一種基于多點觀測的無人機目標定位方法

王春龍，馬傳焱 ，時荔蕙 ，郝博雅 ，周　洲

(1.西北工業大學無人機特種技術重點實驗室，陜西 西安 710065;

2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012)

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一種基于多點觀測的無人機目標定位方法

王春龍1,2，馬傳焱2，時荔蕙2，郝博雅2，周洲1

(1.西北工業大學無人機特種技術重點實驗室，陜西 西安 710065;

2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012)

摘要隨著無人機技術發展，無人機應用越來越廣泛，目前已被應用于偵察監視、搶險救災和目標打擊等領域。對地目標精確定位是軍用無人機重要功能之一，提出了一種基于多點觀測的無人機對地目標定位方法。該方法定位精度高、適用范圍廣，不需要搭載光電偵察平臺，無需進行激光測距，有效地保證了無人機自身安全，也降低了測量設備的成本，豐富了無人機目標定位理論方法。

關鍵詞無人機;目標定位;多點觀測;最小二乘估計

A UAV Target Location Method Based on Multi-point Observation

WANG Chun-long1,2,MA Chuan-yan2,SHI Li-hui2,HAO Bo-ya2,ZHOU Zhou1

(1.ScienceandTechnologyonUAVLaboratory,NorthwesternPolytechnicUniversity,Xi’anShaanxi710065，China;2.Unit63961,PLA,Beijing100012,China)

AbstractWith development of UAV technology, UAV has been widely used for reconnaissance, rescue, targets strike and other purposes.The ground target precise locate function is very important for some military UAV systems.This paper proposes a new method for UAV target location based on multi-point observation.The method has high accuracy and extensive application without using photoelectric reconnaissance platform and laser ranging.This method can reduce the cost of measuring equipment and ensure the safety of UAV.It enriches the theory of UAV target location technology.

Key wordsUAV;target location;multi-point observation;least square estimation

0引言

無人機具有體積小、造價低、使用方便和對環境要求低等優點，已被廣泛應用于偵察監視、搶險救災和目標打擊等領域[1-3]。其中，對地目標精確定位是軍用無人機重要功能之一，在陸軍精確打擊體系中發揮重要作用[4]，是無人機研究領域的熱點。

文獻[5]提出空間兩點交會定位方法，利用自身位置及姿態信息構建空間三角形，定位精度提高至60 m；文獻[6]建立空間三點交會定位模型，與共線定位算法相結合，通過差分定位原理，達到快速與準確獲得任意點坐標的目的；文獻[7]提出一種不依賴于數字高程模型(DEM)及像片內外方位元素的測量值的無人機對地定位方法,該方法根據非共線位置拍攝的多幀圖像及其至少3個可識別同名像點坐標迭代計算攝像機姿態角和焦距的精確值，然后利用多攝站前方交會法求取地面目標的三維坐標，定位誤差減小到l0 m。文獻[8]給出一種基于姿態測量/激光測距的目標定位模型，精度滿足艦炮對岸射擊的需要；文獻[9]提出“逆速高比補償測高法”獲得相對高度數據，在不增加硬件設備的情況下實現無激光測距儀的小型無人機光電偵察平臺目標快速定位實時解算；文獻[10]提出基于測向交叉定位方法的多無人機協同定位誤差模型和多機數據融合優選函數；文獻[11]對照相偵察定位、電視偵察定位和激光測距定位3種無人機目標定位方法進行了比較分析。

以上方法中，無人機有源定位以基于姿態測量/激光測距定位模型為主，精度較高，但需要裝備光電偵察平臺以完成目標跟蹤、激光測距等功能，成本大，且不利于無人機自身的隱蔽。無人機無源定位需要獲取載體高程、攝像機焦距和攝像機外方位元素等參數，利用共線條件方程計算地面目標與載體的相對位置，一般需要假定待測目標區域為平坦地面[12]，目標定位精度較低。

1無人機兩點觀測目標定位原理

本目標定位方法所需硬件設備主要由標校過的攝像機和云臺組成，采用吊艙式結構安裝。在目標定位過程中，偵察視頻和遙測信息經數據鏈傳輸至地面站顯示，操縱手通過操縱桿及其他指令控制攝像系統搜索偵察目標，當感興趣的目標出現在畫面上時，通過對目標同名點的多次拍攝，結合飛機的姿態測量數據、衛星接收機位置信息、攝像機云臺方位角和高低角等數據，通過一系列的計算，獲取目標的三維坐標，完成定位過程。

無人機兩點觀測目標定位原理圖如圖1所示，設無人機在點C1和C2處對地面目標點P攝影，獲得一個立體相對，地面目標點P在左右相片上的像點為p1和p2，同名射線C1p1和C2p2相交于地面目標點P。

