楊 帥，程 紅，李 婷，孫文邦

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無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位在軍事上的應(yīng)用研究

楊 帥，程 紅，李 婷，孫文邦

（空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022）

無人機(jī)能夠通過多種方法定位出目標(biāo)的精確位置信息，以便實(shí)施戰(zhàn)場指揮或軍事打擊。主要整理并分類介紹了無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位的各種技術(shù)原理，解析了其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；并以無人機(jī)飛行任務(wù)為模型，完整詳細(xì)地用空間量算的無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位技術(shù)對無人機(jī)實(shí)際飛行進(jìn)行航跡規(guī)劃的運(yùn)用，證明了無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位技術(shù)的重要軍事價(jià)值。

無人機(jī)；偵察圖像；目標(biāo)定位；軍事應(yīng)用；精確打擊；航跡規(guī)劃

0 引言

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle）是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分，它與間諜衛(wèi)星、偵察機(jī)、預(yù)警機(jī)組成了現(xiàn)代偵查網(wǎng)絡(luò)。無人機(jī)以其無人化、造價(jià)低、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，取代大型有人偵察機(jī)成為戰(zhàn)場前沿最主要的偵查力量[1]。無人機(jī)偵察作為先進(jìn)的遙感數(shù)據(jù)獲取方式，已在軍事偵察、目標(biāo)監(jiān)視、毀傷效果評估、地圖測繪、徒弟利用調(diào)查、災(zāi)情監(jiān)測、氣象探測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)效益、展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。

由于無人機(jī)的突出優(yōu)勢及其在局部實(shí)戰(zhàn)中表現(xiàn)出的巨大軍事價(jià)值，世界各國都在積極地研究發(fā)展無人機(jī)，而美、英、俄和以在無人機(jī)領(lǐng)域處在世界領(lǐng)先地位。

美國是無人機(jī)研制和裝備的大國，其代表無人機(jī)是RQ-4全球鷹（Global Hawk）和MQ-1捕食者（Predator）。全球鷹具有多種高精度的目標(biāo)定位方法，是美國空軍乃至全世界最先進(jìn)的無人機(jī)，不僅可以在大范圍內(nèi)通過雷達(dá)搜索目標(biāo)，還能獲取7.4萬km2范圍內(nèi)的目標(biāo)光電/紅外圖像信息。在20km的高空上，通過合成孔徑雷達(dá)偵察獲得的條幅式照片具有1m的精度，定點(diǎn)偵察照片的精度則高達(dá)0.3m，對20～200km/h速度移動(dòng)的地面目標(biāo)，也能達(dá)到7m的定位精度。定點(diǎn)偵察照片可精確到0.30m，目標(biāo)定位的圓誤差概率最小可達(dá)20m；此外，英國的“不死鳥”型中程無人機(jī)則是通過紅外探測裝置進(jìn)行全天候的照相偵察；俄羅斯的“熊蜂”無人機(jī)可利用機(jī)載可變焦的攝像機(jī)以及可全天候工作的紅外照相機(jī)對軍隊(duì)的作戰(zhàn)部署進(jìn)行有效偵察；以色列研制出了全世界首架垂直起降的無人機(jī)“黑豹”和高空戰(zhàn)略長航時(shí)無人機(jī)“蒼鷺”，能執(zhí)行全天候的戰(zhàn)斗偵察任務(wù)，并且可以通過機(jī)載的光電/紅外/雷達(dá)等偵察電子設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)定位情報(bào)收集等軍事任務(wù)。

我國在軍用無人機(jī)領(lǐng)域同樣發(fā)展迅速，“翔龍”、“翼龍”和“WJ-600”無人機(jī)是我軍杰出的代表作，他們裝載了光電探測偵察設(shè)備以完成目標(biāo)定位、戰(zhàn)場偵察和成像制導(dǎo)等作戰(zhàn)任務(wù)[2]。

1 無人機(jī)目標(biāo)定位

無人機(jī)目標(biāo)定位就是基于攝影測量、圖像處理和信息處理等技術(shù)，通過對無人機(jī)偵察以及與圖像處理相關(guān)的遙測數(shù)據(jù)的處理與分析，提取目標(biāo)精確三維坐標(biāo)的過程[3-4]。目前，利用無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)定位的方法主要有3種：

