一种直升机森林救火林火定位方法技术领域
本发明属于航空电子技术领域，涉及到一种直升机森林救火林火定
位方法。
背景技术
森林救火直升机应用于森林防火、灭火等任务。通过在直升机腹部
安装红外探测设备，操作员在机舱内操作平台上转动操作杆，可以转动
红外探测设备，以探测森林中林火，计算出林火的位置，发送给森林防
火指挥部门，指引地面救火人员扑灭林火。因此，如何准确定位林火位
置，将直接影响到林火是否能够及时扑灭，避免造成更大的损失。目前，
地面林火红外探测技术主要是利用红外探测设备探测森林林火，在探测
到林火时，利用该时刻红外探测设备的俯仰角、方位角，然后根据红外
探测设备高度以及当前位置，即可计算出林火的位置。机载红外探测设
备不能使用同样的计算方法。首先是因为飞机具有偏航、俯仰、横滚等
飞行姿态，不能直接利用红外探测设备的角度进行计算；其次是森林中
地形复杂，有平地还有高山等，这将会直接影响到林火的准确定位。
发明内容
本发明的目的是：提供一种直升机森林救火林火定位方法，使得可
以利用机载红外探测设备准确定位林火位置，给出林火的经度、纬度以
及海拔，解决因为飞行姿态、地形复杂引起的定位不准确问题。
本发明的技术方案是：本发明利用机载红外探测设备探测森林中的
林火，红外探测设备在探测到林火时，会通知机载计算机，同时输出该
时刻红外探测设备的俯仰角、方位角。利用航姿、大气、GPS等传感器，
采集直升机姿态、高度、位置等飞行参数。然后根据红外探测设备的俯
仰角、方位角以及飞行参数进行计算，按照如下步骤在机载计算机中实
现：
一种直升机森林救火林火定位方法，直升机检测到林火之后，对该
林火的具体位置进行定位，由以下步骤组成：
步骤一：分别建立机体坐标系和大地坐标系：
(1)建立机体坐标系：以机载红外探测设备旋转中心为原点O′，
以沿机体纵轴指向机头方向为X′轴正方向，以沿机体横轴指向左侧的方
向为Y′轴正向，按照右手系建立机体直角坐标系O′X′Y′Z′；
(2)建立大地坐标系：以直升机t1时刻所处的位置在地面的投影为
原点O，以正北方向为X轴正向，以竖直向上方向为Z轴正向，按照右手
系建立大地坐标系OXYZ；
步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ1、方位角计算t1时刻
机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L1在机体坐标系O′X′Y′Z′
下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：
(1)计算t1时刻直线L1在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量
(2)运用坐标变换的方法，计算t1时刻直线L1在OXYZ坐标系下的方
向矢量η1：
η1＝[η11，η12，η13]T＝R1ε1
其中R1＝Rr(β1)Rp(α1)Rh(γ1)，γ1、β1、α1分别为直升机的航向角、横滚
角、俯仰角，
R h ( γ 1 ) = cos γ 1 - sin γ 1 0 sin γ 1 cos γ 1 0 0 0 1 , ]]>
R p ( α 1 ) = cos α 1 0 sin α 1 0 1 0 - sin α 1 0 cos α 1 , ]]>
R r ( β 1 ) = 1 0 0 0 cos β 1 - sin 0 sin β 1 cos β 1 β 1 . ]]>
步骤三：计算t1时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1：
(1)计算直线L1在大地坐标系OXYZ下的方程：直升机在t1时刻空中
的位置为点Q1，Q1在大地坐标系下的坐标为(0，0，H1-H0)，则L1的
直线方程为
x η 11 = y η 12 = z - ( H 1 - H 0 ) η 13 ]]>
其中，H0为当地海拔高度，H1为t1时刻直升机绝对气压高度
(2)计算直线L1与地平面OXY(z＝0)的交点，得到t1时刻林火在大
地坐标系OXYZ下的坐标(-η11(H1-H0)/η13，-η12(H1-H0)/η13，0)；
步骤四：计算t1时刻林火的经度、纬度：
林火纬度lap：
若直升机位于北纬位置，则
la p = la 1 - η 11 η 13 ( H 1 - H 0 ) / 111000 , ]]>
若直升机位于南纬，则
la p = la 1 + η 11 η 13 ( H 1 - H 0 ) / 111000 . ]]>
