Methods for sharing target information with different EO platforms and error analysis
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摘要: 为了满足车载光电侦察系统在野外环境下能够实时快速将目标信息分享给相关辅助武器系统，提出了一种不同光电平台共享目标信息的方法，并给出了该方法的误差分析。该方法通过引入光电侦察系统的平台姿态角、辅助武器系统的平台姿态角等信息，确保光电侦察系统侦察到的目标信息能够实时、准确地传递给辅助武器系统。为了验证该方法的准确性，通过建模分析，得出该方法能够实现目标信息的共享；通过仿真试验对该方法的误差进行分析，得出该方法转化后的目标信息比直接使用采集到的目标信息在精度方面提高了大约3.5 m。Abstract: In order to satisfy the requirement that the vehicular electro-optical reconnaissance system can quickly share target information to relevant auxiliary weapon system real-timely in wild environment, a method for sharing target information of different photoelectric platforms, as well as the error analysis of this method are presented.By introducing the informations such as the attitude angle of auxiliary weapon platform and the attitude angle of EO reconnaissance platform, the method can transmit the target information detected by EO reconnaissance system to auxiliary weapon system precisely in real time.In order to verify the correctness of the method, through the modeling analysis, it is concluded that the method can realize the sharing of target information.The error of the method is analyzed by simulation test, results show that the target information after conversion by the method can improve by about 3.5 m in terms of accuracy compared with the direct use of the collected target information.
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引言
光电侦察系统[1-4]是车载平台对目标实施搜索侦察的重要部件，是获取战场实时信息的重要手段。车载平台上的辅助武器系统[5-7]是对目标实施打击的重要装置，辅助武器系统需要的目标信息是光电侦察系统提供的，但由于光电侦察系统和辅助武器系统不在同一光电平台上安装，导致他们之间存在轴系误差[8-9]，进而导致光电侦察系统侦察到的目标信息，辅助武器系统无法直接使用的。文献[8]通过使用屋脊棱镜和准直管等仪器，在实验室中将两光电仪器之间的差角采集获得，进而通过坐标转换方法将其补偿进去。这种方法是有效可行的，但由于其测量差角的方法只能在实验室中进行，给在野外使用时带来不方便。文献[9]提供的方法是对校准距离情况下的角偏差，距离小于校准距离情况下的角偏差和距离大于校准距离情况下的角偏差这3种不同区间的修正方法进行分析并进行等效近似，其关键是要先选取合适的校准距离，不同校准距离对于后期的等效近似有很重要的影响，而在野外进行校准距离的调整不太方便。以上方法由于受到各种各样的前提条件的约束，导致在野外环境下这些方法的可操作性相对较差，给辅助武器系统在野外环境下快速协作完成击中目标的任务带来挑战。
为了满足辅助武器系统在野外环境下能够快速协作完成击中目标的任务，本文在原有车载平台的基础上，通过引入光电侦察系统的平台姿态角、辅助武器系统的平台姿态角等信息，使用轴系转换的方法，实现了光电侦察系统侦察到的目标信息能够实时、准确地传递给辅助武器系统。建模分析和仿真实验表明，该方法能够满足辅助武器系统在野外环境下能够快速协作完成击中目标的任务。
1 系统组成和建模分析
1.1 系统组成
光电侦察系统平台和辅助武器系统平台分别安装在同一车载平台上。设光电侦察系统平台为平台A，辅助武器系统平台为平台B。在平台A和平台B上各安装一个倾角传感器[10]，这里的倾角传感器的作用是测量各自平台的姿态角。该系统的工作原理是通过光电侦察系统侦察到的目标信息，结合平台A和平台B的姿态角信息，将该目标信息转换为基于辅助武器系统坐标系中的目标信息。
