姚 新

（解放軍炮兵學(xué)院五系四十三隊(duì) 合肥 230031）

1 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)自主研制并裝備的無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)先偵察、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估等方面的作用也越來(lái)越明顯。無(wú)人機(jī)主要用于為地面常規(guī)炮兵進(jìn)行目標(biāo)偵察定位和射擊偏差校正。多年來(lái)，我國(guó)無(wú)人機(jī)研究機(jī)構(gòu)和使用部門(mén)主要致力于飛行器、發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)線鏈路、任務(wù)載荷等方面的研究并取得了極大的成果，無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)使用尤其是目標(biāo)偵察定位的研究則相對(duì)滯后，并不能完全滿足作戰(zhàn)需求，還需要進(jìn)行深入研究［1］。

隨著遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)及激光技術(shù)的發(fā)展，伴隨著無(wú)人機(jī)姿態(tài)角測(cè)量精度的提高、自身位置定位精度的提高及機(jī)載激光測(cè)距設(shè)備和成像系統(tǒng)的同軸實(shí)現(xiàn)等技術(shù)為無(wú)人機(jī)空間交會(huì)定位提供了硬件基礎(chǔ)，使得研究空間交會(huì)定位方法成為可能。

2 無(wú)人機(jī)電視圖像定位技術(shù)

2.1 系統(tǒng)概述

無(wú)人機(jī)電視圖像定位系統(tǒng)是指無(wú)人機(jī)通過(guò)CCD攝像機(jī)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)實(shí)時(shí)偵察、實(shí)時(shí)定位、打擊評(píng)估的設(shè)備。系統(tǒng)由裝有面陣CCD電視攝像機(jī)的光軸穩(wěn)定陀螺平臺(tái)、電視圖像跟蹤器、GPS／GLONASS定位接收機(jī)及陀螺儀、激光測(cè)高儀和定位校射計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成［2］。

無(wú)人機(jī)電視圖像定位的過(guò)程是：首先獲得無(wú)人機(jī)的自身坐標(biāo)，然后通過(guò)CCD攝像機(jī)拍攝戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)，根據(jù)共線方程建立成像模型，利用無(wú)人機(jī)各傳感器測(cè)得的飛機(jī)姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺(tái)的方位角與俯仰角、飛機(jī)的高度等參數(shù)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，最后通過(guò)定位校射計(jì)算機(jī)計(jì)算出目標(biāo)的坐標(biāo)。

從無(wú)人機(jī)定位算法邏輯來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備可分為三部分，第一部分是無(wú)人機(jī)獲得自身目標(biāo)的導(dǎo)航傳感器，這類傳感器包括地面無(wú)線電測(cè)距測(cè)角導(dǎo)航傳感器、GPS導(dǎo)航傳感器、天文導(dǎo)航傳感器、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航傳感器、慣性導(dǎo)航傳感器、GPS／GLONASS復(fù)合導(dǎo)航傳感器等等。

第二部分是無(wú)人機(jī)的機(jī)載光電設(shè)備，合成孔徑雷達(dá)（SAR）、毫米波雷達(dá)（MMW）、可見(jiàn)光CCD相機(jī)、紅外圖像傳感器。

第三部分是構(gòu)建定位方程參數(shù)的傳感器，包括無(wú)人機(jī)的垂直陀螺、磁航向儀、光軸穩(wěn)定平臺(tái)的雙軸陀螺、激光測(cè)高儀等等。

2.2 系統(tǒng)的不足

無(wú)人偵察機(jī)一般采用的定位方法為單站測(cè)角測(cè)距定位方法，實(shí)際使用過(guò)程中暴露出了幾個(gè)無(wú)法克服的問(wèn)題，具體表現(xiàn)為：

1）目標(biāo)定位過(guò)程局限明顯。無(wú)人機(jī)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在目標(biāo)跟蹤和定位階段對(duì)飛機(jī)有兩個(gè)必要約束條件，即跟蹤階段的盤(pán)旋和定位時(shí)的過(guò)頂，這兩點(diǎn)從任務(wù)效率上來(lái)說(shuō)不可取、從安全性上看在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)上幾乎不可能。

