[发明专利]一种着舰光电导引仿真系统

权利要求书

1.一种着舰光电导引仿真系统，其特征在于：包括5个红外合作目标(1)、直线运动单元(2)、电机及减速装置(3)、控制计算机(4)、地面控制站(7)、带有红外摄像机的红外探测陀螺稳定系统(8)和运动控制器(9)；所述的5个红外合作目标(1)置于直线运动单元(2)上，运动控制器(9)控制直线运动单元运动从而带动5个红外合作目标(1)运动，  5个红外合作目标(1)生成一个模拟舰船甲板跑道，当5个红外合作目标(1)按预定规律运动时，所述模拟舰船甲板跑道的运动与海浪作用下的真实舰船上的跑道的运动相同；红外探测陀螺稳定系统(8)实现红外探测和光轴稳定作用，红外探测陀螺稳定系统(8)一方面探测到红外合作目标(1)生成的模拟甲板跑道图像后，送至地面控制站(7)，地面控制站(7)的控制人员根据图像识别、锁定模拟甲板跑道图像，另一方面红外探测陀螺稳定系统(8)对5个模拟甲板跑道图像进行处理后，将需要的图像信息传送到控制计算机(4)，控制计算机(4)根据光电导引算法(5)估计出舰船的运动规律和着舰点位置；

所述的光电导引算法(5)的实现步骤为：

(1)确定系统模型，设红外摄像机模型为中心透视投影模型，其表达式为：

跑道坐标系到红外摄像机坐标系的刚体转换为：

其中，f_u、f_v、c_u、c_v为红外摄像机参数，经离线标定为已知数，u、v为红外合作目标的图像坐标，γ_s、θ_s、h_s分别为舰船运动的横摇角、纵摇角、沉浮高度；单位正交旋转矩阵R是跑道坐标系到红外摄像机坐标系的姿态矩阵，R_mn，m，n＝1，2，3为单位正交旋转矩阵R的各元素，是姿态的方位角φ、俯仰角θ、横滚角γ的三角函数组合，x_c，y_c，z_c 为摄像机坐标系里的坐标，x_r，y_r，z_r是跑道坐标系的坐标， 为红外摄像机坐标系原点在跑道坐标系的坐标，为待求量；

(2)利用红外摄像机所得的图像，提取5个红外合作目标图像信息，并结合将惯性导航系统提供的俯仰角θ、方位角φ作为步骤(1)中系统模型，即公式(1)中的已知量及已知5个红外合作目标的位置关系，按以下步骤估计出舰船的运动规律和着舰点位置：

A、利用5个红外合作目标特征点横向坐标u_i，i＝1，2...5及红外合作目标的空间位置关系，由系统模型公式(1)得下式：

A·sinφ＝B·cosφ    (3)

其中A、B是与俯仰角θ、横滚角γ及红外合作目标特征点(u_i，v_i)，i＝1，2..5相关的量，由上式可求得相对方位角φ；

B、由系统模型公式(1)得红外合作目标在红外摄像机坐标系的二维坐标为：

将式(2)代入得：

其中(a_ij，b_ij)，i＝1，2...5，j＝0，1...5是姿态的方位角φ、俯仰角θ、横滚角，红外合作目标特征点(u_i，v_i)，i＝1，2..5和红外合作目标跑道坐标(x_ir，y_ir，z_ir)，i＝1，2..5相关的量，将机载惯性导航系统提供的俯仰角θ、横滚角γ、步骤A所得的方位角φ、红外合作目标特征点(u_i，v_i)，i＝1，2...5以及红外合作目标跑道坐标(x_ir，y_ir，z_ir)，i＝1，2..5代入式(5)；

C、利用机载惯性导航信息对所求得的γ_s、θ_s、以及相对高度变化进行参数估计，得出舰船的运动规律；

D、由实时计算所得的地面车相对于模拟舰船甲板跑道的位置和步骤(C)估计出的舰船运动规律，预测导引结束时飞机相对着舰点的位置关系和到达时间，并依据该信息调整飞机飞行降落至着舰； 

所述的红外探测陀螺稳定系统(8)包括俯仰电机、方位电机、俯仰陀螺、方位陀螺、红外摄像机、主机、数据采集板、方位和俯仰陀螺电机驱动器；红外摄像机采集到的图像信号送到数据采集板处理，数据采集板一方面把没有处理的图像信号送到显示器显示，另一方面送入主机，由主机对图像进行处理得出红外合作目标的图像信息送入地面控制站(7)用于计算和锁定后的跟踪，从而实现红外探测功能；俯仰电机、方位电机控制在航向和俯仰两个自由度的方向上扫描，由两个速率陀螺，即方位陀螺、俯仰陀螺分别敏感方位和俯仰运动，然后经过接口板把敏感到的运动转换成数字量送至主机，主机根据上述数字量计算出稳定红外摄像机光轴所需要的速率指令，指令经功率放大后加到俯仰电机、方位电机上，使其按照该速率指令运动，从而实现光轴稳定。