一种基于反向重投影的车载雷达目标姿态补偿方法与流程

本发明涉及目标定位，尤其涉及一种基于反向重投影的车载雷达目标姿态补偿方法。

背景技术：

1、车载低空探测雷达通常根据目标方位角、俯仰角和斜距量测解算目标地理位置。在很多工程系统中，雷达内部按照“天线水平”或“载体局部水平”假设，将目标投影到地理坐标系并输出目标经纬高。当雷达安装于车辆、舰体或其他机动载体上时，载体会持续产生横滚、俯仰和航向变化，若仍采用上述水平假设，则输出的目标经纬高会带有明显姿态误差，因此，需要进行目标姿态补偿。

2、现有目标姿态补偿方法存在以下缺陷和不足：

3、1.常见补偿方法是在目标经纬高结果上叠加固定偏置、线性修正量或经验补偿量，但此类方案并未回到目标原始视线几何关系进行处理，无法准确表达姿态变化对目标方向的旋转影响。

4、2.一些补偿方法采用局部切平面近似、小角度近似或局部坐标简化，虽然实现简单，但在远距离目标、动态站址、高低差明显或高精度告警场景中，会带来额外误差。

5、3.车载雷达天线相位中心与载体定位参考点（即站址位置数据）之间通常存在杆臂偏移。如果仅将杆臂视作固定平移量，而不考虑其随载体系姿态旋转，则近距离目标和大姿态场景下仍会出现残余误差。

6、4.依赖多帧关联、批处理优化或后端联合估计的方案需要历史轨迹、稳定关联关系或较长处理延迟，不适合盲扫雷达、单帧单目标快速输出以及在线实时补偿场景。

7、5.现有方案还通常忽略一个关键问题：雷达在生成目标经纬高时所采用的航向解算假设不明确，设备有可能采用零航向、实时imu（惯性测量单元）航向或固定航向，不同航向解算假设会直接影响原始视线向量的反演精度。

8、因此，需要一种能够从雷达已上报目标经纬高或原始极坐标量测出发，结合imu真实姿态、安装误差角和杆臂参数，在统一空间坐标链路中恢复目标真实位置的目标姿态补偿方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术问题，在雷达已经输出目标经纬高或输出雷达本体系极坐标量测的条件下，利用 imu 的实时姿态、安装误差角、杆臂参数以及载体定位参考点数据（即站址位置数据），准确恢复目标真实空间位置，并同时适配固定站与动态站两类应用场景。提供了一种基于反向重投影的车载雷达目标姿态补偿方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于反向重投影的车载雷达目标姿态补偿方法，包括以下步骤：

4、s1.获取目标量测数据、载体imu姿态数据及载体定位参考点数据；

5、s2.建立基于载体imu姿态数据的时序缓存，根据目标时刻与载体imu姿态数据之间的时间关系，插值确定所述目标时刻对应的载体真实姿态信息；

6、s3.根据所述目标量测数据计算雷达本体系下的原始视线向量；

7、s4.获取雷达天线相位中心与载体定位参考点之间的杆臂参数，根据所述目标时刻对应的载体真实姿态信息对所述杆臂参数进行空间方位旋转，得到真实的雷达天线相位中心位置；

8、s5.基于所述载体真实姿态信息和安装误差矩阵，将所述雷达本体系下的原始视线向量变换为真实视线向量；

9、s6.结合所述真实的雷达天线相位中心位置与真实视线向量，在地心地固坐标系中合成目标真实位置，对所述目标真实位置进行反算，得到目标校正后的经纬高。

10、在一些实施例中，步骤s1中，所述目标量测数据包括第一类数据或第二类数据；所述第一类数据为雷达按既定水平假设解算后输出的目标经纬高，所述第二类数据为雷达本体系下的目标方位角、目标俯仰角和斜距。

11、在一些实施例中，步骤s2具体包括：

12、将每一时刻的载体imu姿态数据转换为四元数存储于所述时序缓存中；若目标时刻位于相邻两帧载体imu姿态数据的时间戳之间，则对所述相邻两帧载体imu姿态数据进行球面线性插值，得到所述目标时刻的真实姿态四元数，再将所述真实姿态四元数映射为真实姿态矩阵；

13、若所述载体定位参考点数据为时变量，则同步对所述载体定位参考点数据进行插值。

14、在一些实施例中，步骤s3具体包括：

15、当所述目标量测数据为所述第一类数据时，将所述目标经纬高反演为雷达本体系下的原始视线向量；

16、当所述目标量测数据为所述第二类数据时，直接根据所述目标方位角、目标俯仰角和斜距构建雷达本体系下的原始视线向量。

17、在一些实施例中，所述将所述目标经纬高反演为雷达本体系下的原始视线向量，包括：

18、将所述目标经纬高和所述载体定位参考点数据分别转换到地心地固坐标系中，得到目标相对站址的地心地固视线向量，再通过站心地心地固坐标系到北东地坐标系的旋转矩阵将地心地固视线向量映射到北东地坐标系，得到北东地视线向量；

19、获取雷达解算所述目标经纬高时采用的假定姿态矩阵和雷达系到载体系的安装误差矩阵，根据所述假定姿态矩阵和所述安装误差矩阵对所述北东地视线向量进行逆向变换，得到雷达本体系下的原始视线向量。