由于该系统是由2个光电平台构成的，每个平台都以自身的坐标系为依据，这就导致光电侦察系统侦察到的目标信息是基于平台A的坐标系，由于光电侦察系统与辅助武器系统并不在同一坐标系中，辅助武器系统不能直接使用该目标信息。因此，就需要利用轴系转换方法，将平台A中的目标信息转换为平台B中的目标信息。其基本原理是，平台A和平台B虽然不在同一个坐标系中，但可以通过倾角传感器获得他们各自的姿态角，而它们的姿态角依据的坐标是大地坐标系，这样可以通过欧拉法，利用平台A的姿态角，将平台A的坐标系中的目标信息转换为在大地坐标系中的目标信息，进而利用平台B的姿态角将在大地坐标系中的目标信息转换为在平台B中的目标信息。
1.2 建模分析
假设倾角传感器的本地坐标系为I[O:X, Y, Z]，平台A的本地坐标系为I′[O:X′, Y′, Z′]，平台B的本地坐标系为I″[O″:X″, Y″, Z″]。由于光电侦察系统与光电侦察系统平台上安装的倾角传感器在同一光电平台，则可以将两者坐标系的原点看作是重合的，那么坐标系I″[O′:X′, Y′, Z′]和坐标系I[O:X, Y, Z]之间通过布尔莎公式[10]就可以实现转换，设I′[O′:X′, Y′, Z′]相对于坐标系I[O:X, Y, Z]欧拉角为(α，β，γ)，即坐标系I′由坐标系I分别绕OZ轴、OY轴、OX轴旋转α、β、γ角得到。如图 1所示，α即OX″在XOY平面上的投影与OX的夹角，β即OX″与XOY平面夹角，r即OY″与XOY的夹角。
由以上定义可以推导出旋转变换关系：
$$ {{\left[ x', y', z' \right]}^{T}}=A{{[x, y, z]}^{\text{T}}}~ $$ (1) 式中:
$$ ~A=\left[ \begin{matrix} \text{cos}\beta \text{cos}\alpha & \text{cos}\beta \text{sin}\alpha & -\text{sin}\beta \\ \text{sin}\gamma \text{sin}\beta \text{cos}\alpha -\text{cos}\gamma \text{sin}\alpha & \text{sin}\gamma \text{sin}\beta \text{sin}\alpha +\text{cos}\gamma \text{cos}\alpha & \text{sin}\gamma \text{cos}\beta \\ \text{cos}\gamma \text{sin}\beta \text{cos}\alpha +\text{sin}\gamma \text{sin}\alpha ~ & \text{cos}\gamma \text{sin}\beta \text{sin}\alpha -\text{sin}\gamma \text{cos}\alpha ~ & ~\text{cos}\gamma \text{cos}\beta \\ \end{matrix} \right]\text{ }~~~~~~ $$ (2) 则逆变换为
$$ {{\left[ x, y, z \right]}^{T}}={{A}^{-1}}{{\left[ x', y', z' \right]}^{\text{T}}} $$ (3) 旋转角α可以通过安装时将其校准为0，因此，(2)式可以简化为
$$ A=\left[ \begin{matrix} \text{cos}\beta & 0 & -\text{sin}\beta \\ \text{sin}\gamma \text{sin}\beta & \text{cos}\gamma & \text{sin}\gamma \text{cos}\beta \\ \text{cos}\gamma \text{sin}\beta & -\text{sin}\gamma & \text{cos}\gamma \text{cos}\beta \\ \end{matrix} \right]\text{ }~\text{ }~~~~~~~ $$ (4) 又由于倾角传感器可以输出所在平台的横滚角和俯仰角，也就是说，(4)式中的旋转角β和γ是已知的。那么，若已知某点的在其中一个坐标系中的位置，就可以求出该点在另一个坐标系中的位置。
同理，设I″[O″:X″, Y″, Z″]相对于坐标系I[O:X, Y, Z]的欧拉角为(α′，β′，γ′)，则其旋转变换关系为
$$ {{[x'', y'', z'']}^{\text{T}}}=B{{[x, y, z]}^{\text{T}}} $$ (5) 式中:
$$ B=\left[ \begin{matrix} \text{cos}\beta ' & 0 & -\text{sin}\beta ' \\ \text{sin}\gamma '\text{sin}\beta ' & \text{ }~\text{cos}\gamma '~ & \text{sin}\gamma \prime \text{cos}\beta ' \\ ~\text{cos}\gamma '\text{sin}\beta ' & -\text{sin}\gamma ' & \text{cos}\gamma '\text{cos}\beta ' \\ \end{matrix} \right]\text{ }~~~ $$ (6) 由于光电侦察系统是负责侦察目标，因此，目标信息在光电侦察系统的本地坐标系中的位置是已知的。设目标信息在光电侦察系统的本地坐标系中位置为(x0, y0, z0)，根据(3)式和(5)式可以求得该目标信息在辅助武器系统的本地坐标系中的位置(x1, y1, z1), 即:
