基于摄影测量学的遥测技术优化方案

太阳方位角遥测技术只能测量炮弹在飞行过程中的转动参数， 无法得到炮弹在空中某时刻的全部6 个姿态参数， 也不能对炮弹的飞行特性进行直观地观察， 在定性分析和定量计算上存在一定的缺陷， 更好的测量方法是一种基于摄影测量学的弹丸空中姿态遥测技术。

图5-19　数字式太阳方位角遥测系统构成示意

(a) 弹载信息数据发送流程图； (b) 弹载信息数据接收流程图

1.测试原理

事先在目标区布置3 ～10 个分布均匀的控制点(这些控制点的地面坐标和高程数据均已知)， 然后将改装视频导引头的某型制导炮弹发射到预定目标区上空， 炮弹将实时摄取到的目标区视频图像通过图像发射机传回地面， 位于地面的图像处理系统通过接收机实时接收传回的视频图像， 根据图像上分布的控制点三维坐标信息和图像坐标信息， 利用单像空间后方交会法解算出炮弹在空中的姿态参数。

2.遥测系统构成

弹丸飞行姿态遥测系统包括弹载传感器装置部分和地面信息处理工作站。其中， 弹载传感器装置包括风帽、 弹载摄像机、 电源、 图像发射机及发射天线； 地面信息处理站包括图像接收机和图像处理工作站。 摄像机摄取的图像通过图像发射机传回地面， 地面图像接收机实时接收的图像视频信号经采集卡采集后进入图像处理系统， 姿态参数测量软件根据图像上的控制点信息，计算出当前时刻弹丸空中姿态信息。 弹丸飞行姿态遥测系统组成如图5 -20所示。

3.弹丸飞行姿态解算

制导炮弹在经过弹道最高点后， 视频导引头开始工作， 并将摄取的目标区图像传回地面站作为弹体姿态参数解算的依据。 地面站接收到图像信息后，将含有控制点的目标区连续图像显示。 这时可以借助摄像测量的方法恢复炮弹在摄像瞬间的空间位置参数， 从而实现对炮弹空中姿态的精确测量。 要得到炮弹的空中姿态参数， 就必须在炮弹所摄取的目标区图像上采用至少3 个地面控制点来作为测量的基准点， 再根据已知控制点坐标解算未知摄像机姿态参数。 由于摄像机和炮弹弹体固连在一起， 因此得到了摄像机的姿态参数，也就得到了炮弹的空中姿态参数。

图5-20　弹丸飞行姿态遥测系统

弹载摄像机所摄取的图像是地面景物的中心投影， 如图5 -21 所示， 设S为摄影中心， A 为任一地面点， 它们在地面测量坐标系中的坐标分别为(XS，YS，ZS) 和(XA，YA，ZA)， 点A 在像空间辅助坐标系中的坐标为(XA - XS，YA -YS，ZA -ZS)， 而相应的像点a 在像空间辅助坐标系中的坐标为(X，Y，Z)。(www.xing528.com)

图5-21　中心投影示意

图中， Zw——高度；

Xw——弹丸飞行在地面上的投影方向；

Yw——弹丸飞行在地面上投影垂直方向；

D——地面坐标系原点；

N——弹丸的飞行距离；

YN——弹丸位置与原点之间的距离。

由于点S、 a、 A 共线， 则由相似三角形关系可以得到中心投影构像的基本关系式——共线方程：

式中， f、 x0、 y0 为摄像机内方位元素， 是表示摄影中心与图像之间相关位置关系的参数， 摄像机在出厂时， 其内方位元素已经事先测定好， 测定精度一般为±0.01 mm； 地面控制的空间坐标点(XA，YA，ZA) 的相应像点坐标为(x，y)； ai、 bi、 ci (i=1， 2， 3) 为摄像机的3 个外方位角元素φ、 ω、 κ 组成的9 个方向余弦(参数φ、 ω、 κ 对应的是摄影光束的方向角： φ 为摄影光束与X 轴的夹角； ω 为摄影光束与Y 轴的夹角； κ 为摄影光束与Z 轴的夹角)， 它们和XS、 YS、 ZS 共同构成摄像机的外方位元素， 即所求的炮弹在摄影瞬间的空间姿态参数。

在这个方程中， 由于摄像机内方位元素已事先测定， 因此只要得到至少3个地面控制点的空间坐标并量测出相应的像点坐标， 就可以根据共线方程列出至少6 个方程式， 从而求解出摄像机的6 个外方位元素(即炮弹的空间姿态参数)。 根据式(5.34)， 选用常用的单像空间后方交汇算法即可求出摄像机外方位元素。 需要说明的是， 在目标区均匀布置3 ～10 个地面控制点， 是为了确保在获取目标区图像中有3 个以上控制点存在， 以解算摄像机的外方位元素， 从而准确恢复出当前时刻炮弹的空中姿态参数(以地面坐标系为准)。 得到炮弹各时刻的空中位置参数后， 就可以将数据进行拟合， 得到炮弹末端的弹道曲线和速度变化曲线， 还可以分别绘制出φ、 ω、 κ 的变化曲线，进而得到弹丸在末段弹道转角的变化规律， 将其与摄取的视频图像进行比较，可以验证炮弹的转速、 章动等特性。