基于NIIRS的無人偵察機(jī)航跡規(guī)劃研究*

張紅順 陸松巖 谷 峰

(空軍航空大學(xué) 長(zhǎng)春 130022)

基于NIIRS的無人偵察機(jī)航跡規(guī)劃研究*

張紅順 陸松巖 谷 峰

(空軍航空大學(xué) 長(zhǎng)春 130022)

論文針對(duì)無人偵察機(jī)區(qū)域偵察航跡規(guī)劃,闡述了無人偵察機(jī)的偵察任務(wù)與規(guī)劃需求,通過圖像質(zhì)量方程分析了航跡規(guī)劃過程中可調(diào)控的影響圖像質(zhì)量的參數(shù),并對(duì)偵察方案的確立進(jìn)行了探討。

無人偵察機(jī); 航跡規(guī)劃; 圖像解譯等級(jí); 圖像質(zhì)量; 地面采樣距離

Class Number V279

1 引言

當(dāng)無人機(jī)在偵察區(qū)域執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí),無人機(jī)作為傳感器的偵察平臺(tái),其飛行航線與傳感器工作計(jì)劃密切相關(guān)。另一方面,無人偵察機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)之前,僅知道待偵察區(qū)域的地理位置信息和邊界信息,對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的具體位置和敵方威脅情況不完全明確[1]。因此,如何規(guī)劃無人機(jī)在偵察成像過程中的航跡以保證獲取高質(zhì)量的偵察圖像,進(jìn)而確定符合任務(wù)需求的偵察方案是十分重要的一個(gè)問題。

針對(duì)無人偵察機(jī)航跡規(guī)劃,目前國內(nèi)外展開了較為廣泛的研究。普遍的方法是將對(duì)圖像質(zhì)量的預(yù)估作為衡量無人偵察機(jī)航跡質(zhì)量的一個(gè)要素,如文獻(xiàn)[2]引入圖像質(zhì)量方程預(yù)估偵察目標(biāo)的圖像質(zhì)量,在此基礎(chǔ)上建立了以航線長(zhǎng)度、圖像質(zhì)量和威脅為評(píng)價(jià)目標(biāo)的預(yù)先全局航線規(guī)劃模型,文獻(xiàn)[3]用圖像質(zhì)量方程預(yù)測(cè)各個(gè)偵察目標(biāo)的圖像質(zhì)量,以所有目標(biāo)圖像質(zhì)量的加權(quán)之和最大和總路徑長(zhǎng)度最小為目標(biāo),在傳感器觀察范圍、飛機(jī)機(jī)動(dòng)和對(duì)目標(biāo)圖像質(zhì)量要求以及威脅等多約束條件下進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)確定偵察航跡點(diǎn)。此類方法偏重于航跡規(guī)劃,對(duì)于航跡規(guī)劃與偵察任務(wù)的對(duì)接、用戶需求則考慮比較少,難以在復(fù)雜且時(shí)刻變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境給出最優(yōu)的偵察方案。

本文通過圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NIIRS和通用圖像質(zhì)量方程GIQE,建立起圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)與定量參數(shù)分析之間的關(guān)系,確定偵察方案,使航跡規(guī)劃參數(shù)轉(zhuǎn)化為用戶對(duì)任務(wù)的需求方案。給定一組用戶任務(wù)需求,可以與遙感圖像質(zhì)量聯(lián)系起來,進(jìn)而指導(dǎo)無人偵察機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)中的航跡規(guī)劃;反過來,通過航跡規(guī)劃參數(shù),結(jié)合GIQE模型就可以確定圖像的NIIRS值,從而用戶可以判斷此遙感器是否勝任特定任務(wù)。

