一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法技术

一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，在对目标进行搜索、跟踪和激光照射的各个阶段，通过接收无人机系统的遥测数据，提取出无人机姿态、位置信息，载荷方位角、俯仰角、目标距离、工作状态等信息。针对光电载荷不同的工作状态，分别利用基于姿态测量和目标测距有源定位模型、基于目标定位系统状态方程和测量方程无源定位模型实时解算侦照区域的空间位置信息，并将其标绘在电子地图上。本发明专利技术无需更改机载光电载荷，仅通过接收无人机系统的遥测数据即可为地面指挥决策人员提供实时的目标位置和环境信息，提高载荷操作人员空间感知和操作感知能力。

A method for calculating and displaying photoelectric load detection area of UAV

A method of area calculation and display of unmanned aerial vehicle (UAV) photoelectric load detection area is used to search, track and irradiate the target. By receiving the telemetry data of the UAV system, the information of the UAV attitude, position information, load azimuth, pitch angle, target distance and working state are extracted. In view of the different working state of the photoelectric load, the spatial location information of the detection area is solved by using the active position model based on the attitude measurement and the target location model, the state equation of the target positioning system and the passive location model of the measurement equation, and then it is plotted on the electronic map. The invention does not need to change the airborne photoelectric load, only by receiving the telemetry data of the UAV system, it can provide real-time target location and environmental information for the ground commanding personnel, and improve the space perception and operation perception ability of the load operator.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法
本专利技术涉及目标定位
，尤其涉及一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法。
技术介绍
近年来，随着无人机系统技术的成熟，无人机已被广泛应用。机载光电载荷作为无人机系统的机载设备在侦察监视、目标打击、作战效能评估、抢险救灾、森林防火等方面发挥着不可替代的作用。任务执行过程中，掌握任务区态势发展和瞬时变化是完成飞行任务的关键，随着无人机所执行任务的多样化、复杂化，地面指挥决策人员已不再满足于仅得到光电载荷侦照目标的方位角、俯仰角和距离。找到一种全面有效的无人机光电载荷侦照目标定位方法，将目标位置实时标绘在电子地图上呈现给指挥决策人员，已是无人机光电载荷应用的发展方向和迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，通过接收无人机系统的遥测数据，为地面指挥决策人员提供实时的光电载荷视场目标位置和环境信息，方便对目标和周围环境进行分析和监视。本专利技术采用的技术方案为：一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，步骤如下：步骤一，接收无人机系统遥测数据；步骤二，判断光电载荷所处的工作状态；步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标；光电载荷具有搜索态、跟踪态和激光照射态三种工作状态。步骤四，计算视场区域坐标；根据光电载荷视场中心坐标、焦距、俯仰角、方位角、飞机坐标、飞机俯仰角和偏航角计算当前视场区域边界四个角的坐标。步骤五，根据计算得到的视场区域坐标，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域。当光电载荷处于激光照射态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(3.1)计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(xbybzb)；步骤(3.1)目标在光电载荷基座坐标系中的坐标(xbybzb)具体为：其中，α，λ，R分别为光电载荷基座坐标系下从光电载荷到目标的方位角、俯仰角、测距值；(3.2)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T；步骤(3.2)求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T，具体为：其中，通过大地直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵求逆得到，A1＝sinλs，B1＝cosλs，C1＝cosαs，H1＝-hs-Rn，L1＝RNe2sinλs，αs，λs，hs分别为无人机的经度、纬度和高度，e为地球参考椭球的第一偏心率，RN为卯酉圈曲率半径；通过地理坐标系到载机坐标系的变换矩阵求逆得到，C2＝sinθas，D2＝cosθas，E2＝sinψas，分别为无人机的横滚角、俯仰角和偏航角；通过载机坐标系到基座坐标系的变换矩阵求逆得到，C3＝sinΔθba，D3＝cosΔθba，E3＝sinΔψba，分别为减震器的横滚角、俯仰角和偏航角；(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)；步骤(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)，其中，目标经度：目标高度：目标纬度：xg，yg，zg分别为步骤(3.2)求得的目标在大地直角坐标系下的坐标，Re，Rp分别为地球参考椭球的长半径和短半径。(3.4)更新并存储计算得到的视场中心目标大地坐标。当光电载荷处于搜索态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(5.1)清空视场中心坐标；(5.2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L0；具体为：Ht为无人机海拔高度，λ为光电载荷俯仰角，θas为无人机俯仰角，H0为无人机所在位置的高程。(5.3)以估算的视场中心目标距离L0替代激光测距值R，计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(xbybzb)；(5.4)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T；(5.5)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)。当光电载荷处于跟踪态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(7.1)判断视场中心坐标是否已清空，若未清空，则代表在跟踪过程中光电载荷已执行过激光测距功能，此时存储的坐标即为当前光电载荷视场中心坐标；若已清空，则代表在跟踪过程中光电载荷未执行过激光测距功能，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的状态方程和测量方程，计算得到当前光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程；步骤(a)计算当前跟踪态视场下目标的状态方程和测量方程，当无人机对目标进行第k次观测时，无人机的位置坐标为目标的坐标为(tx，ty，tz)，选取状态变量代表目标位置估计，则系统离散状态方程为：其中，为状态转移矩阵，wk为系统噪声矩阵，wk～N(0，θk)，为单位矩阵，θk为零矩阵；系统测量方程为：Zk＝h(xk)+vk，其中，vk为测量随机噪声，系统噪声wk和测量噪声vk均为互不相关零均值高斯白噪声，为第k次观测时光电载荷视轴角，px，py，pz为第k次观测时无人机的坐标，tx，ty，tz为目标坐标；(b)计算无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角；步骤(b)根据第k次观测时无人机的偏航角、俯仰角、横滚角和光电载荷的方位角、俯仰角，通过齐次坐标变换计算第k次观测时无人机地理坐标系下的光电载荷视轴角μ代表视轴的俯仰角度，v代表视轴的方位角度；(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程确定视场中心目标坐标。步骤(c)利用无人机与目标的状态方程和测量方程，建立第k次观测时视轴角、无人机位置、目标点位置之间的方程组，当观测次数大于2次时，利用最小二乘估计法求得目标坐标(tx，ty，tz)。大地坐标系，原点O位于地心，X轴指向地球赤道与本初子午圈的交点，Z轴指向与地球自转轴平行，指向北极，Y轴垂直于平面XOZ，与Z轴、X轴构成右手螺旋坐标系，以经度、纬度、高度表示任意一点的位置；大地直角坐标系，坐标轴定义与大地坐标系相同，大地直角坐标系以(xgygzg)表示任意一点的位置；地理坐标系，原点O位于无人机质心，Y轴在无人机所处位置的当地平面内，指向正北，Z轴平行于当地地理垂线，指向天顶；无人机载机坐标系，原点O位于无人机质心，X轴平行于无人机横轴指向右，Y轴平行于无人机纵轴指向前，Z轴平行于无人机竖轴指向上；光电载荷基座坐标系，原点O位于光电载荷方位轴和俯仰轴的交点，X轴指向无人机机头方向，Y轴指向无人机机头顺时针90°方向，Z轴垂直向下。本专利技术与现有技术相比带来的有益效果为：(1)本专利技术无需更改机载程序，利用遥测数据，在地面即可计算，所用数据均为无人机和光电载荷的基本遥测数据，实用性和推广性强；(2)本专利技术涉及光电载荷最主要的三种工作状态：搜索态、跟踪态和激光照射态，基本可满足载荷全作业周期内目标位置的计算；(3)本专利技术结合电子地图对目标位置进行显示，可有效提升载荷操作人员空间感知和操作感知能力，提高飞行和载荷作业效率。附图说明图1为本专利技术的无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法流程示意图；图2为本实施例中基于姿态测量和目标测距模型的坐标转换流程示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的方法进行清楚、完整地描述，显然，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于步骤如下：步骤一，接收无人机系统遥测数据；步骤二，判断光电载荷所处的工作状态；步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标；步骤四，计算视场区域坐标；步骤五，根据计算得到的视场区域坐标，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域。