林火经度lop：
若直升机位于东经位置，则
lo p = lo 1 + η 12 η 13 ( H 1 - H 0 ) / [ 111000 cos ( la p ) ] , ]]>
若直升机位于西经位置，则
lo p = lo 1 - η 12 η 13 ( H 1 - H 0 ) / [ 111000 cos ( la p ) ] . ]]>
其中，lo1与la1分别代表直升机在t1时刻经度和纬度，数值111000表
示1纬度的距离，单位米；
步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t2时刻机载红外探测设备的红外
光轴所在直线L2在大地坐标系OXYZ下的直线方程：
x - x 0 η 21 = y - y 0 η 22 = z - ( H 2 - H 0 ) η 23 , ]]>
其中(x0，y0，H2-H0)为t2时刻直升机在大地坐标系OXYZ下坐标，x0，y0
按下述方法计算：
计算x0：
若直升机位于北纬位置，则
x0＝(la2-la1)/111000，
若直升机位于南纬，则
x0＝-(la2-la1)/111000.
计算y0：
若直升机位于东经位置，则
y0＝-(la2-la1)/[111000cos(la2)]，
若直升机位于西经位置，则
y0＝(lo2-lo1)/[111000cos(la2)].
步骤六：修正林火位置：计算L1、L2上距离最近的两点P1、P2，取P1
点的坐标(xp，yp，zp)作为林火位置；修正后的林火经度、纬度如下：
修正后林火纬度lap：
若直升机位于北纬位置，则
lap＝la1+xp/111000，
若直升机位于南纬，则
lap＝la1-xp/111000.
修正后林火经度lop：
若直升机位于东经位置，则
lop＝lo1-yp/[111000cos(lap)]，
若直升机位于西经位置，则
lop＝lo1+yp/[111000cos(lap)].
则林火海拔高度：zp+H0。
优选地，所述步骤六通过简单搜索步骤完成，包括以下步骤：
(1)初始化搜索步长h0，设临时变量h＝0，临时变量d1和d2，
d2＝d1＝M，M取一个很大的数，表示正无穷大；
(2)x＝x1，y＝y1，z＝z1，将z1＝h，z2＝h代入(i)和(ii)式中，
计算x1，x2，y1，y2，计算d2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2；
(3)若d2＞d1，则林火坐标为(x，y，z)，按照步骤四计算林火经
度、纬度，z-H0为林火海拔位置；若d2≤d1，则d1＝d2，h＝h+h0，返回
b)。
本发明的优点是：本发明林火定位方法能够利用机载红外探测设备
准确定位森林中林火位置，大大减小飞行姿态和复杂地形对定位精度的
影响，飞行员可以在离林火距离较远的地方，准确定位林火位置，不需
要飞到林火上空或近距离靠近林火，提高了安全性。另外，在直升机巡
逻时，可以探测森林中初起的小火和地下火。林火位置以经度、纬度给
出，可以结合电子地图显示林火位置。本发明可以准确、稳定地定位林
火位置，正确指引地面救火人员扑灭火灾，避免造成更大的损失。
附图说明
图1是机体坐标系下红外光轴方向矢量示意图；
图2是本发明一种直升机森林救火林火定位示意图；
图3是简单搜索步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图3。
如图2所示，操作员转动红外探测设备，第一次探测到林火的时刻
为t1，直升机位于Q1位置。第二次探测到林火的时刻为t2，直升机位于
Q2位置。以Q1在地面的投影O点为原点，航向角0°方向(正北方向)
为X轴正向、竖直向上为Z轴正向，建立右手直角坐标系OXYZ。如图1
所示，以直升机腹部红外探测设备方向轴的转动中心O′点为原点，直升
机纵轴指向机头方向为X′轴正方向，横轴指向左侧方向为Y′轴正向，
建立右手直角坐标系O′X′Y′Z′。在图1中，O′A为红外探测设备的
红外光轴所在直线，ε为红外探测设备的红外光轴所在直线的方向矢量，
简称为红外光轴方向矢量。θ为红外探测设备俯仰角，即ε与平面O′X
′Y′夹角，抬头为正。为红外探测设备方位角，即ε在平面O′X′Y
′上投影O′B与X′轴正向的夹角，逆时针为正。
在图2中，平面CDEF，即OXY平面，为地平面。Q1为t1时刻直升机
位置，Q1S1为t1时刻红外探测设备的红外光轴所在直线，也记为L1。S1