2 航跡規(guī)劃

飛行器航跡規(guī)劃就是在航空兵作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃中,依據(jù)敵情我情和戰(zhàn)場(chǎng)條件,為保障飛行器安全高效完成作戰(zhàn)任務(wù),在提供導(dǎo)航保障、氣象保障的基礎(chǔ)上,完成飛行器航跡及空域活動(dòng)的規(guī)劃過程。其目的是要找到一條能夠保證飛行器安全突防的飛行航跡,既要盡量減少被敵防空設(shè)施捕獲和摧毀的概率,又要降低墜毀的概率,同時(shí)還必須滿足各種約束條件[3]。這些因素之間往往相互相耦合,改變其中某一因素通常會(huì)引起其它因素的變化,因此在航跡規(guī)劃過程中需要協(xié)調(diào)多種因素之間的關(guān)系。即航跡規(guī)劃是復(fù)雜約束條件下的最優(yōu)化問題。具體來說,飛行器航跡規(guī)劃主要考慮安全準(zhǔn)則、飛行器性能準(zhǔn)則、氣象準(zhǔn)則、導(dǎo)航保障準(zhǔn)則、油耗最小準(zhǔn)則、空域活動(dòng)準(zhǔn)則和戰(zhàn)術(shù)要求等準(zhǔn)則。

3 圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)模型

目前,圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)模型主要分為基于圖像的模型和基于參數(shù)的模型兩大類[4]。基于圖像的預(yù)測(cè)模型必須要求以圖像作為輸入才能對(duì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià);基于參數(shù)的預(yù)測(cè)模型只需要偵察成像系統(tǒng)的部分參數(shù)和成像過程中的一些幾何參數(shù),就可以對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中,基于參數(shù)的圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)模型,可以在偵察成像之前通過仿真計(jì)算得到偵察圖像的質(zhì)量等級(jí),從而提前對(duì)成像過程進(jìn)行規(guī)劃,設(shè)置最佳的系統(tǒng)參數(shù),具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。GIQE就是一種基于系統(tǒng)參數(shù)與工作參數(shù)的圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。在本文的研究過程中,選用了目前偵察情報(bào)界常用的主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)NIIRS對(duì)偵察圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和指導(dǎo)無人偵察機(jī)航跡規(guī)劃,根據(jù)偵察環(huán)境給出偵察方案。

3.1 圖像解譯等級(jí)NIIRS

美軍提出的NIIRS(National Image Interpretation Rating Scales)是一種主觀圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將用戶的任務(wù)需求同偵察圖像質(zhì)量聯(lián)系了起來,是目前西方情報(bào)機(jī)構(gòu)廣為使用的一種圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5～6]。美國的高空長(zhǎng)航時(shí)無人偵察機(jī)“全球鷹”在開發(fā)過程中,機(jī)載偵察傳感器的性能就是以NIIRS的形式指定。NIIRS能夠很好地表征目標(biāo)的圖像質(zhì)量,在實(shí)際中也得到廣泛的應(yīng)用。美國空中防衛(wèi)偵察辦公室指定以NIIRS的形式來描述“全球鷹”與“捕食者”無人偵察機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能。在偵察任務(wù)過程中,如何根據(jù)己知的信息預(yù)估偵察目標(biāo)的NIIRS值,對(duì)于無人偵察機(jī)的航跡規(guī)劃來說具有重要的意義。

NIIRS作為一種主觀的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),在制定的過程中考慮了許多方面的因素,其具有選例覆蓋范圍廣、人員判讀誤差小、與地面采樣距離(GSD)之間有較好的線性關(guān)系、具有可預(yù)測(cè)模型等特點(diǎn)。NIIRS的優(yōu)勢(shì)在于具有很好的可預(yù)測(cè)性,通用圖像質(zhì)量方程General Image Quality Equation(GIQE)就是以NIIRS為標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。NIIRS在制定各級(jí)圖像質(zhì)量等級(jí)時(shí),充分考慮了各方面的需求,在每個(gè)等級(jí)提供的描述中包括了陸軍、空軍、導(dǎo)彈部隊(duì)和民用設(shè)施中的典型代表,因此,適合在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。

