光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)

1、 光電測(cè)量技術(shù)課程讀書(shū)報(bào)告光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)院（系）名稱(chēng)：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：自動(dòng)化測(cè)試與控制系學(xué) 生 學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：哈爾濱工業(yè)大學(xué)2016 年 11 月光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)目錄第 1 章 緒論.11.1 課題背景及研究意義.11.2 國(guó)內(nèi)外光電經(jīng)緯儀技術(shù)的研究現(xiàn)狀.11.3 光電經(jīng)緯儀測(cè)速方法和應(yīng)用現(xiàn)狀.31.4 報(bào)告主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排.41.5 本章小結(jié).5第 2 章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ).62.1 常用坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.62.1.1 地心坐標(biāo)系.62.1.2 跑道坐標(biāo)系.72.1.3 測(cè)量坐標(biāo)系.72.1.4 輔助坐標(biāo)系.82.2 直角坐

2、標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換.82.3 目標(biāo)空間定位方法.92.3.1 單站定位.92.3.2 雙站交會(huì)定位.102.3.3 純測(cè)距信息定位.112.4 本章小結(jié).11第 3 章 光電跟蹤測(cè)量.123.1 激光測(cè)距儀.123.2 單站雙站綜合測(cè)量.133.3 本章小結(jié).14參考文獻(xiàn).16光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)0第 1 章 緒論1.1 課題背景及研究意義 現(xiàn)代化靶場(chǎng)上的武器控制系統(tǒng)、激光通訊設(shè)備或者是天文觀測(cè)儀器中，為了迅速地發(fā)現(xiàn)并精確地跟蹤目標(biāo)，都需要安裝光電捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)裝置。光電經(jīng)緯儀作為既能記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)高精度空間測(cè)量的靶場(chǎng)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備，具有測(cè)量精度高、事后可復(fù)現(xiàn)、直

3、觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在靶場(chǎng)跟蹤測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1。 為了精確地跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，一旦確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之后，需要將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)記錄下來(lái)。而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)主要包括兩方面的內(nèi)容：第一，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；第二，彈道數(shù)據(jù)：如目標(biāo)在各跟蹤測(cè)量時(shí)刻的空間位置坐標(biāo)、速度、距離、航跡傾角、航跡偏角等等2。得到目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的速度，對(duì)于分析目標(biāo)的空間運(yùn)動(dòng)特性、幾何特性、物理特性以及后續(xù)跟蹤測(cè)量時(shí)刻對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬仿真、航跡測(cè)量等具有非常重要的意義3。 在靶場(chǎng)試驗(yàn)中，光電經(jīng)緯儀對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量時(shí)，只能測(cè)得目標(biāo)在各跟蹤時(shí)刻的方位角和俯仰角，不能直接輸出目標(biāo)的速度測(cè)量值。因此，本文主要

4、針對(duì)光電經(jīng)緯儀不能直接測(cè)得跟蹤目標(biāo)的速度值這一問(wèn)題，開(kāi)展了光電測(cè)量?jī)x器的測(cè)速誤差分析及提高精度方法這一研究。利用光電經(jīng)緯儀輸出的方位角和俯仰角的角度值，以及加裝激光距儀輸出的目標(biāo)距光電經(jīng)緯儀的距離，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法獲取目標(biāo)的速度、加速度與測(cè)量時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，據(jù)此外推目標(biāo)在下一時(shí)刻的空間位置坐標(biāo)、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)4。將目標(biāo)的速度參數(shù)反饋給光電經(jīng)緯儀自身的伺服控制系統(tǒng)，作為目標(biāo)繼續(xù)跟蹤捕獲的參考。這在光電跟蹤測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)提高光電經(jīng)緯儀的跟蹤測(cè)量精度具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是今后該領(lǐng)域研究的目標(biāo)和方向。1.2 國(guó)內(nèi)外光電經(jīng)緯儀技術(shù)的研究現(xiàn)狀 光電經(jīng)緯儀作為現(xiàn)代化靶場(chǎng)最基本的光電測(cè)量?jī)x器，