圖1　無人機兩點觀測目標定位原理

根據中心透視投影成像關系，圖1所示關系滿足共線條件方程如下：

(1)

根據中心透視投影成像關系，可以推導出C1和C2的成像共線方程分別為：

(2)

(3)

式中，(xi,yi),i=1,2為P點實際成像點坐標；(Fx,Fy)為等效焦距；(Cx,Cy)為像主點坐標； (XCi,YCi,ZCi),i=1,2為P點在Ci攝站攝像機坐標系下的坐標。

根據攝像機坐標系與世界坐標系的相對位姿關系，可得

(4)

式中，(X,Y,Z)為目標點在世界坐標系中的坐標；r0~r8為世界坐標系與攝像機坐標系姿態一致而需要的旋轉矩陣分量；Tx，Ty，Tz代表將世界坐標系原點移到攝像機坐標系原點的平移量。

在無人機目標定位過程中，以第1個測量點的地理坐標系作為世界坐標系，則第1次測量點Tx=Ty=Tz=0，第2個測量點的Tx，Ty，Tz的值可以通過衛星定位接收機2次定位差值計算出。通過慣性測量單元和攝像云臺，獲取飛機偏航角φ、俯仰角γ、橫滾角θ以及攝像機的方位角α和高低角β，可得

(5)

式中的矩陣轉換參數如下所示：

，

。

聯立方程式(2)、式(3)、式(4)和式(5)，解出目標點P的坐標(X,Y,Z)。

2無人機多點觀測目標定位模型

由于攝像測量系統的物距遠大于焦距。攝像機參數或者像點提取結果誤差引起的成像光線方位的微小偏差，會帶來明顯放大的空間點定位結果誤差，所以兩點觀測目標定位方法對各種噪聲很敏感，并不能真正實現高精度定位。無人機多點觀測目標定位模型采用同名目標點多次測量、SAD算法同名點提取、加權最小二乘估計最優求解等方法提高對地目標的定位精度和魯棒性。

如圖2所示，無人機在預定航跡的飛行過程中，對目標點進行n(n>3)次攝像，獲取n張圖像。

圖2　無人機多點觀測目標定位

根據共線方程有

Z=H(S)。

(6)

將式(5)在初值處進行一階泰勒展開，可得

Z=H(S0)+B·(S-S0)+Δn。

(7)

式中,

令

U=Z-H(S0)，

(8)

V=S-S0。

(9)

結合式(7)、式(8)和式(9)得：

U=BV+Δn。

(10)

根據最小二乘估計，可得

(11)

無人機進行目標定位過程中，在各個測量點，飛機的姿態、飛行高度、攝像機的方位角和高低角都不同，這種情況下，即使使用的是同一個攝像機，但是由于攝像機外參數不同，導致各測量點目標定位精度不同，對誤差的貢獻也不一樣。因此，引入加權最小二乘估計。

令R-1為加權矩陣，且

(12)

則有

(13)

根據式(9)和式(13)得：

(14)

加權矩陣的估計較為困難，通常選擇對角線矩陣或更簡單的單位矩陣，有研究表明，盡管選擇的權矩陣有誤差，但對未知參數的加權最小二乘估計依然是無偏估計。采用了一種方便、科學的方法來獲取權矩陣，在實用中取得良好的效果。其核心思想為：對于引起誤差較大的測量點，給予較小的權值，誤差較小的測量點，給予較大的權值，從而可加大較好的測量點的“貢獻”，改善最小二乘估計的精度。在目標定位過程中，測量點距離目標點越遠，定位精度越差，而測量點與目標點的距離由測量點的高程和測量點攝像機光軸指向角共同決定，符合基本的三角關系。由此可得：

(15)

式中，σ為權矩陣中的元素；ε為攝像機光軸指向角；H為測量點高程。

3結束語

本文提出的無人機目標定位方法是一種僅依賴于攝像機的實時連續定位方法，也可與單點光電平臺測角/激光測距、兩點空間交會和三點空間交會等有源目標定位方法結合使用，通過數據融合，提高對地目標定位的準確性和實時性，如應用在無人直升機中，也可通過多點懸停、多次測量提高測量精度，具有廣泛的應用前景。

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王春龍男，(1979—),博士。主要研究方向：無人機技術論證與管理研究。

馬傳焱男，(1972—),博士。主要研究方向：飛行器測控與導航技術研究。

作者簡介

中圖分類號TP302

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0048-04

收稿日期：2015-11-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.12

引用格式：王春龍，馬傳焱， 時荔蕙，等.一種基于多點觀測的無人機目標定位方法[J].無線電工程,2016,46(2):48-51.