为L1S1与地平面交点，即第一次定位的林火位置。Q2为t2时刻直升机位
置，Q2′为Q2在OXY平面上的投影，Q2S2为t2时刻红外探测设备的红外
光轴所在直线，也记为L2。S2为L2与地平面交点。P1为直线L1上的点，
P2为直线L2上的点，P1P2为两直线最近距离，同时P1点也是修正后的
林火位置。
设当地海拔高度为H0，t1时刻探测到林火时，直升机的经度、纬度分
别为la1、lo1，航向角、横滚角、俯仰角分别为γ1、β1、α1(航向角：逆
时针为正；俯仰角：直升机抬头为正；横滚角：直升机右倾斜为正)，绝
对气压高度为H1，红外探测设备方位角、俯仰角分别为θ1。t2时刻探
测到林火时，直升机的经度、纬度分别为la2、lo2，航向角、横滚角、俯
仰角分别为γ2、β2、α2，绝对气压高度为H2，红外探测设备方位角、俯
仰角分别为θ2。上述用到的变量，高度、距离单位均为米，角度单
位为度。
按如下步骤进行森林林火的定位：
步骤一：分别建立机体坐标系O′X′Y′Z′和大地坐标系OXYZ，如
本节开始所述。
步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ1、方位角计算t1时刻
机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L1在机体坐标系O′X′Y′Z′
下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：
(1)计算t1时刻直线L1在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量ε1：
(2)运用坐标变换的方法，计算t1时刻直线L1在OXYZ坐标系下的方
向矢量η1：
η1＝[η11，η12，η13]T＝R1ε1，
其中R1＝Rr(β1)Rp(α1)Rh(γ1)，γ1、β1、α1分别为直升机的航向角、横滚
角、俯仰角，
R h ( γ 1 ) = cos γ 1 - sin γ 1 0 sin γ 1 cos γ 1 0 0 0 1 , ]]>
R p ( α 1 ) = cos α 1 0 sin α 1 0 1 0 - sin α 1 0 cos α 1 , ]]>
R r ( β 1 ) = 1 0 0 0 cos β 1 - sin 0 sin β 1 cos β 1 β 1 . ]]>
步骤三：计算t1时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1：
(1)计算直线L1在大地坐标系OXYZ下的方程：直升机在t1时刻空中
的位置为点Q1，Q1在大地坐标系下的坐标为(0，0，H1-H0)，则L1的
直线方程为
x η 11 = y η 12 = z - ( H 1 - H 0 ) η 13 , ]]>
其中，H0为当地海拔高度，H1为绝对气压高度。
(2)计算直线L1与地平面(z＝0)的交点，得到t1时刻林火在大地
坐标系OXYZ下的坐标(-η11(H1-H0)/η13，-η12(H1-H0)/η13，0)。
步骤四：计算t1时刻林火的经度、纬度。
林火纬度lap：
若直升机位于北纬位置，则
la p = la 1 - η 11 η 13 ( H 1 - H 0 ) / 111000 , ]]>
若直升机位于南纬，则
la p = la 1 + η 11 η 13 ( H 1 - H 0 ) / 111000 . ]]>
林火经度lop：
若直升机位于东经位置，则
lo p = lo 1 + η 12 η 13 ( H 1 - H 1 ) / [ 111000 cos ( la p ) ] , ]]>
若直升机位于西经位置，则
lo p = lo 1 - η 12 η 13 ( H 1 - H 0 ) / [ 111000 cos ( la p ) ] . ]]>
步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t2时刻机载红外探测设备的红外
光轴
所在直线L2在大地坐标系OXYZ下的直线方程：
x - x 0 η 21 = y - y 0 η 22 = z - ( H 2 - H 0 ) η 23 , ]]>
其中(x0，y0，H2-H0)为t2时刻直升机在大地坐标系OXYZ下坐标。x0，y0
按下述方法计算：
计算x0：
若直升机位于北纬位置，则
x0＝(la2-la1)/111000，
若直升机位于南纬，则
x0＝-(la2-la1)/111000.