$$ {{[{{x}_{1}}, {{y}_{1}}, {{z}_{1}}]}^{\text{T}}}=B*{{A}^{-1}}{{[{{x}_{0}}, {{y}_{0}}, {{z}_{0}}]}^{\text{T}}}~ $$ (7) 通过对该系统进行建模分析，结果表明该方法能够实现不同光电平台目标信息的共享。
2 仿真试验分析
通过对该系统进行建模分析，得出该方法理论上是正确的。下面用仿真试验验证该方法的有效性，并且通过仿真试验对该方法在提高目标信息精度方面进行了量化分析。
仿真试验通过Matlab软件工具完成的。通过采集平台A和平台B上的2个倾角传感器的任意5组数据，即得出5组2个平台的姿态角，如表 1所示。
表 1 平台姿态角数据Table 1. Data of platform attitude angle序号 光电侦察系统平台姿态角 辅助武器系统平台姿态角 横滚角/(°) 俯仰角/(°) 横滚角/(°) 俯仰角/(°) 1 0.165 -0.095 0.295 -0.205 2 -5.565 -1.635 -5.445 -1.505 3 1.815 15.325 1.705 15.455 4 9.225 -7.185 9.345 -7.075 5 -15.440 10.520 -15.570 10.630 通过分析表 1中光电平台处于5种不同姿态情况下，当观瞄装置中的目标信息变化时，激光压制装置中目标信息的变化情况，可以验证该方法是否正确有效。
由于光电侦察系统和辅助武器系统在同一车载平台上安装，因此，光电侦察系统中侦察到的目标距离信息和辅助武器系统中的目标距离信息是基本一致的。
光电侦察系统通常在方位360°、俯仰-10°~45°内搜索目标[11-12]。因此，为了保证侦察范围内目标的全覆盖，则在仿真试验中假设2种情况：
1) 光电侦察系统中目标信息方位角在0°~360°之间变化，俯仰角和距离值不变时，辅助武器系统中目标信息的变化情况。
2) 光电侦察系统中目标信息俯仰角在-10°~+45°之间变化，方位角和距离值不变时，辅助武器系统中目标信息的变化情况。
利用Matlab软件工具来分析以上2种情况。图 2~图 6表示了当光电侦察系统中目标信息方位角在0°~360°之间变化，俯仰角为0°和距离值为1 200 m保持不变时，辅助武器系统中目标信息在表 1中不同姿态平台情况下的变化情况。
从图 2~图 6中，可以观察到，在不同姿态角的情况下，平台B方位角与平台A方位角都是一一对应的，平台B俯仰角是在一定范围内波动的。这说明在方位方向上，该方法针对于目标信息的转化是正确的。
图 7~图 11表示了当光电侦察系统中目标信息俯仰角在-10°~45°之间变化，方位角为0°和距离值为1 200 m保持不变时，辅助武器系统中目标信息在表 1中不同姿态平台情况下的变化情况。
从图 7~图 11中，可以观察到，在不同姿态角的情况下，平台B俯仰角与平台A俯仰角都是一一对应的，平台B方位角是在有限范围内进行波动的。这说明在俯仰方向上，该方法针对于目标信息的转化是正确的。
通过仿真试验对该方法在提高目标信息精度方面进行量化分析。通过平台A采集了1 200 m任意5组目标信息(见表 2)，在表 1中的不同姿态情况下，利用Matlab软件对这5组目标信息进行目标信息转换，分析转换后的目标信息相对于采集到的目标信息在精度方面的提高情况。具体情况见表 3。
表 2 平台A目标信息Table 2. Target information of platform A序号 平台A目标信息 坐标x/m 坐标y/m 坐标z/m 1 1017 599 216.6 2 386.3 1050 433.9 3 -610.495 7 -230.687 1 -253.137 2 4 598.822 6 -336.043 6 -135.964 0 5 691.283 0 87.329 4 -67.092 0 表 3 平台B的转换目标信息Table 3. Target conwersion information of platform B姿态角序号 目标序号 转换后目标信息 目标点误差/m 坐标x/m 坐标y/m 坐标z/m 姿态角1 目标1 1 017.4 599.5 213.3 3.373 0 目标2 -385.5 1 051 432.1 2.091 6 目标3 -610.981 9 -231.254 8 -251.440 6 1.853 9 目标4 598.558 6 -336.357 1 -136.350 6 0.563 4 目标5 691.153 4 87.170 1 -68.617 0 1.538 8 姿态角2 目标1 1 016.6 599.3 217.7 1.126 4 目标2 -387.1 1 051.9 430.9 3.314 4 目标3 -609.973 3 -231.085 4 -254.031 8 1.109 9 目标4 599.054 2 -336.456 5 -133.907 1 2.110 7 目标5 691.452 0 87.039 8 -65.713 2 1.419 0 姿态角3 目标1 1 016.4 598.7 220.1 3.514 2 目标2 -387.4 1 049.1 435.1 1.776 6 目标3 -609.903 5 -230.241 9 -254.963 5 1.970 9 目标4 599.153 5 -335.741 5 -135.250 5 0.842 6 目标5 691.427 1 87.504 7 -65.356 3 1.750 5 姿态角4 目标1 1016.4 599.8 217.3 1.182 4 目标2 -387.5 1 050.8 431 3.245 0 目标3 -609.943 9 -231.407 0 -253.809 5 1.129 0 目标4 599.182 6 -336.140 9 -134.125 2 1.876 3 目标5 691.382 0 87.404 2 -65.965 1 1.133 7 姿态角5 目标1 1 016.9 598 219.9 3.373 0 目标2 -386.6 1 049.2 435.6 2.091 6 目标3 -612.1312 -224.460 3 -254.780 3 1.853 9 目标4 598.901 3 -336.042 8 -135.618 6 0.563 4 目标5 691.450 6 87.1251 -65.615 1 1.538 8 从表 3中可以看到，对于1 200 m范围内的目标信息，通过目标信息的转化，使平台B的目标信息精度最多提高了大约3.5 m。