应用坐标变换动态修正光电经纬仪脱靶量

　　1　引　言

　　光电经纬仪广泛用于火箭、导弹和航空炸弹等飞行目标的外弹道轨迹参数测量,并兼顾目标姿态和遭遇段脱靶量参数测量以及实况记录[1],是靶场主要光测设备之一。

　　光电经纬仪是由电影经纬仪发展而来的,典型的经纬仪跟踪架是由相互垂直的垂直轴和水平轴组成的两轴地基式结构[2],主摄像(影)光学系统的望远镜筒安装在水平轴的轴体中部,其光轴为跟踪架的照准轴(视准轴),且与水平轴垂直。伺服系统控制经纬仪在方位和俯仰两个方向转动,使照准轴指向空中目标。理想情况下目标的定位点(例如导弹的质心或头部、尾部等)位于摄像机的光轴上,轴角编码器给出的方位角、高低角就是目标相对于经纬仪的方位角和高低角。但是由于跟踪偏差影响,一般目标的定位点相对光轴存在一个小的角度偏离,在摄像机的像平面上表现为目标投影相对于像平面中心点(视准轴投影点)的偏移量,称为脱靶量。

　　在经纬仪数据处理时,需要对跟踪误差进行修正以获得目标相对经纬仪的方位角和高低角,即脱靶量合成。目前光电经纬仪采用的脱靶量合成公式仍是沿用电影经纬仪的跟踪误差修正模型[3]。该跟踪误差修正模型有两个适用前提:(1)成像系统满足中心投影(透视变换投影);(2)成像系统的光轴与照准轴重合或平行。

　　现代光电经纬仪为了提高目标探测能力,一般加装红外、可见光、激光、雷达、GPS等多种探测器,多个探测器可以自由组合、搭配,构造“积木”式测量系统。位于水平轴的轴体中央只能放置一个主摄像(影)光学成像系统,而其它探测系统需要放置在水平轴的轴头或固联在水平轴体上。由于机械加工、装配工艺水平所限以及使用中的变形影响,这些探测器的光轴难以完全平行于照准轴,存在不平行度误差;另外,为了保证大的测量视场和高分辨率,有些光电经纬仪采用多传感器外拼接模式,每个摄像机的光轴要求与照准轴保持一定角度。因此,对于具有多个独立光学成像系统的光电经纬仪来说,由于装配等误差或设计需要造成了非主摄像系统的光轴与照准轴不平行,使电影经纬仪的跟踪误差修正模型不再适用,需要建立无照准轴平行约束条件的通用脱靶量合成模型。

　　另一方面,获取光学系统投影中心坐标是经纬仪数据处理的前提。现有的主摄像系统投影中心坐标求取方法是对大地测量获得经纬仪的点位坐标进行仪器中心高修正,得到经纬仪的回转中心坐标作为投影中心坐标,在经纬仪转动过程中保持不变。该方法是假定成像系统的投影中心与经纬仪回转中心重合,在经纬仪转动过程中投影中心的位置保持不动,成像系统只作纯旋转运动。显然,只有安装在水平轴体中部的主摄像机系统可能满足此条件,而其他位置的摄像机系统由于投影中心与和经纬仪回转中心并不重合,其间距可达米级。即使对于主摄像机系统,严格意义上其投影中心与经纬仪回转中心亦往往不重合(后文将加以详述)。所以,在经纬仪转动过程中,成像系统的运动就包括旋转和平移,投影中心的位置是动态变化的。这种成像系统平移运动的影响在高精度测量中是不可忽略的。