1）基于無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)定位。這種方法直接將無人機(jī)對目標(biāo)定位的瞬間的位置信息、姿態(tài)信息，以及偵察轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角信息、測距信息等輸入定位結(jié)算模型，從而可以快速結(jié)算目標(biāo)位置坐標(biāo)。該方法具有實(shí)時(shí)性好的突出優(yōu)點(diǎn)，故被所有現(xiàn)役無人機(jī)定位系統(tǒng)采用。

2）基于圖像配準(zhǔn)的非實(shí)時(shí)定位。這種方法是建立在預(yù)先基礎(chǔ)圖像的條件下，經(jīng)過數(shù)字化處理和幾何糾正的無人機(jī)視頻圖像與預(yù)先基準(zhǔn)圖像進(jìn)行高精度匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所關(guān)心目標(biāo)的精確定位。該方法目標(biāo)定位精確度高、可多點(diǎn)同時(shí)定位等突出優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)時(shí)性制約應(yīng)用范圍。

3）基于空間交會(huì)的目標(biāo)定位。這種方法本質(zhì)上是第1種方法的擴(kuò)展。無人機(jī)執(zhí)行偵察時(shí)，發(fā)現(xiàn)感興趣目標(biāo)，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，激光測距得到目標(biāo)距離，采集跟蹤后的遙測數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息綜合，利用交會(huì)模型對同一目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)定位。

2 軍事應(yīng)用分析

無人機(jī)目標(biāo)定位能過精確測量目標(biāo)的三維位置坐標(biāo)，進(jìn)而可以計(jì)算其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律、分析屬性，以及對周圍其他對象的相關(guān)制約、相互影響的關(guān)系，最終能夠預(yù)判目標(biāo)的威脅和意圖。它可以代替部分衛(wèi)星的傳統(tǒng)測繪定位，獲取目標(biāo)地理空間情報(bào)；若將其納入戰(zhàn)術(shù)軍事地理信息系統(tǒng)（戰(zhàn)術(shù)MGIS），可為指揮員認(rèn)識(shí)戰(zhàn)場地形環(huán)境提供現(xiàn)代化的工具和手段。以下是幾種具體的無人機(jī)定位技術(shù)在軍事上的應(yīng)用：

2.1 精確打擊

精確打擊（precision striking）是無人機(jī)目標(biāo)定位最主要、也是最重要的作用[5-6]?，F(xiàn)代的無人機(jī)都具有偵察和打擊一體化的功能，無人機(jī)在執(zhí)行偵察飛行任務(wù)時(shí)，地面操作人員通過控制光電系統(tǒng)，可以在晝夜以及不良?xì)夂虻臈l件下，克服無人機(jī)在飛行過程中的振動(dòng)或其他外部干擾，測量出目標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的三維位置坐標(biāo)，對軍事情報(bào)工作具有非常大的用途。無人機(jī)一旦定位出可疑威脅目標(biāo)，立即可以對目標(biāo)進(jìn)行高精度的打擊任務(wù)。整個(gè)過程符合了的新時(shí)代軍事作戰(zhàn)的理念——發(fā)現(xiàn)即摧毀。

2.2 導(dǎo)航定位

隨著無人機(jī)的應(yīng)用發(fā)展，使得參戰(zhàn)人員獲取視距外遠(yuǎn)程目標(biāo)參數(shù)的能力大大提高。操作人員獲得的無人機(jī)目標(biāo)定位實(shí)時(shí)三維位置信息，不僅僅可以幫助無人機(jī)進(jìn)行精確打擊任務(wù)，同時(shí)還可以作為其他武器平臺(tái)導(dǎo)航定位的工具。無人機(jī)目標(biāo)定位信息作為精確制導(dǎo)武器的眼睛，指引遠(yuǎn)程攻擊武器進(jìn)行打擊[7]。例如，作為艦炮上遠(yuǎn)程導(dǎo)彈武器對岸上超視距目標(biāo)攻擊的導(dǎo)航定位應(yīng)用。

2.3 航跡規(guī)劃

航跡規(guī)劃（path planning）是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃滿足約束條件的飛行軌跡，是無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一[8]。無人機(jī)實(shí)際飛行中如果實(shí)時(shí)定位出突發(fā)威脅目標(biāo)（如防空導(dǎo)彈、掃描雷達(dá)等）位置情況，必須進(jìn)行航跡重規(guī)劃，以便規(guī)避威脅可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發(fā)威脅航跡段。整個(gè)飛行過程中，無人機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)高效測量定位的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