5、被廣泛應(yīng)用于航空航天以及武器試驗(yàn)等軍事科研領(lǐng)域。 從 60 年代初期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的一些研究所和高校開(kāi)始自己研制靶場(chǎng)試驗(yàn)專(zhuān)用光電經(jīng)第 1 章 緒論1緯儀。其中，最具有代表性的研制單位是長(zhǎng)春光機(jī)所和成都光電所，這兩個(gè)研究所研制的靶場(chǎng)專(zhuān)用大型光電經(jīng)緯儀代表了國(guó)內(nèi)光電經(jīng)緯儀技術(shù)的最高水平5。圖 1.1 光電經(jīng)緯儀60 年代中期，長(zhǎng)春光機(jī)所就己經(jīng)研制了第一臺(tái)光學(xué)電影經(jīng)緯儀。60 年代末，第二臺(tái)光學(xué)電影經(jīng)緯儀成功問(wèn)世，這臺(tái)經(jīng)緯儀安裝了光學(xué)軸角編碼器，并且可以實(shí)時(shí)地對(duì)外輸出測(cè)量角度值。在 70 年代生產(chǎn)的經(jīng)緯儀，己經(jīng)采用激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的功能，并且安裝有電視實(shí)時(shí)記錄目標(biāo)序列圖像6。80 年代中期的第四代

6、光學(xué)電影經(jīng)緯儀，己經(jīng)采用集成電路、微處理機(jī)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)變焦距捕獲電視、紅外、程序引導(dǎo)等多種跟蹤手段，并且具有跟蹤精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。如今，在嶄新的 21 世紀(jì)，長(zhǎng)春光機(jī)所所生產(chǎn)的全新光電經(jīng)緯儀不僅安裝了全波段傳感器，而且具有大口徑、測(cè)量精度高、作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠全天候的工作，并且具有一定的對(duì)抗功能，在靶場(chǎng)光電跟蹤測(cè)量領(lǐng)域，光電經(jīng)緯儀己經(jīng)成為了必不可少的試驗(yàn)工具。 國(guó)外的導(dǎo)彈試驗(yàn)靶場(chǎng)配備的光電經(jīng)緯儀不僅數(shù)量多、測(cè)量精度高，而且更新?lián)Q代速度非?？?。圖 1.2 是美國(guó)的靶場(chǎng)光電經(jīng)緯儀正在對(duì)發(fā)射的導(dǎo)彈進(jìn)行跟蹤測(cè)量試驗(yàn)的圖片。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)2圖 1.2 國(guó)外的光電測(cè)量系統(tǒng)

7、 早在 1791 年，英國(guó)的威廉康格里夫就在英格蘭伍爾威奇兵工廠用小型望遠(yuǎn)鏡跟蹤了射程高達(dá) 4570m 的“康格里夫”火箭。而真正開(kāi)創(chuàng)了光學(xué)測(cè)量界先河的是美國(guó)的戈達(dá)德夫人，她在 1926 年，用錫尼柯達(dá)攝影機(jī)對(duì)羅伯特 H-戈達(dá)德博士的液體火箭研制過(guò)程做了攝影記錄7。1937 年，德國(guó)的馮布勞恩用阿斯卡尼亞經(jīng)緯儀加裝 16mm 的攝影機(jī)，用于 320 公里試驗(yàn)射程的 V-2 火箭軌跡的拍攝。在 1940 年，第一臺(tái)電影經(jīng)緯儀(KTH-41)正式裝備德國(guó)的佩內(nèi)明德試驗(yàn)靶場(chǎng)。至 20 世紀(jì) 70 年代初，美國(guó)的太平洋導(dǎo)彈靶場(chǎng)就己經(jīng)裝備了 23 臺(tái)電影經(jīng)緯儀，而大西洋導(dǎo)彈靶場(chǎng)僅次于太平洋導(dǎo)彈靶場(chǎng)。19

