劉寧波,孫艷麗,周 偉

(海軍航空工程學(xué)院 a.信息融合所; b.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部,山東 煙臺 264001)

【信息科學(xué)與控制工程】

無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寧波a,孫艷麗b,周 偉a

(海軍航空工程學(xué)院 a.信息融合所; b.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部,山東 煙臺 264001)

針對電子偵察設(shè)備、SAR和CCD相機(jī)單一傳感器無法滿足作戰(zhàn)需求，提出了無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測思想。采用Matlab設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)，完成無人機(jī)對目標(biāo)查證、區(qū)域監(jiān)視及目標(biāo)搜索等任務(wù)模型的偵察模擬演示。運(yùn)行結(jié)果直觀形象地表明：根據(jù)不同任務(wù)模型和偵察傳感器的特點(diǎn)靈活設(shè)置偵察方案，能有效提高無人機(jī)的偵察效能。

無人機(jī)；協(xié)同探測；多傳感器；演示系統(tǒng)

常見的電子/光學(xué)類偵察載荷有電子偵察設(shè)備、SAR和CCD相機(jī)等[1-3]。電子偵察設(shè)備被動工作、隱蔽性強(qiáng)，且具有電子戰(zhàn)能力，但其定位精度相對較低。SAR除具有與光學(xué)攝像相近的分辨率外，還具有成像不受氣候和晝夜限制、能發(fā)現(xiàn)遮擋物之后的物體等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)處理和解譯相對困難[4-5]。CCD相機(jī)可對目標(biāo)即時可視偵察,但其受氣候、光線等因素的影響較大，不能進(jìn)行全天時、全天候偵察。多傳感器協(xié)同可以很好地補(bǔ)充和改善各自的不足，綜合利用各傳感器的優(yōu)勢，使無人偵察機(jī)的整體作戰(zhàn)效能大幅提升，有效地提升對戰(zhàn)場的情報(bào)保障能力[6-7]。電子偵察設(shè)備與SAR的協(xié)同，利用電子偵察設(shè)備提供大致定位，SAR再進(jìn)行精確偵察，主要用于對靜態(tài)目標(biāo)的偵察和精確定位。電子偵察設(shè)備與CCD相機(jī)的協(xié)同，主要用于對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行即時可視的偵察或拍攝目標(biāo)圖像發(fā)至指控端進(jìn)一步采集數(shù)據(jù)。SAR和CCD相機(jī)之間的協(xié)同，主要用于對動目標(biāo)的跟蹤定位和探測成像。無人機(jī)電子偵察設(shè)備、SAR、CCD相機(jī)三者協(xié)同，主要是對目標(biāo)的精確定位和觀測成像，以及對目標(biāo)的特征檢測等[8-11]。本文提出了無人機(jī)多傳感器同探測概念演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測這一概念有直觀的表述和印象。

1 演示系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

演示系統(tǒng)旨在用直觀的界面系統(tǒng)闡述無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測技術(shù)的內(nèi)涵，包含著相關(guān)知識解說、任務(wù)情景模擬、偵察方案選擇、終端顯控模擬、綜合態(tài)勢分析等內(nèi)容。此演示系統(tǒng)基于Matlab軟件環(huán)境，為二維仿真動畫模擬，且假設(shè)無人機(jī)始終保持勻速平飛。

2 演示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

演示系統(tǒng)程序的編寫基于Matlab開發(fā)軟件，為實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測的概念模擬，在程序編寫時提前設(shè)定無人機(jī)及其偵察載荷、飛行航路、待偵察目標(biāo)等的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建任務(wù)環(huán)境，以更好地表現(xiàn)協(xié)同探測的概念及其技術(shù)方案。

2.1 系統(tǒng)界面

合理的系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)可以較好地進(jìn)行人機(jī)交互，有助于系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能的實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)遵循其構(gòu)建目的及意義，以其預(yù)設(shè)功能為指導(dǎo)進(jìn)行模塊布置，合理采用多界面顯示方式，以較好地演繹系統(tǒng)功能。系統(tǒng)主運(yùn)行界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 演示系統(tǒng)主運(yùn)行界面