在野外工作时，大大提高了平台B对目标的打击精度。
3 结论
本文针对现有车载光电侦察系统中目标信息共享方法在野外环境下的可操作性相对较差的现状，提出了一种通过引入光电侦察系统的姿态角、辅助武器系统的姿态角等信息，使用轴系转换方法实现目标信息共享的方法。该方法能够保证将光电侦察系统侦察到的目标信息实时、准确地传递给辅助武器系统。通过建模分析和仿真试验对该方法的正确性进行了验证。仿真实验表明，该方法在方位向和俯仰向针对于目标信息的转换都是正确的，通过仿真试验对该方法的误差进行分析，得出在1 200 m范围内，转化后的目标信息在精度方面最多提高了大约3.5 m。
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表 1 平台姿态角数据
Table 1 Data of platform attitude angle
序号 光电侦察系统平台姿态角 辅助武器系统平台姿态角 横滚角/(°) 俯仰角/(°) 横滚角/(°) 俯仰角/(°) 1 0.165 -0.095 0.295 -0.205 2 -5.565 -1.635 -5.445 -1.505 3 1.815 15.325 1.705 15.455 4 9.225 -7.185 9.345 -7.075 5 -15.440 10.520 -15.570 10.630 
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表 2 平台A目标信息
Table 2 Target information of platform A
序号 平台A目标信息 坐标x/m 坐标y/m 坐标z/m 1 1017 599 216.6 2 386.3 1050 433.9 3 -610.495 7 -230.687 1 -253.137 2 4 598.822 6 -336.043 6 -135.964 0 5 691.283 0 87.329 4 -67.092 0
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表 3 平台B的转换目标信息
Table 3 Target conwersion information of platform B
姿态角序号 目标序号 转换后目标信息 目标点误差/m 坐标x/m 坐标y/m 坐标z/m 姿态角1 目标1 1 017.4 599.5 213.3 3.373 0 目标2 -385.5 1 051 432.1 2.091 6 目标3 -610.981 9 -231.254 8 -251.440 6 1.853 9 目标4 598.558 6 -336.357 1 -136.350 6 0.563 4 目标5 691.153 4 87.170 1 -68.617 0 1.538 8 姿态角2 目标1 1 016.6 599.3 217.7 1.126 4 目标2 -387.1 1 051.9 430.9 3.314 4 目标3 -609.973 3 -231.085 4 -254.031 8 1.109 9 目标4 599.054 2 -336.456 5 -133.907 1 2.110 7 目标5 691.452 0 87.039 8 -65.713 2 1.419 0 姿态角3 目标1 1 016.4 598.7 220.1 3.514 2 目标2 -387.4 1 049.1 435.1 1.776 6 目标3 -609.903 5 -230.241 9 -254.963 5 1.970 9 目标4 599.153 5 -335.741 5 -135.250 5 0.842 6 目标5 691.427 1 87.504 7 -65.356 3 1.750 5 姿态角4 目标1 1016.4 599.8 217.3 1.182 4 目标2 -387.5 1 050.8 431 3.245 0 目标3 -609.943 9 -231.407 0 -253.809 5 1.129 0 目标4 599.182 6 -336.140 9 -134.125 2 1.876 3 目标5 691.382 0 87.404 2 -65.965 1 1.133 7 姿态角5 目标1 1 016.9 598 219.9 3.373 0 目标2 -386.6 1 049.2 435.6 2.091 6 目标3 -612.1312 -224.460 3 -254.780 3 1.853 9 目标4 598.901 3 -336.042 8 -135.618 6 0.563 4 目标5 691.450 6 87.1251 -65.615 1 1.538 8
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