趙洪宇，何建偉，王衛(wèi)紅

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

針對(duì)海面目標(biāo)的機(jī)載紅外單站幾何定位技術(shù)

趙洪宇，何建偉，王衛(wèi)紅

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

紅外系統(tǒng)作為一種無源定位系統(tǒng)，其特點(diǎn)是被動(dòng)探測(cè)，不受電磁干擾，具備測(cè)角功能，且測(cè)角精度高，但本身不具備測(cè)距功能。針對(duì)海面目標(biāo)，利用載機(jī)可獲得的參數(shù)，采用單站幾何定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速定位。本文分析紅外探測(cè)器的幾何定位算法，推導(dǎo)了幾何定位誤差公式，總結(jié)了影響定位精度的因素，并比較了載機(jī)在不同高度、不同俯仰角下對(duì)定位精度的影響。仿真結(jié)果表明，單站幾何定位的精度受載機(jī)高度、俯仰角的影響，在俯仰角較小時(shí)，基于單站幾何定位的定位精度極高，具有一定的工程意義。

紅外；單站幾何定位；定位精度

0 引 言

紅外系統(tǒng)作為一種無源定位系統(tǒng)，它是利用目標(biāo)輻射的熱能進(jìn)行定位，可以探測(cè)到與背景有一定溫差的目標(biāo)。在電磁干擾的情況下，有源定位由于采用主動(dòng)發(fā)射電磁波的方式進(jìn)行探測(cè)，導(dǎo)致其易受電子干擾和反輻射導(dǎo)彈的攻擊，因此，紅外系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境下將可彌補(bǔ)有源定位缺陷，提供一種有效的對(duì)抗電磁干擾、隱藏性好以及探測(cè)隱身目標(biāo)的手段[1]。目前主要采用交叉定位[2]、雙波段法、能量法等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位[3]，但存在定位精度低、實(shí)時(shí)性差等問題，本文利用紅外系統(tǒng)測(cè)角精度高的特點(diǎn)[4]，在沒有距離信息的情況下，借助載機(jī)可獲得的參數(shù)信息，對(duì)海面目標(biāo)采用單站幾何定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面目標(biāo)的高精度快速定位。

1 幾何定位原理

根據(jù)載機(jī)的位置信息、高度信息以及姿態(tài)角，紅外探測(cè)到的方位角、俯仰角信息，獲取目標(biāo)的位置信息。

1.1 視軸中心在載機(jī)地理坐標(biāo)系下的俯仰角、方位角

紅外系統(tǒng)在定位過程中，上報(bào)的原始信息為海面目標(biāo)在紅外設(shè)備視場(chǎng)中的視軸位置信息[5]，首先通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將紅外探測(cè)到的位置換算到載機(jī)地理坐標(biāo)系中。假設(shè)上報(bào)目標(biāo)的方位角φT、俯仰角θT，視軸中心相對(duì)于載機(jī)的距離為RPT，所在坐標(biāo)系為載機(jī)坐標(biāo)系。則目標(biāo)在載機(jī)坐標(biāo)系中的位置為(x0,y0,z0)：

(1)

圖1 載機(jī)坐標(biāo)系到載機(jī)地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的示意圖

假設(shè)載機(jī)的姿態(tài)角為(Yaw，Pitch，Roll)，由于載機(jī)坐標(biāo)系到載機(jī)地理坐標(biāo)系有一定的航向角、橫滾角、航向角上的轉(zhuǎn)動(dòng)，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的示意圖如圖1所示，則視軸中心在載機(jī)地理坐標(biāo)系中的位置為XG=(xg,yg,zg)為：

XG=L·X0(2)

L=Lx(Roll)·Ly(Pitch)·Lz(Yaw)

(3)

(4)

(5)

由此可得，視軸中心在載機(jī)地理坐標(biāo)系下的俯仰角θg、方位角φg：

(6)

(7)

1.2 載機(jī)到視軸中心點(diǎn)的距離

如圖2所示，O為地心，P為載機(jī)所在位置，T為海面目標(biāo)所在位置，h為載機(jī)所在高度， 為目標(biāo)在載機(jī)地理坐標(biāo)系下的俯仰角，PT之間的距離R為目標(biāo)距離，Re為地球半徑，Re為6400km。則載機(jī)P到視軸中心點(diǎn)T的距離為RPT：

(8)

圖2 光電偵察設(shè)備探測(cè)目標(biāo)示意圖

整理得：

(9)

解方程得：

(10)

由圖可知：cosω=cos(90°-θg)=sinθg可得：

(11)

目標(biāo)在載機(jī)地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為XG=(Xg,Yg,Zg)，則

(12)