合理規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊，優(yōu)化模擬演示窗口的位置、大小及各自的功能鍵、文本框、面板等控件的布局，力求簡潔、大方、實(shí)用；創(chuàng)建控件并設(shè)置各控件的屬性；設(shè)計(jì)菜單，增添“系統(tǒng)簡介”、“基礎(chǔ)理論”、“情景設(shè)定”、“效果示例”等菜單選項(xiàng)，完善GUI界面功能；編寫回調(diào)函數(shù)，將預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能編寫為Matlab程序，通過函數(shù)回調(diào)較好的嵌入主程序里，實(shí)現(xiàn)程序的正常運(yùn)行。運(yùn)用“figure”函數(shù)調(diào)用其他界面，完善系統(tǒng)功能。

2.2 輔助菜單

菜單欄增設(shè)“系統(tǒng)簡介”、“基礎(chǔ)理論”、“情景設(shè)定”、“效果示例”等選項(xiàng)，其中“系統(tǒng)簡介”選項(xiàng)下設(shè)“簡介”、“運(yùn)行環(huán)境”下拉菜單，為使用者進(jìn)行本系統(tǒng)整體功能的簡要介紹；“基礎(chǔ)理論”選項(xiàng)下設(shè)“無人機(jī)”及“偵察載荷”兩個選項(xiàng)卡，分別下設(shè)“國內(nèi)”、“國外”及“電子偵察”、“SAR”、“CCD相機(jī)”等下拉菜單，此輔助菜單的設(shè)置為了實(shí)現(xiàn)對無人偵察機(jī)功能、分類、經(jīng)典機(jī)型的介紹和對電子偵察、SAR、CCD相機(jī)等偵察載荷相關(guān)知識的學(xué)習(xí)；“情景設(shè)定”選項(xiàng)下設(shè)“目標(biāo)查證”、“目標(biāo)搜索”及“區(qū)域監(jiān)控”選項(xiàng)，向使用者介紹3種不同任務(wù)情景下的偵察方案選擇；“效果示例”選項(xiàng)，分別就電子偵察、SAR及CCD相機(jī)對目標(biāo)信息的讀取做出演示。

2.3 操作窗口

在主程序的操作演示窗中，設(shè)置“偵察模式”選項(xiàng)卡，通過點(diǎn)擊其上的“目標(biāo)查證”、“目標(biāo)搜索”及“區(qū)域監(jiān)視”選項(xiàng)分別完成3種任務(wù)情景的完整演示。在“態(tài)勢分析”模塊中同步顯示顯控窗口所獲取的情報(bào)信息。3種偵察傳感器所捕獲信息的態(tài)勢分析中，電子偵察情報(bào)分析內(nèi)容有輻射源目標(biāo)的方位、距離、性能參數(shù)等，完成對目標(biāo)基本信息的初步判別及態(tài)勢判讀；SAR偵察情報(bào)分析內(nèi)容包括對分辨率較高的目標(biāo)SAR圖像的基本判讀及目標(biāo)的定位與跟蹤等，并進(jìn)行態(tài)勢分析；CCD相機(jī)偵察情報(bào)分析內(nèi)容包括對分辨率高的彩色目標(biāo)圖像的判讀等，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的即時可視偵察與態(tài)勢分析。

2.4 模擬情景演示窗口

在主程序的模擬情景演示窗口中，以綠色3角形代表無人機(jī)，淺藍(lán)色折線代表無人機(jī)航路，藍(lán)色點(diǎn)狀或五角星代表艦船等地物，紅色點(diǎn)狀或三角形代表待偵察目標(biāo)，藍(lán)色的大圓為電子偵察設(shè)備的作用范圍，綠色及紅色扇形分別代表SAR及 CCD相機(jī)的偵察區(qū)域(同時以扇形半徑的大或小區(qū)分)。設(shè)定任務(wù)區(qū)域?yàn)楸本?7°～39°，東經(jīng)121°～123°的平面海域，無人機(jī)完成不同任務(wù)情景下對海面目標(biāo)的偵察監(jiān)視。

