無人機(jī)提高目標(biāo)定位精度方法研究＊

姚 新

（解放軍炮兵學(xué)院五系四十三隊(duì) 合肥 230031）

1 引言

隨著近年來我國無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)自主研制并裝備的無人機(jī)在戰(zhàn)場預(yù)先偵察、戰(zhàn)場實(shí)時監(jiān)控、戰(zhàn)場毀傷評估等方面的作用也越來越明顯。無人機(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，我國無人機(jī)研究機(jī)構(gòu)和使用部門主要致力于飛行器、發(fā)動機(jī)、無線鏈路、任務(wù)載荷等方面的研究并取得了極大的成果，無人機(jī)作戰(zhàn)使用尤其是目標(biāo)偵察定位的研究則相對滯后，并不能完全滿足作戰(zhàn)需求，還需要進(jìn)行深入研究［1］。

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

2 無人機(jī)電視圖像定位技術(shù)

2.1 系統(tǒng)概述

無人機(jī)電視圖像定位系統(tǒng)是指無人機(jī)通過CCD攝像機(jī)對戰(zhàn)場目標(biāo)實(shí)時偵察、實(shí)時定位、打擊評估的設(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、電視圖像跟蹤器、GPS／GLONASS定位接收機(jī)及陀螺儀、激光測高儀和定位校射計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成［2］。

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

從無人機(jī)定位算法邏輯來看，整個系統(tǒng)設(shè)備可分為三部分，第一部分是無人機(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線電測距測角導(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，包括無人機(jī)的垂直陀螺、磁航向儀、光軸穩(wěn)定平臺的雙軸陀螺、激光測高儀等等。

2.2 系統(tǒng)的不足

無人偵察機(jī)一般采用的定位方法為單站測角測距定位方法，實(shí)際使用過程中暴露出了幾個無法克服的問題，具體表現(xiàn)為：

1）目標(biāo)定位過程局限明顯。無人機(jī)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在目標(biāo)跟蹤和定位階段對飛機(jī)有兩個必要約束條件，即跟蹤階段的盤旋和定位時的過頂，這兩點(diǎn)從任務(wù)效率上來說不可取、從安全性上看在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)場上幾乎不可能。

2）對多目標(biāo)連續(xù)定位能力不足。偵察無人機(jī)系統(tǒng)是針對執(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)情況下也都是對單目標(biāo)進(jìn)行的。特殊情況下需要完成多個目標(biāo)的定位校射任務(wù)時，一般也是采用以連續(xù)完成多個單目標(biāo)定位校射任務(wù)的簡單累加，耗時一般比較長，效率較低，風(fēng)險(xiǎn)大。

3）定位精度不高。雖然國內(nèi)針對軍用無人機(jī)電視圖像定位精度不高的問題做了大量的研究，但是，一直沒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，使無人機(jī)在復(fù)雜戰(zhàn)場上生存能力面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 空間交會定位法

3.1 空間兩點(diǎn)交會定位

空間兩點(diǎn)交會是提高定位精度的有效途徑，該方法在原有方法單點(diǎn)測量的基礎(chǔ)上增加第2點(diǎn)測量點(diǎn)，構(gòu)建出空間三角形，有效避免了無人機(jī)過頂定位這一過程局限，增加戰(zhàn)場生存能力的同時大大提高了定位精度。實(shí)際作戰(zhàn)中，往往需要對某一單個目標(biāo)實(shí)施定位，但考慮到其防空火力對我無人機(jī)的威脅，無人機(jī)應(yīng)在目標(biāo)一側(cè)（無人機(jī)在地面上投影據(jù)目標(biāo)1～2km）遠(yuǎn)距離選取兩個點(diǎn)并采取直線軌跡快速飛行的方式，同時在飛行過程中兩次對目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測量，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人機(jī)戰(zhàn)場生存能力。但是，空間兩點(diǎn)交會定位精度不會太高是因?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個因素的影響：

1）飛機(jī)位置測量精度；

2）激光測距設(shè)備測量精度；

3）兩次測量目標(biāo)時目標(biāo)中心點(diǎn)的偏離程度；

4）飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)測量精度；

5）轉(zhuǎn)臺測角精度。

其中對最終定位精度影響較大的是飛機(jī)位置測量精度和五個姿態(tài)角的測量精度。飛機(jī)位置測量精度取決于機(jī)載定位設(shè)備的測量精度。在實(shí)際試驗(yàn)中，假設(shè)無人機(jī)位置定位精度偏差不大于10m，五個角度測量誤差不大于2mrad，激光測距偏差不大于5m，兩次測量目標(biāo)時目標(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，無人機(jī)空間兩點(diǎn)交會確實(shí)在一定程度上提高了無人機(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了50m，依然不能滿足地面部隊(duì)的作戰(zhàn)需求。同時，空間兩點(diǎn)交會定位從本質(zhì)上來說是針對戰(zhàn)場一個地面目標(biāo)點(diǎn)定位的算法，當(dāng)?shù)孛娌筷?duì)需要整個戰(zhàn)場多點(diǎn)或者是整個攝影畫面任意點(diǎn)定位的時候，兩點(diǎn)交會定位技術(shù)則不能滿足要求。