3.2 通用圖像質(zhì)量方程GIQE

NIIRS能夠很好地表達(dá)偵察任務(wù)的需求,如何在已知偵察傳感器和目標(biāo)大致信息的情況下,對(duì)偵察圖像的NIIRS進(jìn)行預(yù)測(cè)是非常有意義的。通用圖像質(zhì)量方程GIQE可以根據(jù)指定的參數(shù)對(duì)偵察圖像的NIIRS進(jìn)行預(yù)測(cè),從而在規(guī)劃過程中有效指導(dǎo)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

通用圖像質(zhì)量方程GIQE由U.S. Government’s Imagery Resolution Assessment and Reporting Standards Committee(IRARS)主持開發(fā)。GIQE早在二十世紀(jì)八十年代就已經(jīng)提出,但是一直到了1994年才在無人機(jī)的傳感器開發(fā)領(lǐng)域得以正式應(yīng)用?！安妒痴摺焙汀叭蝥棥钡膫刹靷鞲衅鞫际且訬IIRS作為性能指標(biāo)[7]。在開發(fā)和研制傳感器的過程中,需要有相應(yīng)的方法預(yù)測(cè)傳感器在特定工作環(huán)境下所獲取偵察圖像的質(zhì)量,而GIQE正是預(yù)測(cè)在特定條件下傳感器工作狀態(tài)的有力模型。

圖1 GIQE概念模型

最初的GIQE是針對(duì)可見光傳感器開發(fā)的,主要根據(jù)地面分辨率GSD、邊緣銳度和信噪比來預(yù)測(cè)最終傳感器獲取圖像的NIIRS等級(jí)。GIQE概念模型如圖1所示。

IRARS分別針對(duì)光電傳感器和紅外傳感器開發(fā)了不同的圖像質(zhì)量預(yù)測(cè)方程,預(yù)測(cè)傳感器在不同環(huán)境下所獲取圖像的質(zhì)量等級(jí)NIIRS,方程(1)和方程(2)分別對(duì)應(yīng)于光電傳感器與紅外傳感器的通用圖像質(zhì)量方程[8]。

NIIRS= 10.251+alog10GSDGM+blog10RERGM

+0.656HGM-0.344(G/SNR)

(1)

NIIRS= 10.751+alog10GSDGM+blog10RERGM

+0.656HGM-0.344(G/SNR)

(2)

其中,參數(shù)a與b的定義如下所示:

(3)

(4)

式(1)和式(2)中,GSDGM為傳感器在地面采樣間隔的幾何平均值;RERGM為規(guī)范化相對(duì)邊緣響應(yīng)的幾何平均值;HGM為調(diào)制傳遞函數(shù)補(bǔ)償MTFC導(dǎo)致的超調(diào)幾何平均高度;G是由于MTFC導(dǎo)致的噪聲增益;SNR為信噪比。

GSD項(xiàng)和SNR項(xiàng)主要體現(xiàn)了目標(biāo)的幾何特征(外表、尺寸、對(duì)比度)對(duì)成像質(zhì)量的影響;SNR項(xiàng)主要體現(xiàn)大氣狀態(tài)的影響;MTFC項(xiàng)反映了圖像處理過程對(duì)最終圖像質(zhì)量的影響。

GIQE中涉及到的各個(gè)參數(shù)GSDGM、RERGM、HGM、G和SNR的完整計(jì)算涉及到復(fù)雜的物理測(cè)試過程,與傳感器的具體物理參數(shù)密切相關(guān),本文在此不做深入研究,相關(guān)的討論參考文獻(xiàn)[4]。

