基于NIIRS的無人偵察機航跡規劃研究*

張紅順 陸松巖 谷 峰

(空軍航空大學 長春 130022)

基于NIIRS的無人偵察機航跡規劃研究*

張紅順 陸松巖 谷 峰

(空軍航空大學 長春 130022)

論文針對無人偵察機區域偵察航跡規劃,闡述了無人偵察機的偵察任務與規劃需求,通過圖像質量方程分析了航跡規劃過程中可調控的影響圖像質量的參數,并對偵察方案的確立進行了探討。

無人偵察機; 航跡規劃; 圖像解譯等級; 圖像質量; 地面采樣距離

Class Number V279

1 引言

當無人機在偵察區域執行偵察任務時,無人機作為傳感器的偵察平臺,其飛行航線與傳感器工作計劃密切相關。另一方面,無人偵察機在執行偵察任務之前,僅知道待偵察區域的地理位置信息和邊界信息,對區域內目標的具體位置和敵方威脅情況不完全明確[1]。因此,如何規劃無人機在偵察成像過程中的航跡以保證獲取高質量的偵察圖像,進而確定符合任務需求的偵察方案是十分重要的一個問題。

針對無人偵察機航跡規劃,目前國內外展開了較為廣泛的研究。普遍的方法是將對圖像質量的預估作為衡量無人偵察機航跡質量的一個要素,如文獻[2]引入圖像質量方程預估偵察目標的圖像質量,在此基礎上建立了以航線長度、圖像質量和威脅為評價目標的預先全局航線規劃模型,文獻[3]用圖像質量方程預測各個偵察目標的圖像質量,以所有目標圖像質量的加權之和最大和總路徑長度最小為目標,在傳感器觀察范圍、飛機機動和對目標圖像質量要求以及威脅等多約束條件下進行多目標尋優確定偵察航跡點。此類方法偏重于航跡規劃,對于航跡規劃與偵察任務的對接、用戶需求則考慮比較少,難以在復雜且時刻變化的戰場環境給出最優的偵察方案。

本文通過圖像質量標準NIIRS和通用圖像質量方程GIQE,建立起圖像質量主觀評價與定量參數分析之間的關系,確定偵察方案,使航跡規劃參數轉化為用戶對任務的需求方案。給定一組用戶任務需求,可以與遙感圖像質量聯系起來,進而指導無人偵察機執行偵察任務中的航跡規劃;反過來,通過航跡規劃參數,結合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。

2 航跡規劃

飛行器航跡規劃就是在航空兵作戰任務規劃中,依據敵情我情和戰場條件,為保障飛行器安全高效完成作戰任務,在提供導航保障、氣象保障的基礎上,完成飛行器航跡及空域活動的規劃過程。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施捕獲和摧毀的概率,又要降低墜毀的概率,同時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引起其它因素的變化,因此在航跡規劃過程中需要協調多種因素之間的關系。即航跡規劃是復雜約束條件下的最優化問題。具體來說,飛行器航跡規劃主要考慮安全準則、飛行器性能準則、氣象準則、導航保障準則、油耗最小準則、空域活動準則和戰術要求等準則。

3 圖像質量預測模型

目前,圖像質量預測模型主要分為基于圖像的模型和基于參數的模型兩大類[4]。基于圖像的預測模型必須要求以圖像作為輸入才能對質量進行評價;基于參數的預測模型只需要偵察成像系統的部分參數和成像過程中的一些幾何參數,就可以對成像質量進行預測。在實際應用中,基于參數的圖像質量預測模型,可以在偵察成像之前通過仿真計算得到偵察圖像的質量等級,從而提前對成像過程進行規劃,設置最佳的系統參數,具有很強的實用意義。GIQE就是一種基于系統參數與工作參數的圖像質量預測模型。在本文的研究過程中,選用了目前偵察情報界常用的主觀評價標準NIIRS對偵察圖像質量進行評價和指導無人偵察機航跡規劃,根據偵察環境給出偵察方案。

3.1 圖像解譯等級NIIRS

美軍提出的NIIRS(National Image Interpretation Rating Scales)是一種主觀圖像質量評價標準,將用戶的任務需求同偵察圖像質量聯系了起來,是目前西方情報機構廣為使用的一種圖像質量標準[5～6]。美國的高空長航時無人偵察機“全球鷹”在開發過程中,機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的圖像質量,在實際中也得到廣泛的應用。美國空中防衛偵察辦公室指定以NIIRS的形式來描述“全球鷹”與“捕食者”無人偵察機傳感器系統的性能。在偵察任務過程中,如何根據己知的信息預估偵察目標的NIIRS值,對于無人偵察機的航跡規劃來說具有重要的意義。

NIIRS作為一種主觀的圖像質量評價標準,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系、具有可預測模型等特點。NIIRS的優勢在于具有很好的可預測性,通用圖像質量方程General Image Quality Equation(GIQE)就是以NIIRS為標準的圖像質量預測模型。NIIRS在制定各級圖像質量等級時,充分考慮了各方面的需求,在每個等級提供的描述中包括了陸軍、空軍、導彈部隊和民用設施中的典型代表,因此,適合在實際中廣泛應用。

