机载光电吊舱线性位移补偿方法

范本果，轩新想，姜 林，许祥馨

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

随着科学技术的发展，无人机的功能、性能得到了飞跃式的提升，无人机在现代战争中的应用也越来越广泛。机载光电吊舱是无人机的重要载荷之一，几乎已经成为侦察无人机、察打一体无人机的标准配置。

机载光电吊舱可配装可见光摄像机、红外热像仪、大面阵照相机、激光测照器等多种成像探测传感器，挂载在无人机、有人机、飞艇等机载平台上，完成空对地、空对空等应用场景下的全天候、全天时的多谱段图像侦察、目标跟踪、目标定位、激光照射引导以及情报态势感知等功能[1-2]。

光电吊舱一般安装陀螺仪，通过伺服控制算法实现对惯性空间的角运动隔离。当载机进行角运动时，光电吊舱伺服控制组件可通过伺服控制算法完成闭环控制，实现惯性空间稳定，控制光电吊舱的光轴实时指向目标。但是当载机在空中进行高速线性运动时，光电吊舱的瞄准线指向无法抵消由于载机线性运动带来的视轴偏移，光电吊舱的光轴指向、成像视场会随着载机的线性运动而快速变化，给目标成像侦察、目标跟踪、目标激光照射引导等功能的实现带来了不好的影响[3]。

为了抵消载机线性运动带来的瞄准线指向变化，通常有以下两种方法可供采用。

（1）手动操控模式。光电吊舱处于手动模式，光电吊舱操作手通过操纵杆，不断操控光电吊舱，使光电吊舱的瞄准线指向目标。采用这种方法，会造成成像场景的不流畅，而且会大大增加操作手的压力和工作难度，不利于长时间和对目标进行高效侦察。

（2）自动跟踪模式。光电吊舱处于自动跟踪模式，光电吊舱操作手通过图像自动跟踪模式，选定目标进行图像跟踪。目标跟踪稳定后，光轴指向精度较高，但是在某些目标图像特征不明显的情况下，容易丢失目标。丢失目标后，较难再次捕获原目标，并且不利于长时间工作。

本文提出适用于机载光电吊舱的线性位移补偿方法，通过获取载机在“东北天”坐标系下的线性速度量、横滚角、俯仰角及偏航角等姿态信息，光电吊舱自身的方位角、俯仰角架位信息，载机相对地面的垂直高度等信息，通过综合运算、误差补偿、坐标矩阵转换，计算出目标相对于光电吊舱的斜距，从而计算出目标相对于光电吊舱的角速度，将角速度量补偿给光电吊舱的伺服组件，可实现光电吊舱的瞄准线实时指向目标，实现对目标区域“粗跟踪”的效果[4]。虽然光轴指向精度不如自动跟踪模式，但是在目标成像侦察使用友好性、长时间应用、减轻操作手工作压力等方面，使用效果较好，可大大提升机载光电吊舱的任务执行能力。

1 线性位移补偿方法基本原理

线性位移补偿方法的基本原理是，光电吊舱的主控系统接收机载惯导系统在“东北天”坐标系下的线性速度矢量，根据飞机的俯仰角、横滚角、偏航角姿态变换矩阵，再结合光电吊舱自身的方位角、俯仰角信息，构建光电吊舱线速度坐标系，通过光电吊舱与目标之间的斜距估算，计算光电吊舱相对于光轴指向区域的相对运动角速度，开启角速度补偿，最终实现光轴指向的角速度量自动补偿，使得目标区域相对光电吊舱的成像视场、光轴指向保持不变，为后续的光电吊舱手动操控、自动跟踪、图像处理等操作提供支撑[5-7]。