2 定位精度分析

對(duì)式R=(Re+h)sinθg-

(13)

對(duì)R求方差，求得定位精度。

(14)

其中，dh為測(cè)高誤差；dθ為俯仰角誤差；σh為載機(jī)測(cè)高精度；σθg為紅外測(cè)角精度；σR為紅外自身測(cè)量的距離精度。由此可以看出，影響定位精度的因素主要包括載機(jī)高度、載機(jī)測(cè)高精度、載機(jī)姿態(tài)精度、紅外探測(cè)精度和目標(biāo)俯仰角等，并且隨著載機(jī)高度精度、紅外測(cè)角精度的提高，紅外系統(tǒng)定位精度隨之提高。

3 仿真結(jié)果

仿真條件設(shè)置如下：載機(jī)測(cè)高精度為σh=100 m，載機(jī)姿態(tài)精度為σsy=2°，紅外探測(cè)器的俯仰角精度為σ俯仰角=0.01°，方位角精度σ方位角=0.01°，紅外探測(cè)到的目標(biāo)方位角φT=2°，地球半徑Re=6400 km。目標(biāo)在不同俯仰角下定位精度的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 目標(biāo)不同俯仰角下的定位精度

圖4 載機(jī)不同高度時(shí)的定位精度

由圖3可以看出，基于幾何定位原理的定位精度與載機(jī)高度、目標(biāo)俯仰角等因素有關(guān)。隨目標(biāo)俯仰角的增加，紅外的定位精度逐漸下降，在俯仰角為90°時(shí)，即垂直探測(cè)海面時(shí)，距離誤差最小；在俯仰角為0°時(shí)，誤差無窮大，故在平視或者仰視的時(shí)候，無法用此方法定位；當(dāng)俯仰角大于45°時(shí)，定位精度隨目標(biāo)俯仰角變化不大。

載機(jī)在不同高度時(shí)的定位精度仿真結(jié)果如圖4所示。在俯仰角較小時(shí)，紅外的定位精度隨高度增加呈線性增高趨勢(shì)；當(dāng)俯仰角較大時(shí)，定位精度變化微小。

綜上所述，基于幾何定位原理的定位精度與載機(jī)測(cè)高精度、載機(jī)姿態(tài)角精度以及紅外測(cè)角精度等因素有關(guān)，并且載機(jī)高度和俯仰角也會(huì)影響其探測(cè)精度。在俯仰角較小時(shí)，基于單站幾何定位的定位精度極高，具有一定的工程意義。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)海面目標(biāo)，利用載機(jī)可獲得的參數(shù)，采用單站幾何定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速定位，一方面解決紅外作為無源定位方式，不能測(cè)距的問題，另一方面利用紅外測(cè)角精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位，此方法適用于具備載機(jī)測(cè)高功能的紅外系統(tǒng)對(duì)海面目標(biāo)的定位，在工程上具有一定的工程意義。

[1] 楊建華.雷達(dá)無源定位技術(shù)的發(fā)展與戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用[J].北

京:中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2009.

[2] 李世祥.光電對(duì)抗技術(shù)[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社.2000.

[3] 付小寧.紅外單站被動(dòng)定位技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

[4] 孫仲康,周一宇,何黎星.單多基地定位技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996.

[5] 楊宜禾,岳敏,周維真.紅外系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

The Single Station Geometric Positioning Technology of Airborne Infrared System for Sea Surface Targets

ZHAO Hong-yu，HE Jian-wei，WANG Wei-hong

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041,China)

Infrared system is a passive positioning system, which is characterized by passive detection, free from electromagnetic interference, angle function, and the high precision of angle measurements, but itself does not have the ranging function. For the sea targets, the single position geometric positioning technique is used to realize the rapid positioning of the target with the obtained parameters of aircraft .In this paper, the geometric localization algorithm of the infrared detector is analyzed, the geometric error formula is deduced, and the factors that affect the positioning accuracy are summarized. The positioning accuracy is compared with different height of aircraft and different pitch angle. The simulation results show that the accuracy of single station geometric positioning is affected by the height of the aircraft and the pitch angle of the targets, and the accuracy of single station geometric positioning is very high when the pitch angle of the targets is small, which has a certain engineering significance.

Infrared；single station geometric positioning； positioning accuracy

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.015

2017-05-26

2017-07-10

趙洪宇(1989—)，女，山東人，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理，紅外定位技術(shù)；

E-mail：13810246686@126.com

何建偉(1982—)，男，海南人，高級(jí)工程師，主要研究方向系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

王衛(wèi)紅(1975—)，女，山西人，高級(jí)工程師，主要研究方向系統(tǒng)分析與集成。

TN216

A

1673-5692(2017)04-410-04