靶場全地形快速觀測清場車系統(tǒng)

于國棟，王春陽，馮江海，劉曉辰，張 月，李忠琦

(中國人民解放軍63850部隊，吉林 白城 137001)

0 引言

靶場試驗時，由于要保證彈丸落區(qū)范圍內(nèi)不能有人或者牲畜，在武器射擊前，清場人員要先進入試驗區(qū)域，以保證試驗安全。目前，清場范圍是在電子地圖或者紙質(zhì)地圖上標定的，各清場人員按照標定的位置進行清場，清場后離開試驗區(qū)域等候后續(xù)命令。沒有合理的清場區(qū)域劃分和路徑規(guī)劃，指揮人員不能實時掌握清場人員的位置，也不能確定是否存在遺漏清場或重復清場的情況。另外，目前完成清場任務的車輛多為越野車，對于落區(qū)地貌復雜的區(qū)域存在諸多限制。隨著武器裝備的不斷發(fā)展，遠程武器試驗逐年增加，炮彈落區(qū)距離發(fā)射陣地較遠，清場范圍較大，導致清場過程中極易出現(xiàn)遺漏清場或重復清場的情況。如果落區(qū)道路復雜，車輛難以行駛，只能采用徒步，嚴重影響清場效率。

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展和進步，以具備復雜地貌正常行駛能力的全地形車為運載平臺[1]，搭載具備語音調(diào)度、視頻傳輸、路徑規(guī)劃、網(wǎng)絡通信功能的清場設備[2-5]和具備彈丸落點測量功能的終點測量設備[6-7]，必然會極大地提高靶場試驗效率。因此，為解決上述問題，提出一種全地形快速觀測清場車系統(tǒng)，主要用于完成復雜地貌場區(qū)的清場、找彈著點、終點坐標概略觀測等任務。

1 工作原理

全地形快速觀測清場車系統(tǒng)由全地形車子系統(tǒng)、快速清場子系統(tǒng)、終點坐標觀測子系統(tǒng)三部分組成。

全地形車主要由動力傳動系統(tǒng)、差速制動轉向系統(tǒng)和動力艙三個部分組成。用于承載清場人員及觀測、清場設備。

快速清場子系統(tǒng)由基站、車載終端、手持終端等組成。基站負責接收清場區(qū)域的圖像、清場人員的車輛軌跡及語音。車載終端集成視頻采集設備、語音輸入設備等。手持終端主要裝備給各個清場人員，集成了語音輸入模塊、視頻輸入模塊、定位模塊等。

終點坐標觀測子系統(tǒng)主要由測量攝像機、圖像無線傳輸設備、電源及數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。測量攝像機負責拍攝落區(qū)圖像，圖像無線傳輸設備負責向基站實時傳輸圖像信息，基站接收到信息后提供給數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，數(shù)據(jù)處理軟件提取相關目標信息，交會計算得出炸點的終點概略坐標。

全地形快速觀測清場車系統(tǒng)的工作模式如圖1所示。清場前，將清場子系統(tǒng)的手持終端發(fā)放給各清場人員，全地形車子系統(tǒng)搭載指揮人員和快速清場子系統(tǒng)，建立覆蓋試驗場區(qū)的網(wǎng)絡信號；劃分清場區(qū)域，并快速提取清場區(qū)域具備邊緣特性的GPS數(shù)據(jù)點[8]，車載終端通過網(wǎng)絡基站建立的網(wǎng)絡信號將GPS數(shù)據(jù)點發(fā)送至清場人員所攜帶的手持終端上；清場人員通過手持終端接收到清場區(qū)域及車輛行走路徑后，開啟導航軟件，按指定的路徑在清場區(qū)域內(nèi)完成清場任務；同時手持終端內(nèi)置的定位模塊會將清場人員行走的路徑實時回傳到指揮車，指揮員根據(jù)各清場人員回傳的路徑信息與預先劃分完成清場區(qū)域進行對比，如發(fā)生重復清場、遺漏清場的情況，則通過語音調(diào)度模塊及時進行糾正。

圖1 全地形快速觀測清場車系統(tǒng)工作模式示意圖Fig.1 Working mode of all terrain rapid observation and clearing warning vehicle system

當需要測量炮彈落點坐標時，全地形車子系統(tǒng)搭載終點觀測子系統(tǒng)，駕駛至指定位置并架設儀器，各測量點位的操作人員完成方位標定工作后，將攝像機轉向炮彈落區(qū)處，盡量保證視場能夠覆蓋既定的彈著點區(qū)域。開啟無線圖像傳輸設備，操作人員乘坐全地形車退至安全區(qū)域以外，操作人員可通過無線圖像傳輸設備回傳的視頻信息實時監(jiān)控彈著點區(qū)域。當彈丸落地爆炸后，各測量點的測量攝像機記錄各自區(qū)域內(nèi)的圖像，北斗雙模授時模塊負責各攝像機時間信息同步，測角儀記錄攝像機的高低和俯仰角度。圖像存儲器集成了相機控制模塊和存儲模塊，可遠程控制攝像機的復位和圖像采集、記錄。通過回放查找到目標點所在的圖像，通過網(wǎng)絡向各觀測點發(fā)送指令，要求將指定時間段的圖像傳送到車載終端，操作人員完成各觀測點目標信息提取和交會處理工作，計算得到彈丸落點坐標。試驗結束后，將彈丸落點的概略坐標發(fā)送至清場人員的手持終端上，通過導航軟件引導清場人員進入彈丸落區(qū)尋找彈坑。