2 线性位移补偿方法基本流程

线性位移补偿方法的工作流程如下：

（1）主控接收地面控制站“线性位移补偿开启”控制指令；

（2）主控进入“线性位移补偿”功能处理函数，进行20 ms 周期性运算；

（3）根据从飞机惯导设备接收的东向速度、北向速度、天向速度，构建“北东地”速度坐标矩阵；

（4）速度矩阵通过姿态角旋转矩阵转到飞机导航坐标系（前右下坐标系）矩阵；

（5）前右下坐标系矩阵旋转到方位、俯仰线速度坐标系矩阵；

（6）计算视轴目标在地理系下的俯仰角，根据地面海拔高度装订数据，估算目标斜距；

（7）根据线速度坐标系矩阵计算方位、俯仰角速度；

（8）光电吊舱伺服系统按照伺服“手动”功能，发送方位角速度、俯仰角速度，保持视轴基本指向目标区域不动。

3 线性位移补偿方法具体解算过程

式中：γ为飞机惯导系统输出的横滚角。

（3）飞机导航坐标系下的速度表示矩阵VM，经过两次坐标矩阵变换，得到光电稳瞄系里的线速度矩阵坐标为Vo：

XYZ坐标系为飞机“前右下”坐标系，X´Y´Z´为线速度坐标系矩阵。坐标系如图1 所示。

图1 前右下坐标系旋转到目标线速度矩阵坐标系

两次坐标矩阵变换旋转顺序为：XYZ坐标系先绕Z轴旋转α-90°，再绕X轴旋转-β-90°，得到最终相对于目标的线速度坐标系矩阵X´Y´Z´。

（4）计算光电吊舱与地面目标的实际斜距，获取光电吊舱与光轴指向目标的距离一般有两种方法：一是通过光电吊舱配装的激光测距机对目标进行激光测距，得到光电吊舱与光轴指向目标的距离，但是这种方法需要开启激光测距机，无法保证一直开启，且长时间进行测距操作，容易引起激光测距机超温和人员疲惫。二是通过地面装订海拔高度，配合机载惯导设备的海拔高度，得到光电吊舱距地面的相对高度，通过三角函数运算，得到光电吊舱距目标的斜距。同时要考虑到，飞机在空中的姿态角度不是绝对水平状态，不应采用光电吊舱的俯仰角进行斜距距离计算，而应该采用目标在地理系里面的俯仰角数据进行俯仰角、目标斜距计算。

具体计算步骤如下所示。

光电吊舱指向目标后，光电吊舱显示方位角为α，俯仰角为β，因只是计算光电吊舱光轴指向在“北东地”地理系里面的俯仰角度，所以可以选取光轴指向上的1 m 距离的目标进行后续运算，则目标在光电稳瞄系里面的定义为：

“北东地”坐标系和俯仰角β´如图2 所示。

图2 “北东地”坐标系下求地理坐标系俯仰角

根据“北东地”地理坐标系表示方法，计算光轴指向的地面目标在“北东地”地理坐标系里的俯仰角β´。

计算光电稳瞄系里的最终方位角速度、俯仰角速度。方位角速度为Vox/(d×cosβ)，俯仰角速度为-Voz/d。

按照伺服“手动”模式，经过弧度转换，将计算完成的角速度数据发送给伺服单元对应的方位角速度、俯仰角速度，进行最终的线性位移速度补偿。

4 挂飞验证

光电吊舱线性位移补偿方法已经挂载在高空高速无人机载机平台上，进行了多个飞行架次的验证。飞行高度7 000 m，距目标斜距在18 km 左右，线性位移补偿方法（LMC）开启后，系统能够实时解算光电吊舱光轴指向相对于地面目标的角速度进行反馈补偿，光电吊舱光学视场画面可长时间地保持相对地面区域不动，达到了很好的对目标区域的自动速度补偿效果，极大地提高了对地面目标侦察、目标跟踪的效率和友好性。线性位移补偿方法挂飞试验效果如图3 所示。

图3 线性位移补偿方法挂飞试验效果

5 结 语

本文提出的线性位移补偿方法，已经过某型高空高速察打一体无人机平台飞行验证。试验结果表明，线性位移补偿算法开启后，系统能够实时解算目标相对于光电系统的角速度，通过反向补偿给伺服运动系统，光电吊舱的光轴指向能够实时指向目标区域。