计算y0：
若直升机位于东经位置，则
y0＝-(lo2-lo1)/[111000cos(la2)]，
若直升机位于西经位置，则
y0＝(lo2-lo1)/[111000cos(la2)].
步骤六：修正林火位置。计算L1、L2上距离最近的两点P1、P2，取P1
点的
坐标(xp，yp，zp)作为林火位置。为了求得P1，使用如下的简单
搜索算法。
如图3所示，大地坐标系OXYZ下，分别用一系列平面(z＝0，z＝h0，
z＝2h0，……，其中h0为相邻两个平面之间的距离，称为搜索步长)截取
L1、L2，分别得到L1、L2与各个平面的交点(L1与每个平面交点：S1，W1，
E1，……；L2与个平面交点：S2，W2，E2，……)。然后计算在每个平面
上两直线交点的距离Di(i＝0，1，2，……)，找出最小的Di，显然Di
最小当且仅当满足如下条件：
Di0-1≥Di0≤Di0+1(i≥1).
d1表示Di-1，d2表示Di。
优选使用的简单搜索步骤如下：
(1)初始化搜索步长h0，h＝0，d2＝d1＝M，M取一个很大的数，表
示正无穷大；
(2)将z＝h代入L1和L2的直线方程中，计算交点坐标，与L1交点为
(x1，y1，z1)，与L2交点为(x2，y2，z2)。记xp＝x1，yp＝y1，zp＝z1，计算
d2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2；
(3)若d2＞d1，则输出林火P1坐标(xp，yp，zp)；若d2≤d1，则d1＝d2，
h＝h+h0，返回(2)。
使用这种简单搜索法可以快速、高效的求出修正后的林火位置。计
算出P1坐标后，按如下方法计算修正后的林火经度、纬度以及海拔。计算
如下：
林火纬度lap：
若直升机位于北纬位置，则
lap＝la1+xp/111000，
若直升机位于南纬，则
lap＝la1-xp/111000.
林火经度lop：
若直升机位于东经位置，则
lop＝lo1-yp/[111000cos(lap)]，
若直升机位于西经位置，则
lop＝lo1+yp/[111000cos(lap)].
林火海拔：zp+H0.
实例：
下面给出林火定位方法的一个实例。假设t1时刻直升机参数如下表
所示：
t2时刻直升机参数如下表所示：
运用运用本森林林火定位方法如下：
步骤一：建立机体坐标系O′X′Y′Z′和大地坐标系OXYZ。
步骤二：根据机载红外探测设备的俯仰角θ1＝-68、方位角计
算t1时刻机载红外探测设备的红外光轴所在的直线L1在机体坐标系O′X
′Y′Z′下的方向矢量，将其变换至大地坐标系OXYZ下：
(1)计算t1时刻直线L1在机体坐标系O′X′Y′Z′下的方向矢量
(2)计算t1时刻直线L1在OXYZ坐标系下的方向矢量η1。
直升机航向角、横滚角、俯仰角分别为γ1＝10、β1＝5、α1＝5，则
R h ( 10 ) = 0.9848 - 0.1736 0 0.1736 0.9848 0 0 0 1 , ]]>
R p ( 5 ) = 0.9962 0 0.0872 0 1 0 - 0.0872 0 0.9962 , ]]>
R r ( 5 ) = 1 0 0 0 0.9962 - 0.0872 0 0.0872 0.9962 , ]]>
R 1 = R r ( 5 ) R p ( 5 ) R h ( 10 ) = 0.9811 - 0.1730 0.0872 0.1805 0.9797 - 0.0868 - 0.0704 0.1009 0.9924 , ]]>
η1＝R1ε1＝[0.2051，0.3226，-0.9241]T，
η11＝0.2051，η12＝0.3226，η13＝-0.9241.
