触发电视传感器曝光而获得一幅图像，依次进行N次，快调反射镜不再反扫并停在零位；使横滚相对地面角速度从-ω匀减速到0，俯仰向前步进角度θ_L；同理，再下一条扫描时，当航向滤波坐标系下瞄准线横滚角/与上一条幅最后一幅图像左端扫描起始点航向滤波坐标系下瞄准线横滚角/相等时，触发快调反射镜反扫；按照上述控制方法循环进行下去，直到系统退出广域扫描任务为止。