然而，三點(diǎn)交會定位則可以擺脫由于無人機(jī)三個姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺的俯仰角與方位角的測量誤差而帶來的不良影響。在無人機(jī)飛行過程中，對將要進(jìn)行定位的目標(biāo)實(shí)施跟蹤，跟蹤過程中對三個以上位置點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間交會解算，獲取目標(biāo)坐標(biāo)，該方法特別適合于對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)偵察和分析時使用，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)場目標(biāo)定位精度。

3.2 空間三點(diǎn)交會算法

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

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

可以看出，針對重要戰(zhàn)場目標(biāo)，無人機(jī)空間三點(diǎn)交會定位可以消除無人機(jī)三個姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺的俯仰角與方位角的測量誤差。

3.3 戰(zhàn)場關(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)位置測量精度；激光測距設(shè)備測量精度；三次測量目標(biāo)時目標(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

粗差檢測模型為

4 戰(zhàn)場多目標(biāo)差分定位

空間三點(diǎn)定位的思想是，通過GPS定位獲得三次或多次無人機(jī)的空中位置，通過激光戰(zhàn)場關(guān)鍵點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行三次或多次測距，求解距離方程，獲得關(guān)鍵點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)。從本質(zhì)上來說，這種技術(shù)方案是一種針對戰(zhàn)場單目標(biāo)的定位算法。當(dāng)無人機(jī)獲得一楨圖像時，空間三點(diǎn)交會算法只能求得中心點(diǎn)的坐標(biāo)，圖像上其它點(diǎn)坐標(biāo)無法求得。但是如果將空間交會定位技術(shù)與現(xiàn)有的共線定位算法相結(jié)合，通過差分定位原理，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，在無人機(jī)獲得的一幀圖像里，O是畫面中心點(diǎn)，A是畫面其它處任意一點(diǎn)；O、A點(diǎn)通過共線定位算法測出的坐 標(biāo) 分 別 是 （xO，yO），（xA，yA），O點(diǎn)通過空間三點(diǎn)交會得出的定位算法測出的坐標(biāo)是（XO，YO），由于畫面中O、A的距離真實(shí)距離為幾十米，而無人機(jī)距地面的高度為幾千米，同時，由于無人機(jī)通過同樣的共線定位算法測量O、A點(diǎn)的系統(tǒng)隨差可以認(rèn)為一致。如果以O(shè)點(diǎn)通過空間交會算法測出的坐標(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。該模塊首先對無人機(jī)實(shí)拍的圖像進(jìn)行幾何糾正，同時通過空間交會獲得中心O點(diǎn)坐標(biāo)，其次該模塊依據(jù)無人機(jī)飛行過程中的遙測數(shù)據(jù)，基于電視圖像的成像模型，建立共線定位算法，通過O點(diǎn)差分計(jì)算求出隨差，通過隨差修正幀圖像任意點(diǎn)的測量值。

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

通過共線定位的簡化方程測量出無人機(jī)畫面中心點(diǎn)O的坐標(biāo)為

式中，Xs、Ys為無人機(jī)的大地坐標(biāo)。

同時無人機(jī)盤旋在目標(biāo)上空，通過三次測距后通過空間交會求取O點(diǎn)坐標(biāo)，可得：

式中，Xs1、Ys1，Xs2、Ys2、Xs3、Ys3可認(rèn)為是無人機(jī)的三次測距時的大地坐標(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

無人機(jī)在保障部隊(duì)射擊時，利用電視圖像定位技術(shù)，由于技術(shù)方面的瓶頸，其對戰(zhàn)場目標(biāo)定位精度較低，使用的單站測角測距定位方法本身存在無法克服的不足，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)交會法，在一定程度上提高了無人機(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。

針對這一問題，本文研究了利用空間三點(diǎn)交會和戰(zhàn)場多目標(biāo)差分技術(shù)和手段提高目標(biāo)定位精度的方法。相對傳統(tǒng)定位方法，空間三點(diǎn)交會定位法擺脫了單點(diǎn)定位的思路，以及無人機(jī)三個姿態(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺的俯仰角與方位角的測量誤差而帶來的不良影響。

通過空間交會定位技術(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)無法求得的問題，實(shí)現(xiàn)了利用無人機(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)交會和戰(zhàn)場多目標(biāo)差分定位技術(shù)，目標(biāo)定位精度可提高10～20m，在提高無人機(jī)保障部隊(duì)精確打擊和拓展無人機(jī)適用領(lǐng)域方面具有重要意義。

［1］梁立波，羅亞中.空間交會軌跡安全性定量評價指標(biāo)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31（10）：2239～2245

［2］王華，唐國金.遺傳算法在航天器最優(yōu)交會中的應(yīng)用研究［J］.航天控制，2003，21（1）：16～21

［3］唐國金.空間交會對接任務(wù)規(guī)劃［M］.北京：科學(xué)出版社，2008

［4］王天文.空間測邊交會解析算法與迭代算法的綜合應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2009，34（6）：120～121

［5］吳慶雙.基于空間后方交會的三維坐標(biāo)測量方法研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005

［6］張進(jìn).空間交會遠(yuǎn)程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008

［7］鄭成林，龔俊斌，劉福學(xué)，等.基于ADV202的無人機(jī)序列圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)工程，2010，38（11）

［8］林來興.空間交會對接技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995

［9］羅亞中.空間最優(yōu)交會路徑規(guī)劃策略研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007

［10］唐玉玲.空間飛行器在目標(biāo)機(jī)動下基于視線坐標(biāo)系的交會方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006