1) 無人機(jī)參數(shù)設(shè)定。對無人機(jī)性能參數(shù)的設(shè)定參考國產(chǎn)“翔龍”高空長航無人偵察機(jī)。在演示系統(tǒng)中假定無人機(jī)始終在3 000 m高度保持勻速平飛。

2) 目標(biāo)查證偵察任務(wù)模型。在此任務(wù)模型中，假設(shè)待偵察目標(biāo)的坐標(biāo)已通過其他的偵察途徑得知并將數(shù)據(jù)告知無人機(jī)，無人機(jī)起飛進(jìn)行目標(biāo)查證。無人機(jī)起飛后在規(guī)劃好的航路上飛行，電子偵察設(shè)備開機(jī)，對目標(biāo)輻射源進(jìn)行定位，為無人機(jī)提供實(shí)時的目標(biāo)坐標(biāo)，并根據(jù)無人機(jī)與目標(biāo)的位置關(guān)系及偵察結(jié)果，依次對目標(biāo)進(jìn)行SAR及CCD相機(jī)的偵察，以進(jìn)一步的獲取目標(biāo)信息，為指揮員決策提供參考。模擬偵察效果如圖2所示。

3) 目標(biāo)搜索偵察任務(wù)模型。在常規(guī)偵察任務(wù)模型中，設(shè)定有多個未知目標(biāo)，包括漁船、我方艦船、敵方艦船等目標(biāo)。由無人機(jī)通過偵察設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)搜索、判別、跟蹤及偵察。無人機(jī)以“z字形”航路巡航，電子偵察設(shè)備捕獲目標(biāo)并進(jìn)行判別，根據(jù)目標(biāo)威脅程度決定是否進(jìn)一步偵察，無人機(jī)改變航路靠近待偵察目標(biāo)，根據(jù)與目標(biāo)的位置關(guān)系，進(jìn)行SAR及CCD相機(jī)的協(xié)同偵察。模擬偵察效果如圖3所示。

圖2 目標(biāo)查證模擬偵察演示圖

圖3 目標(biāo)搜索模擬偵察演示圖

4) 區(qū)域監(jiān)視偵察任務(wù)模型。無人機(jī)在執(zhí)行對固定目標(biāo)區(qū)域(如島嶼、海域等)的偵察監(jiān)視任務(wù)時，根據(jù)計(jì)劃航路飛抵目標(biāo)并環(huán)繞飛行，以電子偵察設(shè)備的偵測半徑作為無人機(jī)區(qū)域巡航的半徑，運(yùn)用條帶式SAR和聚束式SAR完成對目標(biāo)區(qū)域的掃描及區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)目標(biāo)的偵察判讀，運(yùn)用CCD相機(jī)的“錐掃”模式實(shí)現(xiàn)較好海況下目標(biāo)區(qū)域的快視偵察。SAR及CCD相機(jī)綜合協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)情報(bào)的獲取，完成區(qū)域監(jiān)視任務(wù)。模擬偵察效果如圖4所示。

圖4 區(qū)域監(jiān)視偵察模擬演示圖

2.5 模擬顯控演示窗口

模擬顯控演示窗口完成對預(yù)設(shè)的無人機(jī)任務(wù)情景演示的同步顯控演示。設(shè)定顯控有兩種視角，即全局視角和無人機(jī)視角，分別以目標(biāo)軌跡和目標(biāo)散點(diǎn)表示，應(yīng)用在不同任務(wù)情景中。

在主程序的模擬顯控演示窗口中，以黑色正方形框代表無人機(jī)偵察范圍，藍(lán)色“+”代表電子偵察設(shè)備捕獲目標(biāo)，綠色“□”代表SAR設(shè)備捕獲目標(biāo)，紅色“○”代表CCD相機(jī)捕獲目標(biāo)，以目標(biāo)“綠—紅”點(diǎn)跡之間的變化代表目標(biāo)是否為偵察傳感器所捕獲，設(shè)定標(biāo)記不重合為三種偵察傳感器存在定位誤差。目標(biāo)標(biāo)記顯示的text內(nèi)容為無人機(jī)對多個目標(biāo)的標(biāo)號及三種傳感器對目標(biāo)偵察的結(jié)果(其中，電子偵察設(shè)備偵察結(jié)果顯示內(nèi)容為目標(biāo)輻射源的頻段、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期等主要特征參數(shù)，SAR偵察結(jié)果顯示內(nèi)容為目標(biāo)的航速、主尺度等基本信息，CCD相機(jī)偵察結(jié)果顯示內(nèi)容目標(biāo)的主尺度、類型、武備等詳細(xì)信息)。顯控模擬演示圖如圖5所示。