8、93 年，美國(guó)的 Boeing Duluth 公司研制出了高性能光電測(cè)量系統(tǒng)，它具有反應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。國(guó)外光電經(jīng)緯儀的型號(hào)主要有 KTH-500，RA-SUM，EOTS，GEODSS，K-400，RADOT，KINETO，MAST 等8。 在現(xiàn)代化靶場(chǎng)上，光電經(jīng)緯儀的工作狀態(tài)主要有兩種：固定站形式和活動(dòng)站形式。而活動(dòng)站的工作狀態(tài)又分為兩種：一種是把光電經(jīng)緯儀安裝在車(chē)載平臺(tái)上；一種是把光電經(jīng)緯儀直接安裝到輪船的甲板上。國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)的光電經(jīng)緯儀大都采用固定地基式的工作方式，這種安裝方式雖然機(jī)動(dòng)性能差，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地基可以使光電經(jīng)緯儀平穩(wěn)地工作，且?guī)?dòng)誤差小。因此，光電經(jīng)緯儀在跟蹤

9、測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的測(cè)量誤差也比較小。本文主要的研究對(duì)象是新型具有激光距功能的固定站式大型光電經(jīng)緯儀。1.3 光電經(jīng)緯儀測(cè)速方法和應(yīng)用現(xiàn)狀 在靶場(chǎng)上，光電經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量時(shí)，跟蹤精度與響應(yīng)速度是其實(shí)現(xiàn)精密跟蹤的關(guān)鍵，而獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性是跟蹤系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。其中，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性主要包括目標(biāo)的距離、空間位置坐標(biāo)、速度及加速度等。因此，獲得目標(biāo)的速第 1 章 緒論3度并提高其測(cè)量精度，這在光電經(jīng)緯儀的目標(biāo)跟蹤測(cè)量過(guò)程中具有非常重要的意義。 通過(guò)閱讀大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)：發(fā)現(xiàn)以往光電經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，對(duì)目標(biāo)的測(cè)速方法和測(cè)速精度方面的研究，都是基于目標(biāo)圖像處理或姿態(tài)測(cè)量等問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)

10、行過(guò)系統(tǒng)的研究，并且從沒(méi)有在真正的意義上提出過(guò)測(cè)量目標(biāo)速度及提高其測(cè)量精度等方面的研究課題。而且在光電經(jīng)緯儀的跟蹤測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)一覽表上，也從沒(méi)有提出過(guò)其對(duì)目標(biāo)速度的測(cè)量精度這一技術(shù)指標(biāo)。因此，通過(guò)光電經(jīng)緯儀輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的速度、對(duì)測(cè)速誤差來(lái)源進(jìn)行分析及提出提高測(cè)速精度的方法顯得尤為重要。 由于光電經(jīng)緯儀不能直接輸出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度，因此，為了獲取跟蹤目標(biāo)的速度及其測(cè)量精度，需要對(duì)光電經(jīng)緯儀輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先，根據(jù)光電經(jīng)緯儀輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)。其次，采用曲線擬合的方法擬合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后，對(duì)目標(biāo)的軌跡函數(shù)進(jìn)行微分運(yùn)算，即可得到對(duì)應(yīng)的速度值。綜上

11、，獲得了目標(biāo)的速度值之后，根據(jù)函數(shù)誤差傳遞原理及誤差合成原理分析經(jīng)緯儀測(cè)量誤差對(duì)速度精度的影響因子。1.4 報(bào)告主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本文主要針對(duì)靶場(chǎng)試驗(yàn)用光電經(jīng)緯儀不能實(shí)時(shí)輸出跟蹤目標(biāo)的速度這一問(wèn)題展開(kāi)研究。利用光電經(jīng)緯儀輸出的目標(biāo)方位角、俯仰角以及目標(biāo)距離信息，首先通過(guò)坐標(biāo)計(jì)算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)的空間位置。其次，采用相應(yīng)的曲線擬合算法得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線函數(shù)。最后，通過(guò)微分運(yùn)算得到目標(biāo)的速度，并分析測(cè)速誤差的來(lái)源，及測(cè)量誤差對(duì)測(cè)速精度的影響因子。因此，本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下五個(gè)章節(jié)： 第一章為緒論。主要介紹了本課題的研究背景和意義，以及光電經(jīng)緯儀技術(shù)的研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)分析了光電經(jīng)緯儀