3 無人機(jī)目標(biāo)定位在飛行任務(wù)模型中的運(yùn)用

無論是對軍事情報(bào)保障效率性的提高、還是對基礎(chǔ)地理空間情報(bào)的自動(dòng)解算及分析能力的增強(qiáng)，無人機(jī)目標(biāo)定位技術(shù)都充當(dāng)著重要角色。

3.1 飛行任務(wù)模型介紹

從無人機(jī)飛行任務(wù)實(shí)際出發(fā)，主要針對無人機(jī)在飛行任務(wù)執(zhí)行過程期間，對無人機(jī)目標(biāo)定位的具體應(yīng)用進(jìn)行論述。

本文旨在利用無人機(jī)目標(biāo)定位方法，解決無人機(jī)飛行任務(wù)中與航跡規(guī)劃有關(guān)的問題。故建立簡單實(shí)用的模型，將飛機(jī)目標(biāo)簡化為點(diǎn)實(shí)體，以其質(zhì)心代替,并假設(shè)其他情況一切正常。此飛行任務(wù)模型中，無人機(jī)目標(biāo)定位內(nèi)容的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對空間目標(biāo)測量坐標(biāo)信息的獲取、以及對信息的分析和表達(dá)和航跡規(guī)劃等方面；而前兩者幫助后者，做出相應(yīng)變化的新航路規(guī)劃提供依據(jù)。

3.2 目標(biāo)空間量算的具體應(yīng)用

1）飛行航跡規(guī)劃

軍用無人機(jī)航路規(guī)劃最大的特點(diǎn)是需要應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境，無人機(jī)目標(biāo)定位是利用強(qiáng)大的機(jī)載傳感器和處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)航路規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)威脅回避、地形跟蹤和地形回避等[9]。

通過對部隊(duì)飛行團(tuán)的調(diào)研工作，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)飛行中并不能僅僅按照預(yù)先設(shè)定好的航跡飛行；而是應(yīng)該根據(jù)飛行的實(shí)際情況來，實(shí)時(shí)的修正飛行航跡，主要用來應(yīng)對突發(fā)的威脅目標(biāo)，保證無人機(jī)能夠安全的飛行。當(dāng)測量定位到無人機(jī)飛行路線上有危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)，無人機(jī)快速進(jìn)行航跡調(diào)整，即本來按照1??2路線（線1）飛行（如圖1）；可是，根據(jù)定位到的危險(xiǎn)情況，此航跡并非安全航跡。此時(shí)就需要制定如下安全的飛行航跡路線，線2方式進(jìn)行飛行；顯然此航線更安全也更接近大地線（線0），安全性更加高于原來的飛行路線。

圖1 傳統(tǒng)飛行航線

2）飛行前的地面航路規(guī)劃

由于飛機(jī)在飛行時(shí)不只是按照大地線飛行，有時(shí)也會(huì)做如圖2所示的圓弧運(yùn)動(dòng)（如從某一直飛航路到另一直飛航路的掉轉(zhuǎn)彎曲航路）。因此，在設(shè)計(jì)整個(gè)飛行航路前，首先明確飛機(jī)圓弧航路飛行時(shí)的具體運(yùn)算方程和點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算。

圖2 飛機(jī)圓弧運(yùn)動(dòng)示意圖

設(shè)飛機(jī)進(jìn)行圓弧航路飛行的初始位置為P(B,L)、結(jié)束位置為P＋1(B＋1,L＋1)。其中P為已知條件，P＋1為待求參數(shù)。具體計(jì)算如下：

P與P＋1間大地線距離與方位角的計(jì)算如下式：

式中：D為P與P＋1間大地線距離；為曲率半徑；s為飛行速度；表示飛機(jī)的航路狀態(tài)，若是直飛，＝0，若是圓弧飛，＝1；D為飛行時(shí)間；A和A￠分別為P的方位角和P與P＋1間的方位角。