2）對(duì)多目標(biāo)連續(xù)定位能力不足。偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是針對(duì)執(zhí)行單目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，完成的定位校射任務(wù)大多數(shù)情況下也都是對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行的。特殊情況下需要完成多個(gè)目標(biāo)的定位校射任務(wù)時(shí)，一般也是采用以連續(xù)完成多個(gè)單目標(biāo)定位校射任務(wù)的簡(jiǎn)單累加，耗時(shí)一般比較長(zhǎng)，效率較低，風(fēng)險(xiǎn)大。

3）定位精度不高。雖然國(guó)內(nèi)針對(duì)軍用無(wú)人機(jī)電視圖像定位精度不高的問(wèn)題做了大量的研究，但是，一直沒(méi)有找到行之有效的技術(shù)方案?，F(xiàn)有的共線定位方法，定位精度遠(yuǎn)不能滿足地面炮兵部隊(duì)的要求。

由上可以看出，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位方法精度低，其定位精度不足以保障炮兵精確打擊需求，另外其指揮方式陳舊，使無(wú)人機(jī)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)上生存能力面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 空間交會(huì)定位法

3.1 空間兩點(diǎn)交會(huì)定位

空間兩點(diǎn)交會(huì)是提高定位精度的有效途徑，該方法在原有方法單點(diǎn)測(cè)量的基礎(chǔ)上增加第2點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)，構(gòu)建出空間三角形，有效避免了無(wú)人機(jī)過(guò)頂定位這一過(guò)程局限，增加戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的同時(shí)大大提高了定位精度。實(shí)際作戰(zhàn)中，往往需要對(duì)某一單個(gè)目標(biāo)實(shí)施定位，但考慮到其防空火力對(duì)我無(wú)人機(jī)的威脅，無(wú)人機(jī)應(yīng)在目標(biāo)一側(cè)（無(wú)人機(jī)在地面上投影據(jù)目標(biāo)1～2km）遠(yuǎn)距離選取兩個(gè)點(diǎn)并采取直線軌跡快速飛行的方式，同時(shí)在飛行過(guò)程中兩次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，構(gòu)建空間三角形并最終確定目標(biāo)位置。該方法在保證定位精度的前提下提高了無(wú)人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。但是，空間兩點(diǎn)交會(huì)定位精度不會(huì)太高是因?yàn)樗旧线€是延續(xù)了單點(diǎn)定位的思路，需要五個(gè)姿態(tài)角的空間轉(zhuǎn)換矩陣［3］。

其定位精度主要受以下5個(gè)因素的影響：

1）飛機(jī)位置測(cè)量精度；

2）激光測(cè)距設(shè)備測(cè)量精度；

3）兩次測(cè)量目標(biāo)時(shí)目標(biāo)中心點(diǎn)的偏離程度；

4）飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)測(cè)量精度；

5）轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角精度。

其中對(duì)最終定位精度影響較大的是飛機(jī)位置測(cè)量精度和五個(gè)姿態(tài)角的測(cè)量精度。飛機(jī)位置測(cè)量精度取決于機(jī)載定位設(shè)備的測(cè)量精度。在實(shí)際試驗(yàn)中，假設(shè)無(wú)人機(jī)位置定位精度偏差不大于10m，五個(gè)角度測(cè)量誤差不大于2mrad，激光測(cè)距偏差不大于5m，兩次測(cè)量目標(biāo)時(shí)目標(biāo)中心的偏離程度屏幕距離不大于5mm，實(shí)際定位精度偏差不大于60m。