12、測(cè)速方法、理論及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和問(wèn)題。最后介紹了本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排。 第二章主要介紹了目標(biāo)跟蹤測(cè)量的理論基礎(chǔ)。首先闡述了目標(biāo)空間定位過(guò)程中常用的坐標(biāo)系及其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。其次論述了目前常用的目標(biāo)空間定位方法及理論，為后面第三章的研究?jī)?nèi)容做好了鋪墊。最后是對(duì)第二章節(jié)的總結(jié)，闡述了基礎(chǔ)理論知識(shí)的重要性。 第三章給出了測(cè)量目標(biāo)速度的相關(guān)算法。通過(guò)第二章對(duì)于不同分類(lèi)方法的介紹，提出了光電跟蹤測(cè)量中目標(biāo)空間定位的方法一單站雙站綜合測(cè)量方法，在一定程度上光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)4提高了空間定位精度，減小了測(cè)速誤差。其次，提出了采用三次樣條插值方法擬合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。區(qū)別于之前的方法，減少了因

13、軌跡擬合過(guò)程中帶來(lái)的擬合殘差，使后續(xù)對(duì)速度的誤差分析變得更加簡(jiǎn)單。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了 報(bào)告的研究背景和意義、國(guó)內(nèi)外光電經(jīng)緯儀技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)速的方法、理論應(yīng)用和工程應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 。第 2 章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)5第 2 章章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)2.1 常用坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換2.1.1 地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系是全球統(tǒng)一的坐標(biāo)系，它包括地心球面坐標(biāo)系、地心空間直角坐標(biāo)系、地心大地坐標(biāo)系三種。地心坐標(biāo)系以地球的質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以與大地水準(zhǔn)面實(shí)現(xiàn)最佳密合的地球橢球面作為其基準(zhǔn)面。地心坐標(biāo)系對(duì)航空航天技術(shù)、遠(yuǎn)程跟蹤控制技

14、術(shù)以及地球科學(xué)研究等都具有十分重要的意義，尤其對(duì)靶場(chǎng)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備而言，地心坐標(biāo)系作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要中間媒介，起著無(wú)可替代的作用。在光測(cè)事后數(shù)據(jù)處理中，地心空間直角坐標(biāo)系更適用于光電經(jīng)緯儀測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，因此，本文所涉及的地心坐標(biāo)系均為地心空間直角坐標(biāo)系9。圖 2.1 地心空間直角坐標(biāo)系如圖 2.1 所示，為地球中心，是地心空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)。軸是地球aOaZ自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，指向地球自轉(zhuǎn)軸的方向。軸與軸垂直，由地心指向起始大地子午aXaZ面與赤道的交點(diǎn)。軸位于赤道面上，軸與軸共同構(gòu)成赤道面，、與三aYaXaYaXaYaZ軸符合右手定則10。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)62.1.2

15、 跑道坐標(biāo)系跑道坐標(biāo)系是站心坐標(biāo)系的一種，主要用來(lái)確定目標(biāo)機(jī)體上某點(diǎn)相對(duì)于跑道上某固定點(diǎn)位的具體位置，通常以跑道上過(guò)某固定點(diǎn)的鉛垂線和水平面為基準(zhǔn)建立符合右手定則的坐標(biāo)系11。圖 2.2 跑道坐標(biāo)系跑道坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)通常為目標(biāo)機(jī)體的起飛點(diǎn)或者著陸區(qū)阻攔索的中心點(diǎn)。bO軸通常位于水平面內(nèi)，由坐標(biāo)原點(diǎn)指向跑道延伸的方向，其方向?yàn)閺拇蟮乇毕驏|順bX時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度。軸為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的鉛垂線，且豎直向上為正方向。軸位于水平bYbX面內(nèi)且過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，、與構(gòu)成符合右手定則的空間直角坐標(biāo)系，如圖 2-2 所示。bXbYbZ2.1.3 測(cè)量坐標(biāo)系 測(cè)量坐標(biāo)系也是站心坐標(biāo)系的一種，主要用來(lái)描述目標(biāo)相對(duì)測(cè)站的空間位置

