针对海面目标的机载红外单站几何定位技术

2017-09-12赵洪宇何建伟王卫红

中国电子科学研究院学报 2017年4期

关键词：单站测角载机

赵洪宇，何建伟，王卫红

(中国电子科学研究院，北京 100041)

针对海面目标的机载红外单站几何定位技术

赵洪宇，何建伟，王卫红

(中国电子科学研究院，北京 100041)

红外系统作为一种无源定位系统，其特点是被动探测，不受电磁干扰，具备测角功能，且测角精度高，但本身不具备测距功能。针对海面目标，利用载机可获得的参数，采用单站几何定位技术实现对目标的快速定位。本文分析红外探测器的几何定位算法，推导了几何定位误差公式，总结了影响定位精度的因素，并比较了载机在不同高度、不同俯仰角下对定位精度的影响。仿真结果表明，单站几何定位的精度受载机高度、俯仰角的影响，在俯仰角较小时，基于单站几何定位的定位精度极高，具有一定的工程意义。

红外；单站几何定位；定位精度

0 引言

红外系统作为一种无源定位系统，它是利用目标辐射的热能进行定位，可以探测到与背景有一定温差的目标。在电磁干扰的情况下，有源定位由于采用主动发射电磁波的方式进行探测，导致其易受电子干扰和反辐射导弹的攻击，因此，红外系统在复杂的电磁环境下将可弥补有源定位缺陷，提供一种有效的对抗电磁干扰、隐藏性好以及探测隐身目标的手段[1]。目前主要采用交叉定位[2]、双波段法、能量法等对目标进行定位[3]，但存在定位精度低、实时性差等问题，本文利用红外系统测角精度高的特点[4]，在没有距离信息的情况下，借助载机可获得的参数信息，对海面目标采用单站几何定位技术，实现对海面目标的高精度快速定位。

1 几何定位原理

根据载机的位置信息、高度信息以及姿态角，红外探测到的方位角、俯仰角信息，获取目标的位置信息。

1.1 视轴中心在载机地理坐标系下的俯仰角、方位角

红外系统在定位过程中，上报的原始信息为海面目标在红外设备视场中的视轴位置信息[5]，首先通过坐标转换将红外探测到的位置换算到载机地理坐标系中。假设上报目标的方位角φT、俯仰角θT，视轴中心相对于载机的距离为RPT，所在坐标系为载机坐标系。则目标在载机坐标系中的位置为(x0,y0,z0)：

(1)

图1 载机坐标系到载机地理坐标系转换的示意图

假设载机的姿态角为(Yaw，Pitch，Roll)，由于载机坐标系到载机地理坐标系有一定的航向角、横滚角、航向角上的转动，其坐标转换的示意图如图1所示，则视轴中心在载机地理坐标系中的位置为XG=(xg,yg,zg)为：

XG=L·X0(2)

L=Lx(Roll)·Ly(Pitch)·Lz(Yaw)

(3)

(4)

(5)

由此可得，视轴中心在载机地理坐标系下的俯仰角θg、方位角φg：

(6)

(7)

1.2 载机到视轴中心点的距离

如图2所示，O为地心，P为载机所在位置，T为海面目标所在位置，h为载机所在高度，为目标在载机地理坐标系下的俯仰角，PT之间的距离R为目标距离，Re为地球半径，Re为6400km。则载机P到视轴中心点T的距离为RPT：

(8)

图2 光电侦察设备探测目标示意图

整理得：

(9)

解方程得：

(10)

由图可知：cosω=cos(90°-θg)=sinθg可得：

(11)

目标在载机地理坐标系中的坐标为XG=(Xg,Yg,Zg)，则

(12)

2 定位精度分析

对式R=(Re+h)sinθg-

(13)

对R求方差，求得定位精度。

(14)

其中，dh为测高误差；dθ为俯仰角误差；σh为载机测高精度；σθg为红外测角精度；σR为红外自身测量的距离精度。由此可以看出，影响定位精度的因素主要包括载机高度、载机测高精度、载机姿态精度、红外探测精度和目标俯仰角等，并且随着载机高度精度、红外测角精度的提高，红外系统定位精度随之提高。

3 仿真结果

仿真条件设置如下：载机测高精度为σh=100 m，载机姿态精度为σsy=2°，红外探测器的俯仰角精度为σ俯仰角=0.01°，方位角精度σ方位角=0.01°，红外探测到的目标方位角φT=2°，地球半径Re=6400 km。目标在不同俯仰角下定位精度的仿真结果如图3所示。

图3 目标不同俯仰角下的定位精度

图4 载机不同高度时的定位精度

由图3可以看出，基于几何定位原理的定位精度与载机高度、目标俯仰角等因素有关。随目标俯仰角的增加，红外的定位精度逐渐下降，在俯仰角为90°时，即垂直探测海面时，距离误差最小；在俯仰角为0°时，误差无穷大，故在平视或者仰视的时候，无法用此方法定位；当俯仰角大于45°时，定位精度随目标俯仰角变化不大。

载机在不同高度时的定位精度仿真结果如图4所示。在俯仰角较小时，红外的定位精度随高度增加呈线性增高趋势；当俯仰角较大时，定位精度变化微小。

综上所述，基于几何定位原理的定位精度与载机测高精度、载机姿态角精度以及红外测角精度等因素有关，并且载机高度和俯仰角也会影响其探测精度。在俯仰角较小时，基于单站几何定位的定位精度极高，具有一定的工程意义。

4 结语

本文针对海面目标，利用载机可获得的参数，采用单站几何定位技术实现对目标的快速定位，一方面解决红外作为无源定位方式，不能测距的问题，另一方面利用红外测角精度高的特点，实现对目标的高精度定位，此方法适用于具备载机测高功能的红外系统对海面目标的定位，在工程上具有一定的工程意义。

[1] 杨建华.雷达无源定位技术的发展与战术应用[J].北

京:中国电子科学研究院学报,2009.

[2] 李世祥.光电对抗技术[M].长沙:国防科技大学出版社.2000.

[3] 付小宁.红外单站被动定位技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2005.

[4] 孙仲康,周一宇,何黎星.单多基地定位技术[M].北京:国防工业出版社,1996.

[5] 杨宜禾,岳敏,周维真.红外系统[M].北京:国防工业出版社,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