利用大地線微分方程計(jì)算經(jīng)緯度和方位角增量：

式中：DL為P與P＋1的大地經(jīng)度差；為橢球偏心率；為橢球長半軸；B為P的大地緯度；DB和DA分別為P與P＋1的大地緯度差和大地方位角差。

因此，D時(shí)間后的經(jīng)緯度和大地線方位角為：

利用式(1)～(3)迭代計(jì)算圓弧各點(diǎn)經(jīng)緯度，直到經(jīng)緯度達(dá)到預(yù)設(shè)終點(diǎn)精確范圍，航跡線進(jìn)入下一段，即由該點(diǎn)出發(fā)的大地線。

航路的規(guī)劃的流程如圖3所示，具體的步驟闡述如下：

①設(shè)定航路的起點(diǎn)與終點(diǎn)。

②判斷兩點(diǎn)間飛機(jī)的航路狀態(tài)：直飛還是圓弧飛行。

③若是直飛，則調(diào)用基礎(chǔ)空間量算反解模塊計(jì)算航線距離和終點(diǎn)處的航線角（起飛點(diǎn)也計(jì)算飛機(jī)的起點(diǎn)航線角）；若圓弧飛行，則調(diào)用圓弧運(yùn)動(dòng)解算模塊計(jì)算航線距離和終點(diǎn)航線角。

④調(diào)用目標(biāo)量算信息表達(dá)模塊，繪制航路線。

⑤循環(huán)上述4個(gè)步驟，直到任務(wù)完成。

⑥最后，輸出航路設(shè)計(jì)模型，無任務(wù)圓滿完成做好準(zhǔn)備。

3）目標(biāo)定位在飛行期間的態(tài)勢判斷及航路調(diào)整

若是作戰(zhàn)中的飛行任務(wù)，指揮中心必須了解戰(zhàn)場態(tài)勢，即需要直觀地了解敵我雙方的目標(biāo)分布，以及對某個(gè)目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)屬性的識(shí)別和對其進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤等[10]。因此，在飛行期間，無人機(jī)操作人員為規(guī)避危險(xiǎn)，必須做好防護(hù)措施，指揮部實(shí)時(shí)定位跟蹤我機(jī)的同時(shí)，以飛機(jī)位置為圓心，以一定長度為半徑的區(qū)域之內(nèi)收索是否有敵情發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行沖突檢測；當(dāng)發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)擊的范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)敵方目標(biāo)時(shí)，則將距我機(jī)最近的敵方目標(biāo)作為首要攻擊規(guī)避對象，形象地描述如圖4所示。

圖3 計(jì)劃飛行任務(wù)的地面航路規(guī)劃流程圖

圖4 定位對象搜索

無人機(jī)目標(biāo)定位所要完成的任務(wù)就是：①利用中繼平臺(tái)與偵察圖像目標(biāo)間的距離和方位，實(shí)時(shí)定位動(dòng)態(tài)目標(biāo)；②利用基礎(chǔ)空間量算的反算模塊，判斷我方飛機(jī)與目標(biāo)的空間位置關(guān)系；③利用實(shí)體空間量算和信息表達(dá)方法，對執(zhí)行任務(wù)飛機(jī)的威脅區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控，做好防護(hù)[11]。圖5即為飛行期間，無人機(jī)目標(biāo)定位在偵察任務(wù)中的具體應(yīng)用。

3.3 無人機(jī)目標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)的情報(bào)功能與信息展示

1）總結(jié)整個(gè)飛行任務(wù)模型，利用空間量算可實(shí)現(xiàn)的情報(bào)功能

①飛機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤：我方無人機(jī)在飛行過程中通過數(shù)據(jù)鏈向指揮部發(fā)送信息、報(bào)告飛行狀況，包括所處的地理位置、飛行狀態(tài)等；敵方信息則通過二次雷達(dá)、地空數(shù)據(jù)鏈等中介平臺(tái)向地面報(bào)告。通過數(shù)字地球?qū)澄绎w機(jī)的地理位置實(shí)時(shí)地顯示在監(jiān)控窗口中，做到信息可視化。指揮員在數(shù)字地球上掌握所有被監(jiān)控飛機(jī)的地理位置和與監(jiān)控飛機(jī)有關(guān)的其他信息。