16、坐標(biāo)。測(cè)量坐標(biāo)系通常采用垂直坐標(biāo)系，適用于光電經(jīng)緯儀和彈道相機(jī)等現(xiàn)代化靶場(chǎng)光電測(cè)量設(shè)備。測(cè)量坐標(biāo)系以設(shè)備的垂直軸、照準(zhǔn)軸和水平軸的幾何交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。cO即為光電經(jīng)緯儀的光心。軸過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，且指向大地北方向。軸為經(jīng)過(guò)坐cOcXcOcY標(biāo)原點(diǎn)的鉛垂線，向上為正。軸與軸同位于過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的水平面內(nèi)，與cOcZcXcO軸、軸共同構(gòu)成符合右手定則的坐標(biāo)系12，如圖 2.3 所示。cXcY第 2 章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)7圖 2.3 測(cè)量坐標(biāo)系2.1.4 輔助坐標(biāo)系 輔助坐標(biāo)系又稱(chēng)為過(guò)渡坐標(biāo)系，是為了簡(jiǎn)化計(jì)算或易于建模而專(zhuān)門(mén)設(shè)立的坐標(biāo)系，它的坐標(biāo)原點(diǎn)和三個(gè)坐標(biāo)軸的方向可以任意設(shè)置13。在獲得最終參數(shù)估計(jì)量之后

17、，需要將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到指定坐標(biāo)系。例如，在光電經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量目標(biāo)的空間位置時(shí)，首先以某觀測(cè)站為坐標(biāo)原點(diǎn)求取目標(biāo)相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的空間位置，然后通過(guò)輔助坐標(biāo)系將測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到發(fā)射坐標(biāo)系下，得到目標(biāo)在發(fā)射坐標(biāo)系下的空間位置，使得計(jì)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化。2.2 直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 以跑道坐標(biāo)系與地心空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為例，假設(shè)目標(biāo)在跑道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為，在地心空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為，跑道坐標(biāo)bbbZYXaaaZYX系坐標(biāo)原點(diǎn)的天文經(jīng)度、緯度以及與正北方向的夾角分別為、，坐標(biāo)原bX0L0B0點(diǎn)相對(duì)于地心空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)為。aaaZYX 設(shè)、分別為跑道坐標(biāo)系軸、軸、軸繞地心空間直 xR

18、 yR zRbXbYbZ角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)矩陣，如（2-1）式所示。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)8 （2-1） 1000cossin0sincoscos0sin010sin0coscossin0sincos0001zyxRRR 結(jié)合上式可得跑道坐標(biāo)系與地心空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： （2-2）bbboyoxozoooaaaZYXRBRLRZYXZYX22 其他坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換同理。2.3 目標(biāo)空間定位方法2.3.1 單站定位靶場(chǎng)上，單臺(tái)光電經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量時(shí)，只能得到目標(biāo)的方位角和俯仰角，只根據(jù)測(cè)角信息不能測(cè)得目標(biāo)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的空間位置，因此，在光電經(jīng)緯儀上加裝激光測(cè)距儀，并在目

19、標(biāo)機(jī)體上加裝激光合作目標(biāo)。這樣，不僅可以獲得目標(biāo)在每一時(shí)間序列上的方位角、俯仰角的測(cè)量值，還可以得到目標(biāo)距光電經(jīng)緯儀光心的距離iAiE值，進(jìn)而可以得到目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)，如圖 2.4 所示。iR第 2 章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)9圖 2.4 單臺(tái)光電經(jīng)緯儀匹配激光測(cè)距儀定位 由此可見(jiàn)，單臺(tái)光電經(jīng)緯儀匹配激光測(cè)距裝置，觀測(cè)站能夠獲得目標(biāo)的距離值R、方位角 A、俯仰角 E 三個(gè)信息，完全可以確定目標(biāo)的空間位置14。靶場(chǎng)上采用單臺(tái)光電經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行空間定位比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，單站定位方法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但單站測(cè)量的定位精度低于雙站交會(huì)測(cè)量的定位精度，尤其是當(dāng)目標(biāo)距光電經(jīng)緯儀較遠(yuǎn)時(shí)，激光測(cè)距儀的測(cè)