【技术特征摘要】
1.一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于步骤如下：步骤一，接收无人机系统遥测数据；步骤二，判断光电载荷所处的工作状态；步骤三，根据光电载荷所处的工作状态，计算光电载荷视场中心坐标；步骤四，计算视场区域坐标；步骤五，根据计算得到的视场区域坐标，在电子地图上显示视场方位线和侦照区域。2.根据权利要求1所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：光电载荷具有搜索态、跟踪态和激光照射态三种工作状态。3.根据权利要求2所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：当光电载荷处于激光照射态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(3.1)计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(xbybzb)；(3.2)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T；(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)；(3.4)更新并存储计算得到的视场中心目标大地坐标。4.根据权利要求3所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：步骤(3.1)目标在光电载荷基座坐标系中的坐标(xbybzb)具体为：其中，α，λ，R分别为光电载荷基座坐标系下从光电载荷到目标的方位角、俯仰角、测距值；步骤(3.2)求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T，具体为：其中，通过大地直角坐标系到地理坐标系的变换矩阵求逆得到，A1＝sinλs，B1＝cosλs，C1＝cosαs，H1＝-hs-Rn，L1＝RNe2sinλs，αs，λs，hs分别为无人机的经度、纬度和高度，e为地球参考椭球的第一偏心率，RN为卯酉圈曲率半径；通过地理坐标系到载机坐标系的变换矩阵求逆得到，C2＝sinθas，D2＝cosθas，E2＝sinψas，F2＝cosψas，θas，ψas分别为无人机的横滚角、俯仰角和偏航角；通过载机坐标系到基座坐标系的变换矩阵求逆得到，C3＝sinΔθba，D3＝cosΔθba，E3＝sinΔψba，F3＝cosΔψba，Δθba，Δψba分别为减震器的横滚角、俯仰角和偏航角；步骤(3.3)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)，其中，目标经度：目标高度：目标纬度：xg，yg，zg分别为步骤(3.2)求得的目标在大地直角坐标系下的坐标，Re，Rp分别为地球参考椭球的长半径和短半径。5.根据权利要求2所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：当光电载荷处于搜索态时，计算光电载荷视场中心坐标，具体过程如下：(5.1)清空视场中心坐标；(5.2)利用高程数据估算距视场中心目标的距离L0；(5.3)以估算的视场中心目标距离L0替代激光测距值R，计算视场中心目标在光电载荷基座坐标系下的坐标(xbybzb)；(5.4)利用齐次坐标转换方法，求出从光电载荷基座坐标系到大地直角坐标系坐标(xgygzg)的转换矩阵[xgygzg1]T；(5.5)计算视场中心目标在大地坐标系下的坐标(BHL)。6.根据权利要求5所述的一种无人机光电载荷侦照区域计算与显示方法，其特征在于：步骤(5.2)利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏瀚，陈文，黄欣宇，王一川，
申请(专利权)人：彩虹无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13