[发明专利]一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置及方法

权利要求书

1.一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，包括飞行平台、地面控制站、时间同步装置、数据录取及解算设备和被测光电系统，其特征在于，所述飞行平台包括飞行动力系统、数据电台及GPS移动站；所述地面控制站包括数据电台、GPS基站及RTK事后数据处理系统，数据录取及解算设备分别连接时间同步装置、RTK事后数据处理系统和被测光电系统，地面控制站分别连接数据电台、GPS基站和RTK事后数据处理系统，地面控制站通过数据电台与飞行动力系统完成信息交互，飞行动力系统上设有GPS移动站。

2.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述GPS移动站上连接有GPS天线。

3.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述GPS基站上连接有GPS天线。

4.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述飞行动力系统采用三旋翼两倾转垂直起降的无人机，其尾部设有热源工装，热源工装上安装有3个红外热源。

5.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述GPS基站采用Linux操作系统，通道数达到220，定位输出频率1～50Hz，RTK水平精度±(8+1×10^-6D)mm。

6.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述时间同步装置采用GPS秒脉冲信号对数据录取及解算设备进行授时，通过网口发送对时广播给被测光电系统主控计算机，实现与测试光电系统之间的测试数据同步。

7.根据权利要求1所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试装置，其特征在于，所述数据录取及解算设备采用便携计算机，录取被测光电系统输出的目标三维数据，加上时戳后，记录在存储介质上，最后根据GPS记录的飞行数据、光电系统大地坐标和被测光电系统输出的目标三维数据计算得到三维数据精度。

8.一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试方法，采用权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：标定被测光电系统所在位置的大地坐标，采用地心地固直角坐标系，坐标系的原点O_e选在地球质心，X_e轴指向地球本初子午线与赤道的交点，Z_e轴与地球的极轴重合，指向北极；Y_e轴与X_eO_eZ_e面垂直，Y_e轴与Z_e、X_e轴构成右手坐标系；

步骤二：启动被测光电系统，预热一定时间；

步骤三：建立差分GPS基准站，采用大地坐标系，通过经度L、纬度B、大地高度H表示空间点的位置；

步骤四：启动GPS移动站，预热一定时间，并保证其数据输出频率与被测光电系统保持一致；

步骤五：在飞行动力系统的控制软件中，规划无人机航路，其要求如下：飞行动力系统距离被测光电系统正前方5km开阔场地横向飞行，飞行高度在300m以内，飞行速度为50km/h，单次航行距离10～20km，往返2～5次，连续有效飞行1小时左右，

步骤六：启动飞行动力系统，准备飞行；

步骤七：按照被测光电系统的探测目标要求，点燃无人机尾部的高温红外热源，使无人机按照规划好的航路飞行；

步骤八：差分GPS移动站适实时记录移动目标无人机的大地坐标；

步骤九：被测光电系统跟踪并输出目标无人机的三维数据，其测量坐标系采用极坐标(r，α，β)表示，其中r为目标与光电系统之间的距离，α为目标在光电系统测量坐标系中的方位角，β为目标在光电系统测量坐标系中的俯仰角，

步骤十：通过数据录取及解算设备，利用几种坐标系的相互转化，得到被测光电系统的动态三维数据精度。

9.根据权利要求8所述的一种多波段光电系统动态三维数据精度的测试方法，其特征在于，三维数据精度的计算过程如下：

步骤A、GPS两种测量坐标系相互转换：GPS对目标的测量结果是基于两种坐标系下的坐标值：一种是大地坐标系，采用经度L、纬度B、大地高度H表示空间点的位置，经度的定义为该空间点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的本初子午面的夹角，纬度的定义为该空间点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，大地高度为空间点沿着参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离；另一种是地心地固直角坐标系，坐标系的原点O_e选在地球质心，X_e轴指向地球本初子午线与赤道的交点；Z_e轴与地球的极轴重合，指向北极；Y_e轴与X_eO_eZ_e面垂直，Y_e轴与Z_e、X_e轴构成右手坐标系；

将地心地固直角坐标(X_e，Y_e，Z_e)与大地坐标(L，B，H)之间相互转换：

上式中，为第一偏心率；

a为参考椭球的长半轴，b为参考椭球的短半轴，

步骤B：地平坐标系与GPS测量坐标的转换；

地平坐标系的原点在光电系统的三轴中心，X轴为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴指向天顶，垂直于XOY平面，

地平坐标与地心地固直角坐标之间的转换关系为：

其中，为地心地固直角坐标系与地平坐标系之间的坐标转换矩阵，

则，

步骤C：光电系统极坐标系与地平坐标系的转换；

光电系统的测量坐标系采用极坐标(r，α，β)表示，其中r为目标与光电系统之间的距离，α为目标在光电系统测量坐标系中的方位角，β为目标在光电系统测量坐标系中的俯仰角，

根据目标的地平坐标，与极坐标之间的转换关系为：

步骤D：三维数据精度计算；

设(x_ei，y_ei，z_ei)分别为第i(i＝1，2，…，N)时刻利用GPS测量得到的无人机的地心地固直角坐标，通过上述坐标转换，计算得到无人机第i时刻的极坐标为(r_i，α_i，β_i)，则同时刻下光电系统测量的无人机的极坐标为(r′_i，α′_i，β′_i)，

步骤E：分析三维数据精度的测量误差；

光电系统动态三维数据精度的测试属于动态测量，采用n次测量数据的均值和标准差作为评定指标：

①对于测距精度：

统计n次测距误差的均值作为光电系统测距精度的系统误差，即

统计n次测距误差的标准差作为光电系统测距精度的随机误差，即

②对于方位角测量精度：

统计n次方位角测量误差的均值作为光电系统方位角测量精度的系统误差，即

统计n次方位角测量误差的标准差作为光电系统方位角测量精度的随机误差，即

③对于俯仰角测量精度：

统计n次俯仰角测量误差的均值作为光电系统俯仰角测量精度的系统误差，即

统计n次俯仰角测量误差的标准差作为光电系统俯仰角测量精度的随机误差，即