圖5 顯控模擬演示圖

3 演示系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)演示系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能、運(yùn)行環(huán)境的設(shè)定以及主運(yùn)行界面的設(shè)計(jì)等，畫出演示系統(tǒng)Matlab程序編寫的基本流程圖，如圖6。根據(jù)偵察方案的不同輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動場景，判斷無人機(jī)平臺與目標(biāo)之間的距離，根據(jù)判斷條件打開不同偵察載荷，并實(shí)現(xiàn)不同載荷時顯控窗口的輸出和情報(bào)分析結(jié)果的輸出。

圖6 演示系統(tǒng)流程

程序編寫工作分步完成，首先，完成對模擬情景演示中不同偵察方案的情景設(shè)置與動畫演示的程序編寫；其次，實(shí)現(xiàn)不同偵察任務(wù)情景的模擬顯控演示程序；再次，把對情報(bào)分析窗口與顯控關(guān)聯(lián)并同步顯示；最后，進(jìn)行主函數(shù)的編寫，完善主運(yùn)行界面菜單及各功能鍵的函數(shù)回調(diào)并實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)時間同步，完成無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)。編寫過程如圖7所示。

圖7 程序編寫工作步驟

4 小結(jié)

無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行對多傳感器協(xié)同的概念進(jìn)行了形象直觀的闡釋，通過演示系統(tǒng)的動畫演示，可以直觀形象地看到多傳感器協(xié)同探測方案設(shè)計(jì)的大體思路。在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境條件下，僅使用某一機(jī)載傳感器實(shí)施偵察監(jiān)視任務(wù)往往很難滿足情報(bào)需求。運(yùn)用多傳感器協(xié)同探測，根據(jù)不同任務(wù)模型和偵察傳感器的特點(diǎn)靈活設(shè)置偵察方案，利用電子信號偵察設(shè)備遠(yuǎn)距離、寬領(lǐng)域的能力來提高偵察效率，把SAR作為偵察的主力完成目標(biāo)探測，CCD相機(jī)則為兩者做補(bǔ)充，可以很好的補(bǔ)充和改善各傳感器的不足，綜合利用各傳感器的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)快速準(zhǔn)確探測，達(dá)到無人機(jī)偵察效能的最大化。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Dsign for Multi-Sensor Collaborative Reconnaissance of Unmanned Aerial Vehicle Demonstration System

LIU Ning-boa, SUN Yan-lib, ZHOU Weia

(a.Research Institute of Information Fusion; b.Department of Basic Experiment, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

For single sensor, such as Electronic reconnaissance equipment, SAR and CCD camera, was unable to meet the operational requirements, the multi-sensor collaborative detection of unmanned aerial vehicle (UAV) was proposed. Based on Matlab software, multi-sensor collaborative reconnaissance demonstration system was designed and realized; The reconnaissance simulation demonstration tasks of UAV such as target verification, regional surveillance and target acquisition were achieved. The run results intuitively demonstrated that if we setup reconnaissance application flexible according to the characteristics of the different task model and sensor, the multi-sensor collaborative reconnaissance would increase the reconnaissance efficiency of UAV effectively.

UAV; collaborative reconnaissance; multi-sensor; demo system

2016-07-11；

劉寧波(1983—)，男，博士，講師，主要從事信號處理研究。

10.11809/scbgxb2016.12.019

劉寧波,孫艷麗,周偉.無人機(jī)多傳感器協(xié)同探測演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):80-83.

format:LIU Ning-bo, SUN Yan-li, ZHOU Wei.Dsign for Multi-Sensor Collaborative Reconnaissance of Unmanned Aerial Vehicle Demonstration System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):80-83.

TP391

A

2096-2304(2016)12-0080-04

修回日期：2016-08-15