由此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)空間兩點(diǎn)交會(huì)確實(shí)在一定程度上提高了無(wú)人機(jī)電視圖像的定位精度，但是在飛行實(shí)驗(yàn)中，很多次定位誤差還是超過(guò)了50m，依然不能滿足地面部隊(duì)的作戰(zhàn)需求。同時(shí)，空間兩點(diǎn)交會(huì)定位從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)一個(gè)地面目標(biāo)點(diǎn)定位的算法，當(dāng)?shù)孛娌筷?duì)需要整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)多點(diǎn)或者是整個(gè)攝影畫(huà)面任意點(diǎn)定位的時(shí)候，兩點(diǎn)交會(huì)定位技術(shù)則不能滿足要求。

然而，三點(diǎn)交會(huì)定位則可以擺脫由于無(wú)人機(jī)三個(gè)姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰角與方位角的測(cè)量誤差而帶來(lái)的不良影響。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，對(duì)將要進(jìn)行定位的目標(biāo)實(shí)施跟蹤，跟蹤過(guò)程中對(duì)三個(gè)以上位置點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間交會(huì)解算，獲取目標(biāo)坐標(biāo)，該方法特別適合于對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)偵察和分析時(shí)使用，同等條件下，其定位精度高于空間兩點(diǎn)定位的方法。若該算法與現(xiàn)有的共線成像模型相結(jié)合，將極大地提高戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)定位精度。

3.2 空間三點(diǎn)交會(huì)算法

當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)出現(xiàn)重要目標(biāo)時(shí)，此時(shí)可設(shè)定無(wú)人機(jī)沿飛行軌跡繞戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域上空飛行，在航跡A、B、C點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)打三次激光，進(jìn)行三次測(cè)距，構(gòu)建空間立體錐形對(duì)該目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

假設(shè)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)O點(diǎn)的坐標(biāo)是（X，Y，Z），A，B，C瞬時(shí)坐標(biāo)分別可由GPS測(cè)量，則定位數(shù)學(xué)模型為圖1 空間三點(diǎn)交會(huì)法目標(biāo)定位基本原理圖

可以看出，針對(duì)重要戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)，無(wú)人機(jī)空間三點(diǎn)交會(huì)定位可以消除無(wú)人機(jī)三個(gè)姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰角與方位角的測(cè)量誤差。

3.3 戰(zhàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)定位的誤差分析

依據(jù)定位模型，影響精度的因素如下：飛機(jī)位置測(cè)量精度；激光測(cè)距設(shè)備測(cè)量精度；三次測(cè)量目標(biāo)時(shí)目標(biāo)中心點(diǎn)的偏離程度和系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差即機(jī)載GPS接收機(jī)坐標(biāo)與激光測(cè)距起始點(diǎn)坐標(biāo)的誤差［4］。

若δ為隨機(jī)誤差，則有

誤差分析計(jì)算模型為

粗差檢測(cè)模型為

4 戰(zhàn)場(chǎng)多目標(biāo)差分定位

空間三點(diǎn)定位的思想是，通過(guò)GPS定位獲得三次或多次無(wú)人機(jī)的空中位置，通過(guò)激光戰(zhàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行三次或多次測(cè)距，求解距離方程，獲得關(guān)鍵點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)方案是一種針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)單目標(biāo)的定位算法。當(dāng)無(wú)人機(jī)獲得一楨圖像時(shí)，空間三點(diǎn)交會(huì)算法只能求得中心點(diǎn)的坐標(biāo)，圖像上其它點(diǎn)坐標(biāo)無(wú)法求得。但是如果將空間交會(huì)定位技術(shù)與現(xiàn)有的共線定位算法相結(jié)合，通過(guò)差分定位原理，就可以快速與準(zhǔn)確地獲得幀圖像的任意點(diǎn)坐標(biāo)。

4.1 差分定位原理

圖2 差分定位示意圖

如圖2所示，在無(wú)人機(jī)獲得的一幀圖像里，O是畫(huà)面中心點(diǎn)，A是畫(huà)面其它處任意一點(diǎn)；O、A點(diǎn)通過(guò)共線定位算法測(cè)出的坐 標(biāo) 分 別 是 （xO，yO），（xA，yA），O點(diǎn)通過(guò)空間三點(diǎn)交會(huì)得出的定位算法測(cè)出的坐標(biāo)是（XO，YO），由于畫(huà)面中O、A的距離真實(shí)距離為幾十米，而無(wú)人機(jī)距地面的高度為幾千米，同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)通過(guò)同樣的共線定位算法測(cè)量O、A點(diǎn)的系統(tǒng)隨差可以認(rèn)為一致。如果以O(shè)點(diǎn)通過(guò)空間交會(huì)算法測(cè)出的坐標(biāo)（XO，YO）為模擬真值，則有