3.2 通用圖像質量方程GIQE

NIIRS能夠很好地表達偵察任務的需求,如何在已知偵察傳感器和目標大致信息的情況下,對偵察圖像的NIIRS進行預測是非常有意義的。通用圖像質量方程GIQE可以根據指定的參數對偵察圖像的NIIRS進行預測,從而在規劃過程中有效指導相關參數的設定。

通用圖像質量方程GIQE由U.S. Government’s Imagery Resolution Assessment and Reporting Standards Committee(IRARS)主持開發。GIQE早在二十世紀八十年代就已經提出,但是一直到了1994年才在無人機的傳感器開發領域得以正式應用。“捕食者”和“全球鷹”的偵察傳感器都是以NIIRS作為性能指標[7]。在開發和研制傳感器的過程中,需要有相應的方法預測傳感器在特定工作環境下所獲取偵察圖像的質量,而GIQE正是預測在特定條件下傳感器工作狀態的有力模型。

圖1 GIQE概念模型

最初的GIQE是針對可見光傳感器開發的,主要根據地面分辨率GSD、邊緣銳度和信噪比來預測最終傳感器獲取圖像的NIIRS等級。GIQE概念模型如圖1所示。

IRARS分別針對光電傳感器和紅外傳感器開發了不同的圖像質量預測方程,預測傳感器在不同環境下所獲取圖像的質量等級NIIRS,方程(1)和方程(2)分別對應于光電傳感器與紅外傳感器的通用圖像質量方程[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為規范化相對邊緣響應的幾何平均值;HGM為調制傳遞函數補償MTFC導致的超調幾何平均高度;G是由于MTFC導致的噪聲增益;SNR為信噪比。

GSD項和SNR項主要體現了目標的幾何特征(外表、尺寸、對比度)對成像質量的影響;SNR項主要體現大氣狀態的影響;MTFC項反映了圖像處理過程對最終圖像質量的影響。

GIQE中涉及到的各個參數GSDGM、RERGM、HGM、G和SNR的完整計算涉及到復雜的物理測試過程,與傳感器的具體物理參數密切相關,本文在此不做深入研究,相關的討論參考文獻[4]。

GIQE中共有GSDGM、RERGM、HGM、G和SNR等五個因素,針對利用GIQE對傳感器成像過程中的可變參數進行合理規劃。由文獻[7]和文獻[9]可知,當GSDGM、RERGM、HGM、G/SNR等各因素在自身合理取值范圍內變化時,NIIRS的變化范圍差異較大。在單獨考慮各自影響時,GSDGM和RERGM對NIIRS的影響比較大。其中,RERGM與傳感器的物理參數有關,在偵察過程中不可變;而GSDGM與傳感器焦距、無人偵察機飛行高度和偵察成像水平距離等可變因素有關,對圖像質量的變化具有主導性作用。因此,本節進一步針對與GSDGM關聯的具體成像因素進行分析,以便在執行偵察任務過程中,根據給定的NIIRS值對相關因素進行規劃。

根據4.0版GIQE標準有[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和傳感器連線的夾角,如圖2所示。

根據圖2三角關系,可知cosθ=H/R,代入式(5),得

(6)

GSD在垂直于視線的探測器陣列的x軸和y軸上測量,二位地面GSDGM是沿x軸和y軸上兩個測量的GSDx、GSDy的幾何平均值,設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、無人機飛行高度和偵察成像水平距離所決定,這些因素是無人機在執行偵察任務過程中對應于實際物理量的可操作參數,因此對傳感器計劃的制定具有重要意義。

4 影響成像質量因素分析

無人偵察機執行偵察任務的最終結果是獲取符合用戶需求的圖像,在上文中通過對NIIRS分析得出:在航跡規劃過程中,需要考慮傳感器焦距、無人機飛行高度和偵察成像水平距離等可操作參數。另一方面,無人偵察機面對的主要威脅來自雷達探測和防空火力威脅,需要提升偵察高度和進行機動偵察[10]。這就需要平衡安全性和偵察距離之間的關系。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,包含三個不同量綱參數,偵察高度H,成像距離L,安全系數S,圖像質量等級QNIIRS。方案可表述為在高度為H,成像距離為S的成像條件下,安全系數為S,能夠達到的圖像質量等級為QNIIRS。

5 結語

本文針對無人偵察機區域偵察航跡規劃,利用圖像質量標準NIIRS和通用質量方程GIQE,分析了航跡規劃過程中可調控的影響圖像質量的參數,并針對用戶需求提出偵察方案,較好反映了用戶對圖像需求和感知水平。

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[10] 鄭金華.無人機戰術運用初探[M].北京:軍事誼文出版社,2006:47-51.

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:無人偵察機航跡規劃。

V279

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.012