步骤三：计算t1时刻林火在大地坐标系OXYZ下的坐标S1。
(1)计算直线L1在大地坐标系OXYZ下的方程。
已知H1＝1000，H0＝400，将步骤二中η11＝0.2051，η12＝0.3226，
η13＝-0.9241代入下式中
x η 11 = y η 12 = z - ( H 1 - H 0 ) η 13 , ]]>
即可得到L1方程为：
x 0.2051 = y 0.3226 = z - 600 - 0.9241 . ]]>
2)计算直线L1与地平面(z＝0)的交点，得到t1时刻林火在大地坐
标系OXYZ下的坐标：
-η11(H1-H0)/η13＝133.1483，
-η12(H1-H0)/η13＝209.4373.
所以交点坐标为：(133.1483，209.4373，0)。
步骤四：计算t1时刻林火的经度、纬度：
t1时刻直升机纬度为1a1＝34.2，经度为1o1＝108.9，林火纬度lap、经度
lop分别为
la p = la 1 - η 11 η 13 ( H 1 - H 0 ) / 111000 = 34.2012 , ]]>
lo p = lo 1 + η 12 η 13 ( H 1 - H 0 ) / [ 111000 cos ( la p ) ] = 108.8977 . ]]>
则t1时刻计算得到的林火位置为东经108.8977度，北纬34.2012
度。
步骤五：重复步骤二及步骤三，计算t2时刻机载红外探测设备的红外
光轴
所在直线L2在大地坐标系OXYZ下的直线方程。
x - x 0 η 21 = y - y 0 η 22 = z - ( H 2 - H 0 ) η 23 . ]]>
重复步骤二，根据机载红外探测设备的俯仰角θ2＝-60.3441、方位角
计算ε2，
计算L2在OXYZ坐标系下的方向矢量η2，直升机航向角、横滚角、俯
仰角分别为γ1＝-10、β1＝0、α1＝0，则
R h ( - 10 ) = 0.9848 0.1736 0 - 0.1736 0.9848 0 0 0 1 . ]]>
R p ( 0 ) = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 , ]]>
R r ( 0 ) = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 , ]]>
R 2 = R r ( 0 ) R p ( 0 ) R h ( - 10 ) = 0.9848 0.1736 0 - 0.1736 0.9848 0 0 0 1 , ]]>
则
η2＝R2ε2＝[0.3833，0.3131，-0.8689]T.
然后计算x0，y0，
x0＝455.1000，y0＝-82.6213.
将x0，y0，H2＝1200，H0＝400及η2＝[0.3833，0.3131，-0.8689]T，代入下
式中
x - x 0 η 21 = y - y 0 η 22 = z - ( H 2 - H 0 ) η 23 , ]]>
计算得L2方程为：
x 2 0.3833 = y 2 0.3131 = z 2 - 800 - 0.8689 . ]]>
步骤六：修正林火位置。计算L1、L2上距离最近的两点P1、P2，取P1
点的
坐标(xp，yp，zp)作为林火位置。
在简单搜索算法中，取h0＝10，M＝1000000。计算可得符合条件
的P1点坐标为：
xp＝119.8335，yp＝188.4936，zp＝60.
t1时刻直升机纬度为la1＝34.2，经度为lo1＝108.9，修正后的林火纬度
lap和经度lop如下：
lap＝la1+119.8335/111000＝34.2011，
lop＝lo1-188.4936/[111000cos(lap)]＝108.8979，
海拔：z1+H0＝460.
得到林火位置为海拔460米，东经108.8979度，北纬为34.2011度。