20、距精度明顯降低，更降低了單站測(cè)量的定位精度。2.3.2 雙站交會(huì)定位在光電經(jīng)緯儀不安裝激光測(cè)距裝置或目標(biāo)機(jī)體不加裝激光合作目標(biāo)的情況下，單臺(tái)光電經(jīng)緯儀不能獲得目標(biāo)的空間位置，只能利用滿(mǎn)足交會(huì)測(cè)量條件（兩觀測(cè)視線在同一平面內(nèi)且相交）的兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀通過(guò)交會(huì)測(cè)量測(cè)得目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)10圖 2.5 雙站交會(huì)定位如圖 2.5 所示，A、B 兩站各有一臺(tái)光電經(jīng)緯儀，分別為兩臺(tái)經(jīng)緯儀的光心21OO、位置，它們之間的距離為 L。當(dāng)目標(biāo)位于點(diǎn)時(shí)，其在測(cè)量水平面的投影點(diǎn)，A、BiM兩臺(tái)經(jīng)緯儀測(cè)得的目標(biāo)的方位角和俯仰角分別為。iiiEAA121、 雙站交會(huì)測(cè)量的定位精度高于單站

21、測(cè)量的定位精度，但低于多站交會(huì)測(cè)量并采用融合算法處理獲取目標(biāo)空間位置的精度15?？偟膩?lái)說(shuō)，雙站交會(huì)定位方法計(jì)算過(guò)程較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，實(shí)用性比較強(qiáng)。 同理，多站交會(huì)與雙站交會(huì)測(cè)量類(lèi)似，多臺(tái)經(jīng)緯儀要同時(shí)滿(mǎn)足多站布站的原則，多臺(tái)經(jīng)緯儀輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)較多，為提高測(cè)量精度需要切換交會(huì)公式，因此數(shù)據(jù)的利用率低，且?guī)?lái)較多的誤差項(xiàng)，后續(xù)誤差計(jì)算較麻煩，因此，本文不過(guò)多贅述。2.3.3 純測(cè)距信息定位基地的光電經(jīng)緯儀一般安裝有激光鋇距儀，可以測(cè)得目標(biāo)距經(jīng)緯儀光心的距離值，在事后光測(cè)數(shù)據(jù)處理中，只要有三個(gè)或三個(gè)以上的激光測(cè)距元就可以確定目標(biāo)的空間位置。當(dāng)有三個(gè)測(cè)站時(shí)，我們可以根據(jù)測(cè)站間的空間幾何關(guān)系求解目標(biāo)

22、的空間位置坐標(biāo)，因此也稱(chēng)為 3R 測(cè)元定位法。第 2 章 跟蹤測(cè)量理論基礎(chǔ)11圖 2.6 3R 測(cè)元定位2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的理論基礎(chǔ)： 一、常用坐標(biāo)系；如地心空間直角坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)系、跑道坐標(biāo)系、輔助坐標(biāo)系。 二、坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；介紹了幾種常用坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為后續(xù)目標(biāo)空間定位打好基礎(chǔ)。三、幾種常用的目標(biāo)空間位置的測(cè)量方法。通過(guò)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)比數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度和精確度，為后面目標(biāo)空間定位方法的選取提供了依據(jù)，并為計(jì)算分析目標(biāo)的速度提供了參考 。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)12第 3 章章 光電跟蹤測(cè)量光電跟蹤測(cè)量3.1 激光測(cè)距儀激光測(cè)距

23、儀是通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需的時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離的一種傳感器。激光測(cè)距儀因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探測(cè)距離遠(yuǎn)、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于靶場(chǎng)光電跟蹤測(cè)量領(lǐng)域16。目前，靶場(chǎng)的光電經(jīng)緯儀大都通過(guò)激光測(cè)距儀完成高精度空間測(cè)距，與測(cè)量電視輸出的數(shù)據(jù)配合實(shí)現(xiàn)單站高精度空間定位。圖 3.1 激光傳感器工作原理圖一般情況下，靶場(chǎng)的光電經(jīng)緯儀上安裝的激光測(cè)距子系統(tǒng)由激光器、激光發(fā)射裝置和接收裝置以及處理電路組成。如圖 3.1 所示，傳感器工作時(shí)，由激光二極管向目標(biāo)發(fā)射脈沖寬度極窄的激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光脈沖向各個(gè)方向散射，部分散射光返回到傳感器的接收裝置，記錄并處理從激光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可確定

