[发明专利]一种海上动态目标定位与移速预测方法

权利要求书

1.一种海上动态目标定位与移速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、建立基础坐标系集及转换关系：

所述基础坐标系集包括大地坐标系c、地球直角坐标系e、导航坐标系n、载机坐标系b、瞄准线坐标系s；

所述大地坐标系c采用国际地球参考系统WGS-84系统，地球上的点在大地坐标系c中表示为经度λ、纬度L、高度H；

所述地球直角坐标系e采用根据地球的参考椭球面建立的笛卡尔直角坐标系，其原点为参考椭球面的中心点位置，X轴由原点指向本初子午圈与赤道圈在椭球面上的交点，Z轴由原点指向地球北极，X轴、Y轴、Z轴服从右手坐标系法则，在地球直角坐标系e中，任意一点的坐标可表示为[x_e,y_e,z_e]；

所述大地坐标系c与地球直角坐标系e的坐标转换关系为：

其中，R_e为复数的实部，e为自然常数；

所述导航坐标系n采用东北天地理坐标系，原点为载机位置，X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法，则任意一点的坐标在导航坐标系n中可表示为[x_n,y_n,z_n]；

所述地球直角坐标系e到导航坐标系n的坐标转换关系为:

其中，为地球直角坐标系e到导航坐标系n的转换矩阵；

所述的表达式如下：

所述载机坐标系b定义Y轴为机头方向，Z轴为机身正上方向，X轴、Y轴和Z轴服从右手坐标系法则，则任意一点的坐标在载机坐标系b中可表示为[x_b,y_b,z_b]；

所述导航坐标系n到载机坐标系b的坐标转换关系为：

其中，为导航坐标系n到载机坐标系b的转换矩阵；

所述的表达式如下：

其中，ψ表示载机的偏航角；θ表示载机的俯仰角；γ表示载机的横滚角；

所述瞄准线坐标系s定义X轴为光电平台的方位框架角，Y轴为光电平台的俯仰框架角，Z轴为光电平台的横滚框架角，则任意一点的坐标在瞄准线坐标系s中可表示为[x_s,y_s,z_s]；

所述载机坐标系b到瞄准线坐标系s的坐标转换关系为：

其中，为载机坐标系b到瞄准线坐标系s的转换矩阵；

设定初始时所述载机坐标系b与所述瞄准线坐标系s重合，由载机坐标系先沿瞄准线坐标系s的X轴转动角度，再沿瞄准线坐标系s的Y轴转动β₀角度，所述的表达式如下：

步骤(2)、获取载机的POS信息、光电平台的框架角：

根据载机的POS机，获取载机的POS信息,其包括经度、维度、高程、北向速度、东向速度、天向速度、偏航角、俯仰角、横滚角；根据光电平台上的测角传感器，获取光电平台的框架角，其包括方位框架角和俯仰框架角；

步骤(3)、根据海平面的海拔高度稳定特性，建立载机与目标之间的距离估计模型，确定无源目标定位方法，完成对目标在大地坐标系c下的经度、纬度和高度的估计，实现目标定位功能：

(3.1)定义探测海域的平均海拔高度为H₁，载机的海拔高度为H₂，则目标在导航坐标系n下的坐标为[x_n,y_n,H₁-H₂],目标在瞄准线坐标系s下的坐标为[0,0,r^s]，其中r^s表示目标与载机之间的距离值；

根据步骤(1)的坐标系转换关系，则

其中，

利用上式可以解算出载机与目标之间的距离r^s；

(3.2)根据步骤(1)的坐标系转换关系，利用载机与目标之间的距离值r^s，目标在地球直角坐标系e下的坐标值为：

其中，

(3.3)对目标在地球直角坐标系e下的坐标值[x_e,y_e,z_e]，采用迭代法与经度转换公式进行坐标转换，获得目标在大地坐标系c中的坐标，实现目标定位；

(3.3.1)设定北半球纬度为正，南半球纬度为负；东经为正，西经为负，则迭代公式的初值公式为：

迭代公式为：

其中，a表示地球长半轴的长度，b表示地球短半轴的长度，e表示地球偏心率；N₀表示目标位置对应的曲率半径初值，N_i表示第i次迭代目标位置对应的曲率半径；H₀表示目标位置对应的高度初值，H_i表示第i次迭代目标位置对应的高度；L₀表示目标位置对应的纬度初值，L_i表示第i次迭代目标位置对应的纬度；

重复迭代4～5次，完成对目标在大地坐标系c下的纬度L、高度H的估计；

(3.3.2)由经度转换公式直接完成对目标在大地坐标系c下经度λ的估计，经度转换公式为：

其中，λ_m表示经度的中间运算量，其表达式为

步骤(4)、建立非线性跟踪微分器，对其离散状态方程中的跟踪函数进行优化，建立最速离散跟踪微分器；

(4.1)建立非线性跟踪微分器的状态方程：

其中，r为调节跟踪速度的参数；v₀表示输入信号，即目标位置数据；sign为函数符号；表示x₁对时间的导数，表示x₂对时间的导数；即对非线性跟踪微分器输入信号v₀，将输出两个状态值x₁和x₂，其中状态x₁可快速跟踪输入信号v₀，状态x₂为v₀的近似微分；

(4.2)将步骤(4.1)中的状态方程离散化为：

其中，h表示采样步长，v(k)表示第k次采样的输入数据，x₁(k)、x₂(k)分别表示第k次采样的状态值，x₁(k+1)、x₂(k+1)分别表示第k+1次采样的状态值；

(4.3)为了解决高频颤振问题，对步骤(4.2)得到的离散状态方程中的跟踪函数进行改进，建立最速离散跟踪微分器为：

其中，函数fhan(x₁，x₂，r，h)表示最速控制综合函数，fhan[x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h]表示函数fhah(x₁，x₂，r，h)中x₁＝x₁(k)-v(k)，x₂＝x₂(k)；

函数fhan(x₁，x₂，r，h)具体定义如下：

步骤(5)、将目标的位置数据信号输入至最速离散跟踪微分器，建立移动速度估计模型，实现对目标移速的估计：

(5.1)利用步骤(3.1)中目标在瞄准线坐标系s下的坐标[0，0，r^s]，以及载机与目标之间的距离rs，获得目标在导航坐标系n中的坐标为：

(5.2)将在导航坐标系n下目标的东向位置x_n和北向位置y_n作为输入信号，分别输入两个与步骤(4)中结构相同的最速离散跟踪微分器，两个最速离散跟踪微分器分别实现对东向移动速度和北向移动速度的实时估计，具体步骤为：将步骤(5.1)中在导航坐标系n下目标的东向位置x_n和北向位置y_n作为输入信号，分别输入两个与步骤(4.3)中结构相同的最速离散跟踪微分器；

在第一个最速离散跟踪微分器中，v(k)＝x_n(k)，状态x₂(k)可自动实现对东向速度的跟踪，即实现对东向移动速度的实时估计；

在第二个最速离散跟踪微分器中，v(k)＝y_n(k)，状态x₂(k)可自动实现对北向速度的跟踪，即实现对北向移动速度的实时估计。