1 引 言
传统的对远距离目标的定位方法多是基于一个观测平台对目标进行观测定位,首先要求对观测平台所在点的位置进行测定,再由观测点确定目标的相对位置,最后通过某种算法计算出目标的准确位置。例如在大地测绘工作中,如果需要确定某点的大地坐标,一般需要在其附近选一个已知其大地坐标的参考点,然后以该点作为观测点对目标点进行观测(一般用激光测距机和方位获取设备来获取目标点相对于观测点的距离、方位角和高低角信息),然后再根据某种算法计算出目标点的大地坐标。
目标位置解算装置是快速、准确的获取目标位置坐标的有效手段,该装置由激光测距机提供观测点与目标之间的距离参数,由GPS接收机获得观测点的坐标参数(经度、纬度和高程),方位获取设备提供目标相对于观测点的方位角和高低角参数。根据提供的这些参数,来解算目标相对于地心坐标系的大地坐标参数(经度、纬度)。该装置将以前传统的目标定位方法的几个独立的操作步骤整合在一个系统中,无须再寻找已知其位置的参考点,而由GPS接收机直接获得观测点的坐标参数,然后将观测数据直接传给位置解算模块,进行目标位置解算。
2 系统主要组成和工作原理
目标位置解算装置主要由GPS卫星定位模块、激光测距模块、三轴的数字云台模块、中央控制处理模块、通信软件模块和目标位置解算软件模块组成(如图1所示)。
系统的工作原理是:从前端的侦察平台获取相关数据,中央控制处理器发出目标位置解算命令,系统的通信控制软件接到中央处理器的解算命令后,将全部测量数据自动输出至目标位置解算软件,解算后的数据将自动输出至系统通信控制软件,以驱动执行设备执行相关动作。
GPS卫星定位模块提供观测点的经纬度、高程和当前时刻等数据信息。具有12通道全视野并行跟踪、重捕获时间小于1 s、可实现串行数据输出。单点定位精度小于5 m,差分定位精度小于1 m。
激光测距模块输出观测点到目标的距离信息,测量精度为5 m,测量范围30 km。可直接与中央控制模块进行串行通信。
三轴数字云台模块为系统提供目标相对于测量点的方位角和高低角,由于地磁磁偏角的存在,方位角是相对于磁北的。数字云台测得的方位角和高低角的精度分别为±1.0°和±0.5°。
目标位置解算软件对获得的目标与测量点的相对信息进行解算,获得目标的位置信息(大地坐标参数:经度和纬度)。目标位置解算软件可对获得的同一目标的多组位置信息进行统计运算,以消除其系统误差。使目标定位精度在30 km的探测距离上,绝对值小于1%。
3 目标位置解算原理及算法实现
3.1 解算原理
由GPS卫星接收模块获取观测点的大地坐标(经度,纬度和高程),由激光测距机模块获得目标距离观测点的距离信息,由数字云台获取目标距离观测点的方位角和高低角。建立以观测点为坐标原点的切平面坐标系,将目标点在该切平面坐标系内进行投影,以确定观测点到目标点在该局部坐标系的矢量表示。建立以地心为坐标原点的地心坐标系,确定地心到观测点在地心坐标系的矢量表示。建立地心、观测点(地表点)、目标点为端点的矢量三角形,如图5所示,在矢量三角形OGM中,已经确定向量OG和GM,根据矢量加法,可以求得向量OM,进而可以确定目标点M的大地坐标(经度和纬度)。
3.2 目标位置解算模型的建立[3]
地球并不是一个密度分布均匀、形状规则的球体,在解算过程中,采用地球的椭球模型。要解算的空中目标的纬度应该是地心纬度,而且,由于地球是个椭球,不同纬度带其地心向径也是不同的,因此需要确定不同纬度带的地心向径。由图2来确定地心纬度φ与地心向径Rφ的关系式:
如图2所示,O为地心,P为空间中一点,P点沿法线方向投影到椭球面上为P0,PP0为大地高h,P点的地心纬度为φ,地心向径OP=Rφ,由图2可以得出地心纬度φ与地心向径Rφ的关系式:
图3中,G点为观测点(地球表面上一点),建立观测点G的地心坐标系,Z正方向指北,ZOX为子午平面,从ZOX面右旋为正方向。α是G点的经度,β是G点的纬度。根据公式(3)可以得到G点(地面上点)的地心向径Rφ为:
3.3 目标位置解算算法[4211]
假设:观测点G,目标点M。以观测点G为切点建立一个地球的切平面坐标系(目标的局部坐标系,坐标原点为G),其中,G到M的方位角为θ(以Z′顺时针为正,方位角由数字云台获得,原理是通过磁阻电子罗盘对大地磁场强度的测量而得到,由于地磁磁偏角的存在,为了获得正确的解算精度,由数字云台的方位角应该经过大气磁偏数据库的修正),高低角为r(以水平面向上为正),由激光测距机得到的观测点与目标点的距离为S。
由图4可以得到,向量GM则在切平面坐标系X′Y′Z′中的表达式为:
由图3,可以求得向量OG在地心坐标系中的表达式为:
从切平面坐标系X′Y′Z′转到地心坐标系XYZ的变换矩阵为A:
则向量GM在地心坐标系中的表达式为:
由图5所示的由地心、观测点、目标点构成的矢量三角形,可以确定向量OM在地心坐标系中的表达式:
从公式(9),就可以确定目标点的大地坐标为:
公式(9)中的Rφ是由公式(4)求出的不同纬度带(不同的φ)G点的不同的地心向径。这样就可以在不同的纬度带得到相同的定位精度。
表1是在几个已知其大地坐标的不同实验地点对不同距离的目标点进行目标解算的精度对比表,目标点的实测坐标是由GPS卫星接收模块所得到的目标点的大地坐标,目标点解算坐标是系统里固化的一套解算程序所得,与本文解算的算法进行精度对比,可以看出,本文的解算算法可以保证在30 km的定位距离上,目标点的定位精度大大小于其现有的解算系统。远远满足系统要求的定位精度在30 km的定位距离上绝对值小于1%的要求。
4 结 论