20、在一些实施例中，步骤s4中，所述杆臂参数为雷达天线相位中心相对于载体定位参考点在载体坐标系下的杆臂偏移向量；

21、根据所述目标时刻对应的载体真实姿态信息对所述杆臂参数进行空间方位旋转，具体为：

22、将所述杆臂偏移向量从载体坐标系变换到导航坐标系，得到所述杆臂偏移向量在当前真实姿态下的空间指向，进而确定雷达天线相位中心在导航坐标系下的真实空间位置。

23、在一些实施例中，步骤s6中所述目标真实位置表示为：

24、，其中，表示目标真实位置，表示真实的雷达天线相位中心位置，表示站心地心地固坐标系到北东地坐标系的旋转矩阵的转置，表示斜距，表示真实姿态矩阵，表示安装误差矩阵，表示雷达本体系下的原始视线向量的单位化向量。

25、在一些实施例中，所述方法还包括：

26、姿态误差引起的位置误差表示为，其中，为斜距，为姿态角误差。

27、在一些实施例中，所述假定姿态矩阵至少支持三种航向模式：零航向模式、实时imu航向模式和固定航向模式；所述零航向模式下取航向角为零，所述实时imu航向模式下取imu实时航向角，所述固定航向模式下取预设固定航向角。

28、在一些实施例中，所述步骤s6之后还包括结果输出与有效性判定步骤：

29、根据所述真实视线向量计算真北参考方位角和真北参考俯仰角；根据补偿前后的目标位置计算校正位移量；根据所述目标时刻与用于插值的载体imu姿态数据的时间戳计算姿态时间差；将保持不变的斜距作为斜距保持量；

30、分别对所述真北参考方位角、真北参考俯仰角、斜距保持量、校正位移量和姿态时间差设置对应的阈值约束；若任一指标超出对应阈值，则将该目标的校正结果标记为低可信。

31、需要进一步说明的是，上述各实施例对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。

32、与现有技术相比，本发明有益效果是：

33、1.补偿链路贴近真实几何关系，姿态补偿精度高

34、本发明通过步骤s3中的经纬高反演和步骤s5中的重投影变换，构建了完整的“反演+重投影”技术链路，而非简单在结果域叠加偏置或经验修正量，补偿链路更贴近真实几何关系。该方式回到目标原始视线几何关系进行处理，能够准确表达姿态变化对目标方向的旋转影响，从根本上解决了传统加偏置方法无法表征姿态旋转作用的缺陷。

35、2.引入杆臂随姿态旋转的动态补偿

36、本发明通过步骤s4对杆臂参数进行空间方位旋转，使天线相位中心位置随载体真实姿态动态更新，而非将杆臂视作固定平移量。特别是在大横滚、大俯仰以及近距离目标场景下，杆臂旋转项引起的位置变化与目标视线旋转项处于同一量级，本发明的动态补偿机制可有效消除该部分残余误差。

37、3.兼容经纬高和极坐标两类输入，部署灵活

38、本发明步骤s3支持两种输入形态——雷达上报的目标经纬高（第一类数据）和雷达本体系极坐标量测（第二类数据），并分别通过反演路径和直入路径生成统一的雷达本体系视线向量。这一双路合流设计使得本方法无需修改雷达自身的信号处理流程，即可在不同型号雷达设备和不同软件链路中部署，具有广泛的工程适用性。

39、4.采用四元数球面线性插值，姿态同步精度高

40、本发明步骤s2采用四元数球面线性插值，将每一时刻的载体imu姿态数据转换为四元数存储，对目标时刻的前后两帧姿态四元数进行球面线性插值后映射为姿态矩阵。该方式有效避免了直接对欧拉角线性插值带来的奇异性和不连续问题，确保了姿态同步的精度和稳定性。

41、5.统一多种航向解算模式，反演精度高

42、本发明步骤s3中引入的假定姿态矩阵至少支持零航向模式、实时imu航向模式和固定航向模式三种配置，将不同雷达固件的航向解算假设统一纳入同一反演框架。该机制有效避免了因航向解算假设不同而导致的视线向量反演精度损失，解决了现有方案普遍忽略的设备航向模式适配问题。统一了固定站、动态站、不同航向解算模式和多种姿态来源的处理方式，工程适用面更广。

43、6.全程ecef/wgs84坐标框架，适应远距离和高动态场景

44、本发明全程使用地心地固坐标系（ecef）和wgs84坐标框架进行计算，避免依赖局部切平面近似或小角度近似，有效消除了远距离目标、动态站址、高低差明显等场景下的方向畸变和累积误差。

45、7.单帧独立处理，满足实时性要求

46、本发明各步骤采用流水线方式执行，单个目标的校正结果输出不依赖其他目标的历史关联数据，无需多帧关联、批处理优化或后端联合估计，特别适合盲扫雷达、单帧单目标快速输出以及在线实时补偿场景。

47、8.输出丰富的质量评估指标，便于系统集成

48、本发明在结果输出时同步提供真北参考方位角、真北参考俯仰角、校正位移量、姿态时间差、斜距保持量等质量指标，并设置多维度阈值约束进行有效性判定和低可信标记。上述信息便于后续目标跟踪、多传感器融合、态势显示和误差分析。