24、目標(biāo)的距離16，如式（3-1）所示。 （3-1）tcR21 其中，R 即為光電經(jīng)緯儀的光心距目標(biāo)機(jī)體的距離，c 為光速，為激光脈沖從t激光二極管發(fā)射到返回至接收器被接收的時(shí)間。第 3 章 光電跟蹤測(cè)量13 激光測(cè)距的誤差主要包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差事后可得到修正。測(cè)距過(guò)程中隨機(jī)誤差的來(lái)源主要有：計(jì)數(shù)器分辨率產(chǎn)生的誤差；晶振頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生的誤差；觸發(fā)器和放大器延時(shí)產(chǎn)生的誤差。因此，激光測(cè)距儀測(cè)距過(guò)程中產(chǎn)生的總誤差。為： （3-2）232221 一般情況下激光測(cè)距儀的測(cè)距精度可做到。m13.2 單站雙站綜合測(cè)量 在靶場(chǎng)光電跟蹤測(cè)量試驗(yàn)中，利用滿(mǎn)足交會(huì)測(cè)量條件的兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)就

25、可以確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在任一時(shí)刻的空間位置坐標(biāo)。但是，當(dāng)目標(biāo)位于兩臺(tái)經(jīng)緯儀的基線上方時(shí)，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)的空間定位誤差知道定位誤差為極大值，此時(shí)，不易選用交會(huì)測(cè)量方法17。因此，本文給出了一種新的測(cè)量目標(biāo)空間位置坐標(biāo)的方法一單站雙站綜合測(cè)量方法，基本流程圖如圖 3.2 所示18。圖 3.2 基本流程圖光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)14圖 3.3 經(jīng)緯儀布站圖 采用單站雙站綜合測(cè)量方法測(cè)量目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)，在理論上解決了雙站交會(huì)測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)極大測(cè)量誤差的情況，以及單站定位過(guò)程中目標(biāo)易丟失的情況，因此，有助于提高目標(biāo)的空間坐標(biāo)測(cè)量精度，進(jìn)而提高目標(biāo)的測(cè)速精度19。之后，基于三次樣條插值法就可以擬合出目

26、標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡20。 根據(jù)光電經(jīng)緯儀輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)單站雙站綜合測(cè)量方法得到了目標(biāo)在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，即獲得了目標(biāo)的空間離散運(yùn)動(dòng)軌跡。而獲取目標(biāo)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡往往是求取目標(biāo)速度和加速度的前提和必要條件，因此，選擇采用插值方法來(lái)獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的變化規(guī)律。鑒于高次插值既不穩(wěn)定也不收斂的特點(diǎn)，而低次插值既具有收斂性又具有一定的穩(wěn)定性，因此，選擇低次插值方法更具有實(shí)用意義。低次插值方法雖然在插值區(qū)間具有連續(xù)性，但在插值節(jié)點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)卻不存在，而三次樣條插值函數(shù)由分段三次曲線并接而成，不僅在連接點(diǎn)上二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)、具有二階光滑度，還克服了高次插值既不收斂又不穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，更適合運(yùn)用于目標(biāo)速

27、度和加速度的進(jìn)一步求取20。具體方法可參照相關(guān)專(zhuān)業(yè)參考書(shū)，本報(bào)告中不再贅述。3.3 本章小結(jié)本章首先主要給出了一種新的光電跟蹤測(cè)量定位方法：?jiǎn)握倦p站綜合定位方法。這種方法不僅克服了多站融合測(cè)量數(shù)據(jù)冗余及數(shù)據(jù)利用率不高的弊端，還解決了雙站交第 3 章 光電跟蹤測(cè)量15會(huì)測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)極大測(cè)量誤差的情況，大大地提高了目標(biāo)空間定位精度。光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量的基本定位技術(shù)16參考文獻(xiàn)1 J.L.Martnez,et al.Object following and obstacle avoidance using a laser scanner in outdoor mobile robot auriga-

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