無人機提高目標定位精度方法研究＊

姚 新

（解放軍炮兵學院五系四十三隊 合肥 230031）

1 引言

隨著近年來我國無人機相關技術的快速發展，國內自主研制并裝備的無人機在戰場預先偵察、戰場實時監控、戰場毀傷評估等方面的作用也越來越明顯。無人機主要用于為地面常規炮兵進行目標偵察定位和射擊偏差校正。多年來，我國無人機研究機構和使用部門主要致力于飛行器、發動機、無線鏈路、任務載荷等方面的研究并取得了極大的成果，無人機作戰使用尤其是目標偵察定位的研究則相對滯后，并不能完全滿足作戰需求，還需要進行深入研究［1］。

隨著遙感對地觀測技術及激光技術的發展，伴隨著無人機姿態角測量精度的提高、自身位置定位精度的提高及機載激光測距設備和成像系統的同軸實現等技術為無人機空間交會定位提供了硬件基礎，使得研究空間交會定位方法成為可能。

2 無人機電視圖像定位技術

2.1 系統概述

無人機電視圖像定位系統是指無人機通過CCD攝像機對戰場目標實時偵察、實時定位、打擊評估的設備。系統由裝有面陣CCD電視攝像機的光軸穩定陀螺平臺、電視圖像跟蹤器、GPS／GLONASS定位接收機及陀螺儀、激光測高儀和定位校射計算機等設備組成［2］。

無人機電視圖像定位的過程是：首先獲得無人機的自身坐標，然后通過CCD攝像機拍攝戰場目標，根據共線方程建立成像模型，利用無人機各傳感器測得的飛機姿態角、光軸穩定平臺的方位角與俯仰角、飛機的高度等參數建立坐標轉換矩陣，最后通過定位校射計算機計算出目標的坐標。

從無人機定位算法邏輯來看，整個系統設備可分為三部分，第一部分是無人機獲得自身目標的導航傳感器，這類傳感器包括地面無線電測距測角導航傳感器、GPS導航傳感器、天文導航傳感器、北斗衛星導航傳感器、慣性導航傳感器、GPS／GLONASS復合導航傳感器等等。

第二部分是無人機的機載光電設備，合成孔徑雷達（SAR）、毫米波雷達（MMW）、可見光CCD相機、紅外圖像傳感器。

第三部分是構建定位方程參數的傳感器，包括無人機的垂直陀螺、磁航向儀、光軸穩定平臺的雙軸陀螺、激光測高儀等等。

2.2 系統的不足

無人偵察機一般采用的定位方法為單站測角測距定位方法，實際使用過程中暴露出了幾個無法克服的問題，具體表現為：

1）目標定位過程局限明顯。無人機現有系統結構在目標跟蹤和定位階段對飛機有兩個必要約束條件，即跟蹤階段的盤旋和定位時的過頂，這兩點從任務效率上來說不可取、從安全性上看在現代高技術戰場上幾乎不可能。

2）對多目標連續定位能力不足。偵察無人機系統是針對執行單目標任務進行設計的，完成的定位校射任務大多數情況下也都是對單目標進行的。特殊情況下需要完成多個目標的定位校射任務時，一般也是采用以連續完成多個單目標定位校射任務的簡單累加，耗時一般比較長，效率較低，風險大。

3）定位精度不高。雖然國內針對軍用無人機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方案。現有的共線定位方法，定位精度遠不能滿足地面炮兵部隊的要求。

由上可以看出，現有無人機目標定位方法精度低，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，使無人機在復雜戰場上生存能力面臨巨大挑戰。

3 空間交會定位法

3.1 空間兩點交會定位

空間兩點交會是提高定位精度的有效途徑，該方法在原有方法單點測量的基礎上增加第2點測量點，構建出空間三角形，有效避免了無人機過頂定位這一過程局限，增加戰場生存能力的同時大大提高了定位精度。實際作戰中，往往需要對某一單個目標實施定位，但考慮到其防空火力對我無人機的威脅，無人機應在目標一側（無人機在地面上投影據目標1～2km）遠距離選取兩個點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進行相關測量，構建空間三角形并最終確定目標位置。該方法在保證定位精度的前提下提高了無人機戰場生存能力。但是，空間兩點交會定位精度不會太高是因為它基本上還是延續了單點定位的思路，需要五個姿態角的空間轉換矩陣［3］。

其定位精度主要受以下5個因素的影響：

1）飛機位置測量精度；

2）激光測距設備測量精度；

3）兩次測量目標時目標中心點的偏離程度；

4）飛機姿態參數測量精度；

5）轉臺測角精度。

其中對最終定位精度影響較大的是飛機位置測量精度和五個姿態角的測量精度。飛機位置測量精度取決于機載定位設備的測量精度。在實際試驗中，假設無人機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，兩次測量目標時目標中心的偏離程度屏幕距離不大于5mm，實際定位精度偏差不大于60m。