目标位置解算装置是快速、准确的获取空中或地面目标位置坐标的有效手段。本文提出了一种有别于其它目标位置解算的解算算法,通过对已知WGS284坐标系数值的地面固定目标进行测试,在30 km的探测距离上,达到了目标定位误差绝对值小于1%的精度要求。同时,该算法考虑了系统在不同纬度带使用时定位精度的一致性,可以在不同纬度带大大满足用户所要求的定位精度。
参考文献:
[1] 孙庆.数字一体化目标位置测定设备的实现[J].无线电通信技术,2003,29(2):425.
SUN Q. Incorporate and digital target locating system[J].Radio CommuNIcations Technology.,2003,29(2):425.(in Chinese)
[2] 刘伯丰,金伟其.基于ARM9的小型一体化目标数字定位系统的实现[J].红外技术,2006,28(1):31235.
LIU B F, JIN W Q. Digital minitype target locating and processing system based on ARM9[J].InfraredTechnol2ogy,2006,28(1):31235.(in Chinese)
[3] 钱曾波,刘静宇.航天摄影测量[M].北京:解放军出版社,1992.
QIAN C N,LIU J Y.SPACe photogrammetry[M]. Beijing:The PLA Press,1992.(in Chinese)
[4] KOUBA J,HEROUX P.Precise point positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions,2001,5(2):12228.
[5] ZUMBERGRE J,HeEFLIN M,JEFFERSON D,et al.Precise point positioning for the efficient and robust analysisof GPS data from large networks[J].J.Geophys.Res.,1997,102:500525017.
[6] 贾来国,李署坚.通信定位系统中定位解算[J].电子测量技术.2005(6):21222.
JIA L G, LI SH J. The realization of positioning solution in communication orientation system[J].Electric Meas2urement Technology,2005(6):21222.(in Chinese)
[7] 周明,赵俊渭,李金明.一种小型水下运动目标定位系统的设计[J].仪器仪表学报. 2006,27(2):1282131.
ZHOU M, ZHAO J W, LI J M. Design of small position system for underwater moving target[J].Chinese Journalof Scientific Instrument,2006,27(2):1282131.(in Chinese)
[8] 雷建军,夏英,葛君伟,等.一种新的蜂窝网无线定位位置解算方法[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2005,17(6):6842690.
LEI J J, XIA Y, GE J W,et al. A novel method of positioning solution for wireless location system in celluar net2work[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2005,17(6):6842690.(in Chinese)
[9] 徐志京,王解先.AIS与雷达目标信息融合中坐标位置的计算方法[J].上海海事大学学报,2005,26(4):78281.
XU ZH J,WANG J X. Numerical method to calculate coordinate transformation between AIS and radar object forinformation fusion[J].Journal of Shanghai Maritime University,2005,26(4):78281.(in Chinese)
[10] YANG G,SHEN X B.Improving ambiguity convergence in carrier phase2based precise point positioning[C].IONGPS2001,Salt Lake City,Utah,USA,2001.
[11] 王家骐,金光,颜昌翔.机载光电跟踪测量设备的目标定位误差分析[J].光学精密工程,2005,13(2):1052116.
WANG J Q,JIN G,YAN CH X. Orientation error analysis of airborne opto2electric tracking andmeasuring device
[J].Optics and precision Enginaring,2005,13(2):1052116.(in Chinese)
作者简介:李晓光(1965-),男,吉林工程技术师范学院信息工程学院教授,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士后,主要研究方向为机器人控制技术,电子测量技术和工业控制等。E2mail: lxg6908112@yahoo.com.cn