相應(yīng)的，A點(diǎn)的修正定位值（XA，YA）可得

4.2 差分定位算法

根據(jù)差分定位原理，可以建立實(shí)際的差分定位算法。該模塊首先對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)拍的圖像進(jìn)行幾何糾正，同時(shí)通過(guò)空間交會(huì)獲得中心O點(diǎn)坐標(biāo)，其次該模塊依據(jù)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的遙測(cè)數(shù)據(jù)，基于電視圖像的成像模型，建立共線定位算法，通過(guò)O點(diǎn)差分計(jì)算求出隨差，通過(guò)隨差修正幀圖像任意點(diǎn)的測(cè)量值。

圖像獲得校正后隨后建立共線定位數(shù)學(xué)模型為［5］

轉(zhuǎn)變?yōu)槎S定位數(shù)學(xué)模型為

通過(guò)共線定位的簡(jiǎn)化方程測(cè)量出無(wú)人機(jī)畫(huà)面中心點(diǎn)O的坐標(biāo)為

式中，Xs、Ys為無(wú)人機(jī)的大地坐標(biāo)。

同時(shí)無(wú)人機(jī)盤(pán)旋在目標(biāo)上空，通過(guò)三次測(cè)距后通過(guò)空間交會(huì)求取O點(diǎn)坐標(biāo)，可得：

式中，Xs1、Ys1，Xs2、Ys2、Xs3、Ys3可認(rèn)為是無(wú)人機(jī)的三次測(cè)距時(shí)的大地坐標(biāo)

最后建立差分定位方程：

最后可以得到修正的圖像任意點(diǎn)坐標(biāo)值：

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)在保障部隊(duì)射擊時(shí)，利用電視圖像定位技術(shù)，由于技術(shù)方面的瓶頸，其對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)定位精度較低，使用的單站測(cè)角測(cè)距定位方法本身存在無(wú)法克服的不足，定位效果不理想，不足以保障炮兵裝備精確打擊需求；空間兩點(diǎn)交會(huì)法，在一定程度上提高了無(wú)人機(jī)電視圖像的定位精度，但定位精度不夠高、穩(wěn)定性較差，難以滿足實(shí)際使用的要求。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文研究了利用空間三點(diǎn)交會(huì)和戰(zhàn)場(chǎng)多目標(biāo)差分技術(shù)和手段提高目標(biāo)定位精度的方法。相對(duì)傳統(tǒng)定位方法，空間三點(diǎn)交會(huì)定位法擺脫了單點(diǎn)定位的思路，以及無(wú)人機(jī)三個(gè)姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰角與方位角的測(cè)量誤差而帶來(lái)的不良影響。

通過(guò)空間交會(huì)定位技術(shù)和現(xiàn)有共線定位算法結(jié)合研究，解決了空間三點(diǎn)交會(huì)算法只能求得中心點(diǎn)的坐標(biāo)，圖像上其它點(diǎn)坐標(biāo)無(wú)法求得的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了利用無(wú)人機(jī)一幀圖像信息快速與準(zhǔn)確地進(jìn)行幀圖像任意點(diǎn)坐標(biāo)的獲得。

實(shí)踐證明，運(yùn)用空間三點(diǎn)交會(huì)和戰(zhàn)場(chǎng)多目標(biāo)差分定位技術(shù)，目標(biāo)定位精度可提高10～20m，在提高無(wú)人機(jī)保障部隊(duì)精確打擊和拓展無(wú)人機(jī)適用領(lǐng)域方面具有重要意義。

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