GIQE中共有GSDGM、RERGM、HGM、G和SNR等五個(gè)因素,針對(duì)利用GIQE對(duì)傳感器成像過程中的可變參數(shù)進(jìn)行合理規(guī)劃。由文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[9]可知,當(dāng)GSDGM、RERGM、HGM、G/SNR等各因素在自身合理取值范圍內(nèi)變化時(shí),NIIRS的變化范圍差異較大。在單獨(dú)考慮各自影響時(shí),GSDGM和RERGM對(duì)NIIRS的影響比較大。其中,RERGM與傳感器的物理參數(shù)有關(guān),在偵察過程中不可變;而GSDGM與傳感器焦距、無人偵察機(jī)飛行高度和偵察成像水平距離等可變因素有關(guān),對(duì)圖像質(zhì)量的變化具有主導(dǎo)性作用。因此,本節(jié)進(jìn)一步針對(duì)與GSDGM關(guān)聯(lián)的具體成像因素進(jìn)行分析,以便在執(zhí)行偵察任務(wù)過程中,根據(jù)給定的NIIRS值對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)4.0版GIQE標(biāo)準(zhǔn)有[8]:

(5)

圖2 視角定義圖

其中p為傳感器像素間距,f為焦距,R為斜距,單位都為米,θ為視角。視角定義為垂直線與目標(biāo)和傳感器連線的夾角,如圖2所示。

根據(jù)圖2三角關(guān)系,可知cosθ=H/R,代入式(5),得

(6)

GSD在垂直于視線的探測(cè)器陣列的x軸和y軸上測(cè)量,二位地面GSDGM是沿x軸和y軸上兩個(gè)測(cè)量的GSDx、GSDy的幾何平均值,設(shè)x軸方向像素間距為px,y軸方向像素間距為py,則有:

(7)

(8)

可知GSDGM由傳感器焦距、無人機(jī)飛行高度和偵察成像水平距離所決定,這些因素是無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)過程中對(duì)應(yīng)于實(shí)際物理量的可操作參數(shù),因此對(duì)傳感器計(jì)劃的制定具有重要意義。

4 影響成像質(zhì)量因素分析

無人偵察機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的最終結(jié)果是獲取符合用戶需求的圖像,在上文中通過對(duì)NIIRS分析得出:在航跡規(guī)劃過程中,需要考慮傳感器焦距、無人機(jī)飛行高度和偵察成像水平距離等可操作參數(shù)。另一方面,無人偵察機(jī)面對(duì)的主要威脅來自雷達(dá)探測(cè)和防空火力威脅,需要提升偵察高度和進(jìn)行機(jī)動(dòng)偵察[10]。這就需要平衡安全性和偵察距離之間的關(guān)系。即給出量化的偵察方案供用戶參考,有:

N偵察=(H,L,S,QNIIRS)

(9)

其中N偵察代表偵察方案,包含三個(gè)不同量綱參數(shù),偵察高度H,成像距離L,安全系數(shù)S,圖像質(zhì)量等級(jí)QNIIRS。方案可表述為在高度為H,成像距離為S的成像條件下,安全系數(shù)為S,能夠達(dá)到的圖像質(zhì)量等級(jí)為QNIIRS。

5 結(jié)語

本文針對(duì)無人偵察機(jī)區(qū)域偵察航跡規(guī)劃,利用圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NIIRS和通用質(zhì)量方程GIQE,分析了航跡規(guī)劃過程中可調(diào)控的影響圖像質(zhì)量的參數(shù),并針對(duì)用戶需求提出偵察方案,較好反映了用戶對(duì)圖像需求和感知水平。

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Route Planning of Unmanned Reconnaissance Aerial Vehicle Based on NIIRS

ZHANG Hongshun LU Songyan GU Feng

(Aviation University of Air Force, Changchun 130022)

Aiming at the route planning of URAV in the reconnoitered areas, the reconnaissance tasks and planning requirements of URAV are expounded. The factors of route planning that would influence the quality of UAV reconnaissance image by National Image Interpretation Rating Scales(NIIRS) are analyzed, and the establishment of reconnaissance scheme is discussed.

unmanned reconnaissance aerial vehicle(URAV), route planning, NIIRS, image quality, GSD

2014年4月3日,

2014年5月23日

張紅順,男,碩士研究生,研究方向:無人偵察機(jī)航跡規(guī)劃。

V279

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.012