基于北斗的無人機快速跟蹤系統設計

盤海玲　桂林長海發展有限責任公司　廣西桂林　541004

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基于北斗的無人機快速跟蹤系統設計

盤海玲桂林長海發展有限責任公司廣西桂林541004

【文章摘要】

無人機快速跟蹤系統在實際應用中存在較多的技術難題等待解決，本文引入北斗導航系統，解決其相關技術瓶頸，實現各類復雜場景下的實時跟蹤，并完善目前無人機快速跟蹤系統的兩個應用，提出了接力跟蹤協同系統的新概念，并總結了其幾個技術難點和解決方式。

【關鍵詞】

北斗；無人機；快速跟蹤系統；接力跟蹤協同系統。

0　引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機以其體積小、重量輕、機動性好、飛行時間長和便于隱蔽的特點，在現代戰爭中正發揮著越來越大的作用。自動跟蹤系統是連續跟蹤并測量運動目標軌跡參數的系統。自動跟蹤系統的目標是以一定速度和加速度運動的車輛、艦船、飛機、導彈和人造衛星等。自動跟蹤系統可提供運動目標的空間定位、姿態、結構行為和性能，是運動目標的多功能和高精度的跟蹤和測量手段。中國北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。

由此可見利用北斗對于無人機進行快速跟蹤的戰略意義重大，相關研究也比較熱門，我們下面將對系統組成和技術難點展開論述。

1　系統設計方案

基于北斗的無人機快速跟蹤系統設計的建設目標在于維護國家安全的大背景下利用北斗的全天候導航優勢解除目前市面上視頻跟蹤的劣勢以解決相應的技術瓶頸，實現全天候精準快速目標跟蹤。

系統由以下三個子系統組成: （1）北斗導航系統，（2）快速跟蹤系統，（3）接力跟蹤協同系統。下面分別闡述。

（1）北斗導航系統，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。在無人機上裝備北斗導航系統，可以實現在多霧、夜晚、跨區域等復雜場景下的實時地理位置坐標的獲得。

（2）快速跟蹤系統，由位置傳感器、信號處理系統、伺服系統和跟蹤架等部分組成。自動跟蹤系統依據傳感器不同分類：利用電磁波特性的，稱為無線電跟蹤系統;利用光波特性的，稱為光學（光電）跟蹤系統。跟蹤系統應用在無人機上分為跟蹤無人機和裝備在無人機上跟蹤其他物體。

（3）接力跟蹤協同系統，在實際的應用中我們發現無人機由于飛行速度快，體積小，在一些視頻監控跟蹤的過程中很容易跟丟，雖然在系統中能獲得的北斗的相關信息，但是由于跟蹤系統本身的物理技術特性無法實現，這就萌生接力跟蹤協調系統的開發需求。接力跟蹤協調系統的研發核心在于如何接力上，具體實現可以在電子地圖執行，依據已經完成電子地圖布點的快速跟蹤系統在北斗的引導下，進行任務分配，完成跟蹤協同。

三個子系統的協同應用是由接力跟蹤協同系統作為通訊平臺，北斗導航系統與快速跟蹤系統均推送相關數據匯總，再由指揮中心執行相應指令來獲得相應的結果。

2　系統設計中幾大技術難點及解決方式

基于北斗導航技術無人機的快速跟蹤研究由于北斗的技術成熟本文不再累述，其應用方式其主要區別是應用載體的不同，但是對于識別和跟蹤接力北斗將實現不可替代的作用。而目前的技術難點主要基于兩大應用方向即跟蹤無人機和無人機載跟蹤系統，這兩大應用場景的不同也衍生出不同的技術難點，其主要解決方式下面分別給以論述：

2.1快速跟蹤無人機：

（1）小像素點的跟蹤。由于無人機目標小的特性，在地面或者其他飛行器上配備跟蹤系統跟蹤無人機會發現存在像素小不易跟蹤，我們知道對于一般視頻中的目標，有非常明顯的特征或邊界，然而對于無人機視頻中的一些點目標來說，僅僅由一些像素組成，大小跟噪聲非常相似，因此檢測跟蹤一個小目標將比較困難，這是因為大多數的算法是在理想的條件下進行的，如相機靜止、圖像質量很好、目標非常清晰、目標移動緩慢和簡單的背景等。但是無人機移動速度快，視頻中的目標也可能移動很快。因此，無人機視頻中目標的分辨率比較低，背景比較復雜，給視頻處理帶來了一定的困難。

針對小目標實時高精度檢測跟蹤問題，有學者提出一種基于正負正則化LOG算子的尺度自適應小目標實時高精度檢測跟蹤方法。相關實驗顯示,新方法在實時性、尺度 自適應性、檢測準確性以及抗噪聲性上均有較好的表現。

（2）復雜背景的目標抽取。無人機目標在復雜背景中運動時，變化的背景會在一定程度上影響跟蹤算法的穩定性和可靠性，所以應盡量抑制背景。對于目標跟蹤而言,目標中和背景差異大的區域對于跟蹤的有效性、穩定性貢獻較大。相關研究權值計算方法有效地抑制了背景，并且權值計算結果符合人類直觀感受，在實際應用中有較好的效果。

2.2無人機載快速跟蹤系統

無人機載跟蹤系統，也可以理解為機載移動目標實時圖像跟蹤系統，目前要實現的功能要求還缺乏高效的計算方法來支撐，這是因為本身無人機在運動狀態，去跟蹤運動的物體，顯示的視頻源將會受到較大的干擾，根據空對空跟蹤和空對地跟蹤的不同，無人機平臺獲取的視頻圖像需要進行運動補償預處理、運動目標的檢測、精確輪廓的提取和跟蹤四個方面進行分析研判工作。

其他方面，針對無人機拍攝平臺獲取的原始視頻受運動干擾較大、像機自身存在運動情況下對運動目標進行檢測跟蹤問題,常用的一類算法是先消除像機自身運動,然后再對目標進行檢測跟蹤。針對像機運動消除問題有學者提出了一種基于Gabor特征描述的像機自運動消除方法。相關研究表明，新算法可以有效地消除像機自身運動,檢測出和像機存在相對運動的目標。

3　技術展望

無人機在許多領域具有廣泛的應用前景，如軍事、民用、科學研究等。而光學跟蹤系統結構簡單可靠、成本低、功耗少、體積小和重量輕、隱蔽性好、角分辨率高和抗干擾性好;缺點是受大氣影響大，不能全天候工作。利用北斗技術實現的無人機快速跟蹤行業應用，是無人機真正的剛需，相信會發揮巨大的社會效益。

【參考文獻】

[1]譚熊，余旭初，劉景正，黃偉杰、 基于無人機視頻的運動目標快速跟蹤 《測繪通報》 2011

[2]張恒無人機平臺運動目標檢測與跟蹤及其視覺輔助著陸系統研究，國防科學技術大學 博士論文, 2008

[3]李勝勇基于超小型無人機的地面運動目標跟蹤研究南京理工大學碩士論文2014