由此可見，無人機空間兩點交會確實在一定程度上提高了無人機電視圖像的定位精度，但是在飛行實驗中，很多次定位誤差還是超過了50m，依然不能滿足地面部隊的作戰需求。同時，空間兩點交會定位從本質上來說是針對戰場一個地面目標點定位的算法，當地面部隊需要整個戰場多點或者是整個攝影畫面任意點定位的時候，兩點交會定位技術則不能滿足要求。

然而，三點交會定位則可以擺脫由于無人機三個姿態角、光軸穩定平臺的俯仰角與方位角的測量誤差而帶來的不良影響。在無人機飛行過程中，對將要進行定位的目標實施跟蹤，跟蹤過程中對三個以上位置點進行采樣，然后對采樣后的數據進行空間交會解算，獲取目標坐標，該方法特別適合于對重點目標進行重點偵察和分析時使用，同等條件下，其定位精度高于空間兩點定位的方法。若該算法與現有的共線成像模型相結合，將極大地提高戰場目標定位精度。

3.2 空間三點交會算法

當戰場出現重要目標時，此時可設定無人機沿飛行軌跡繞戰場目標區域上空飛行，在航跡A、B、C點對關鍵目標點進行連續打三次激光，進行三次測距，構建空間立體錐形對該目標點進行精確定位。

假設戰場目標O點的坐標是（X，Y，Z），A，B，C瞬時坐標分別可由GPS測量，則定位數學模型為圖1 空間三點交會法目標定位基本原理圖

可以看出，針對重要戰場目標，無人機空間三點交會定位可以消除無人機三個姿態角、光軸穩定平臺的俯仰角與方位角的測量誤差。

3.3 戰場關鍵點定位的誤差分析

依據定位模型，影響精度的因素如下：飛機位置測量精度；激光測距設備測量精度；三次測量目標時目標中心點的偏離程度和系統誤差。系統誤差即機載GPS接收機坐標與激光測距起始點坐標的誤差［4］。

若δ為隨機誤差，則有

誤差分析計算模型為

粗差檢測模型為

4 戰場多目標差分定位

空間三點定位的思想是，通過GPS定位獲得三次或多次無人機的空中位置，通過激光戰場關鍵點目標進行三次或多次測距，求解距離方程，獲得關鍵點目標的坐標。從本質上來說，這種技術方案是一種針對戰場單目標的定位算法。當無人機獲得一楨圖像時，空間三點交會算法只能求得中心點的坐標，圖像上其它點坐標無法求得。但是如果將空間交會定位技術與現有的共線定位算法相結合，通過差分定位原理，就可以快速與準確地獲得幀圖像的任意點坐標。

4.1 差分定位原理

圖2 差分定位示意圖

如圖2所示，在無人機獲得的一幀圖像里，O是畫面中心點，A是畫面其它處任意一點；O、A點通過共線定位算法測出的坐 標 分 別 是 （xO，yO），（xA，yA），O點通過空間三點交會得出的定位算法測出的坐標是（XO，YO），由于畫面中O、A的距離真實距離為幾十米，而無人機距地面的高度為幾千米，同時，由于無人機通過同樣的共線定位算法測量O、A點的系統隨差可以認為一致。如果以O點通過空間交會算法測出的坐標（XO，YO）為模擬真值，則有

相應的，A點的修正定位值（XA，YA）可得

4.2 差分定位算法

根據差分定位原理，可以建立實際的差分定位算法。該模塊首先對無人機實拍的圖像進行幾何糾正，同時通過空間交會獲得中心O點坐標，其次該模塊依據無人機飛行過程中的遙測數據，基于電視圖像的成像模型，建立共線定位算法，通過O點差分計算求出隨差，通過隨差修正幀圖像任意點的測量值。

圖像獲得校正后隨后建立共線定位數學模型為［5］

轉變為二維定位數學模型為

通過共線定位的簡化方程測量出無人機畫面中心點O的坐標為

式中，Xs、Ys為無人機的大地坐標。

同時無人機盤旋在目標上空，通過三次測距后通過空間交會求取O點坐標，可得：

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

最后建立差分定位方程：

最后可以得到修正的圖像任意點坐標值：

5 結語

無人機在保障部隊射擊時，利用電視圖像定位技術，由于技術方面的瓶頸，其對戰場目標定位精度較低，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；空間兩點交會法，在一定程度上提高了無人機電視圖像的定位精度，但定位精度不夠高、穩定性較差，難以滿足實際使用的要求。

針對這一問題，本文研究了利用空間三點交會和戰場多目標差分技術和手段提高目標定位精度的方法。相對傳統定位方法，空間三點交會定位法擺脫了單點定位的思路，以及無人機三個姿態角、光軸穩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和現有共線定位算法結合研究，解決了空間三點交會算法只能求得中心點的坐標，圖像上其它點坐標無法求得的問題，實現了利用無人機一幀圖像信息快速與準確地進行幀圖像任意點坐標的獲得。

實踐證明，運用空間三點交會和戰場多目標差分定位技術，目標定位精度可提高10～20m，在提高無人機保障部隊精確打擊和拓展無人機適用領域方面具有重要意義。

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