②航行監(jiān)視：在動(dòng)態(tài)監(jiān)控過程中，可針對某一架或某幾架飛機(jī)利用無人機(jī)目標(biāo)定位量算進(jìn)行特殊跟蹤，在航線設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮偏航極限范圍內(nèi)有無不適合的點(diǎn)、線、面，即危險(xiǎn)目標(biāo)；在航路監(jiān)視時(shí)，將其計(jì)劃航線與實(shí)際飛行航線比較，實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示飛機(jī)的實(shí)際飛行航線與預(yù)計(jì)航線的偏差，如果超過偏離誤差則向指揮員報(bào)告。

圖5 飛行期間關(guān)于目標(biāo)位置的空間測量

③沖突檢測和解脫：對于監(jiān)控的無人飛機(jī)，以它的位置為中心、以一定距離為半徑實(shí)時(shí)建立球形緩沖區(qū)，實(shí)時(shí)地（或周期性地）監(jiān)控有無危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)入；當(dāng)有沖突發(fā)生，實(shí)時(shí)計(jì)算威脅目標(biāo)空間信息，具體地，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高度、速度、飛行方向、威脅范圍等屬性信息，靜止目標(biāo)的或長度、或周長與面積、或坡度坡向等屬性計(jì)算，以及威脅目標(biāo)與我機(jī)的距離與方位等，并根據(jù)這些信息制定解脫方案。

④航跡繪制：存儲(chǔ)每個(gè)定位點(diǎn)信息，為提高程序的效率和便于分析人員觀看整個(gè)態(tài)勢效果，目標(biāo)的航跡信息初始默認(rèn)為隱藏狀態(tài)，當(dāng)需要查看時(shí)利用大地線繪制原理插值并連線定位點(diǎn)以進(jìn)行航跡顯示[12]。

2）部分信息的展示

圖6為我方遂行任務(wù)飛機(jī)監(jiān)控界面，圖7為沖突檢測圖，圖8為飛行航跡顯示圖。

圖6 地面操作無人機(jī)的飛行屬性界面

圖7 沖突檢測區(qū)域圖

圖8 飛行航跡顯示

此模型不僅僅適合無人機(jī)飛機(jī)，也可推廣到有人飛機(jī)和其他任何執(zhí)行飛行偵察作戰(zhàn)任務(wù)的飛行器，或者其他應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展變化，無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位技術(shù)在軍事上的應(yīng)用非常普遍。目標(biāo)定位技術(shù)有著巨大的情報(bào)保障價(jià)值和作戰(zhàn)指揮作用，決定著戰(zhàn)爭勝負(fù)意義重大。無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)位置測量技術(shù)，是無人機(jī)信息處理研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位直接關(guān)乎到無人機(jī)作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)保障能力。本文通過無人機(jī)戰(zhàn)場飛行實(shí)際情況，對無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位在航跡規(guī)劃的應(yīng)用情況做了具體闡述，證明無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位的重要軍事價(jià)值。

由于無人機(jī)偵察圖像目標(biāo)定位的精確度、時(shí)效性和普適性等性能對無人機(jī)能否在更加高效地運(yùn)用到軍事上具有決定性的作用，所以需要進(jìn)一步提高和改善這些定位性能，這是關(guān)于無人機(jī)偵察目標(biāo)定位需要一直研究下去的問題；并且不僅僅把這些無人機(jī)定位性能運(yùn)用到軍事上，更可以運(yùn)用到人們的日常生活中。

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Military Application of UAV Reconnaissance Target Localization

YANG Shuai，CHENG Hong，LI Ting，SUN Wenbang

(,130022,)

UAVs can locate the precise location information of targets through a variety of methods in order to implement battlefield command or a military strike. The various sorting and classification principles of UAVs reconnaissance targeting technology are described, and its scope of application in the military field is parsed. UAV mission is taken as an example, in which a detailed calculation of the amount of space UAV reconnaissance targeting technique is performed by using the actual flight path planning of UAV reconnaissance，which proves targeting technology has an important military value.

UAV，reconnaissance image，target location，military application，precision striking，path planning

V279

A

1001-8891(2016)06-0467-05

2016-01-04；

2016-03-17.

楊帥（1992-），男（漢族），遼寧錦州市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o人機(jī)定位技術(shù)。

程紅（1969-），女（漢族），吉林長春市人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌上駛刹臁?/p>

國家自然科學(xué)基金（61301233）；全軍軍事類研究生資助課題項(xiàng)目（2013JY514）。