2 清場子系統(tǒng)

清場子系統(tǒng)是以全地形車為運載平臺構建的一套具備語音調(diào)度、視頻傳輸、網(wǎng)絡覆蓋等功能的系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)的指揮中心，在執(zhí)行清場任務時，需要根據(jù)清場人員數(shù)量現(xiàn)有條件，實時、高效、合理地規(guī)劃清場人員各自負責的清場區(qū)域，避免清場區(qū)域的重復規(guī)劃和遺漏規(guī)劃；在語音調(diào)度上作為整個系統(tǒng)的處置單位，需要根據(jù)清場人員回傳的清場路徑信息，指揮人員通過語音調(diào)度功能實時調(diào)整清場人員的清場區(qū)域及清場路徑。因此，必須具備電子地圖導入、更新、顯示，清場方案規(guī)劃，標記停車點，清場路徑信息傳輸，獲取清場人員實際行走路徑，點對點、點對多點的語音調(diào)度等功能。各個清場人員的手持終端是與指揮員進行溝通的設備，也必須具有電子地圖導入、更新、顯示、導航、定位及語音通話等功能。

1) 路徑規(guī)劃和區(qū)域劃分

指揮員根據(jù)清場人員數(shù)量和道路情況合理分配工作量，在電子地圖上劃分清場區(qū)域，一些重要路口必須標記清楚，將標注好的地圖發(fā)送給各清場人員的手持終端，并做好備份。

區(qū)域特性信息提取：根據(jù)區(qū)域劃分結果提取其特征信息，特征信息主要包含劃分區(qū)域邊緣位置特征點，包括邊界點的個數(shù)和坐標等。路徑傳輸：將各清場區(qū)域優(yōu)化后的路徑位置特征點通過基站傳輸至清場人員手持終端。路徑規(guī)劃：實現(xiàn)區(qū)域邊緣位置特征點的運算生成清場人員行走路線，同時清場指揮員根據(jù)電子地圖對比手動更改行走路線，優(yōu)化清場人員行走路線使其更加合理、高效、最優(yōu)。

2) 實時導航及位置信息反饋

手持終端上有定位模塊，可以實時獲取設備的當前位置信息，并且將實際位置信息以路徑的形式標注在電子地圖上，方便查看實際行走路線。當前位置信息同時傳輸至車載終端，指揮員在電子地圖上也可以實時標注手持終端的行走路線。

3) 語音通話及視頻調(diào)度

語音通話實現(xiàn)撥打、接聽和掛斷的全過程操作，包括信令接收、建立通話、音頻解析、語音傳輸?shù)龋蓾M足用戶在不同的終端使用相同的協(xié)議進行通話。車載終端對于手持終端的視頻調(diào)度可以滿足同時打開多路窗口，按分頁的形式進行切換顯示，以達到掌握多個清場區(qū)域情況的能力。

3 試驗和結果

終點坐標觀測子系統(tǒng)的測量攝像機鏡頭存在畸變[9]，為提高測量精度，使用前需要進行相機標定。試驗使用Halcon17.2軟件[10]進行相機標定，標準Halcon標定板的尺寸為400 mm×400 mm，圖案尺寸為320 mm×320 mm,圓直徑20 mm，圓中心距為40 mm。測量攝像機的圖像分辨率為1 280×1 024，像元大小為10 μm，鏡頭焦距為16 mm。對鏡頭進行畸變校正后，將大大提高設備的測量精度。

在試驗場區(qū)對終點坐標觀測子系統(tǒng)的性能進行驗證，以獲取其炸點坐標測量精度，圖2為試驗現(xiàn)場。將測量攝像機以間隔300 m進行布設，每個測站與炸點的距離大約500 m，盡量使測站與炸點的幾何關系達到理想圖形。

圖2 炸點坐標測量現(xiàn)場Fig.2 Scene of explossion point coordinate measurement

試驗共出現(xiàn)15個炸點，均在攝像機視場范圍內(nèi)，分布隨機且均勻。測量攝像機采集了炸點出現(xiàn)時的圖像，通過文獻[11]中的計算脫靶量公式算出每個測站的角度脫靶量，再利用文獻[12-13]中的交會計算公式得出炸點的概略坐標。為了驗證炸點的測量精度，同時布設了靶場某型高精度測量經(jīng)緯儀系統(tǒng)同時對15個炸點目標進行測量，該設備的測角精度為20 s，換算到500 m測距，測量精度大約為0.1 m，其精度遠大于終點坐標觀測子系統(tǒng)，因此，可將高精度測量經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測量結果作為真值。兩個系統(tǒng)的測量結果差值作為終點坐標觀測子系統(tǒng)的誤差。15個炸點目標在三個方向上的誤差均在±4 m以內(nèi)。利用均方差公式計算得到，三個方向的誤差中誤差為，mx=±2.3 m,my=±1.9 m,mz=±0.9 m。這樣的精度指標，對于一個簡易、快速的炸點測量系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

4 結論

本文提出全地形快速觀測清場車系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于完成靶場試驗中的清場警戒、快速找彈著點、終點坐標概略觀測等任務。以全地形車底盤為運載平臺，搭載多套子系統(tǒng)，在復雜地形下提供了高機動性；構建以區(qū)域?qū)拵o線網(wǎng)絡為核心，能滿足在大范圍試驗場區(qū)內(nèi)進行數(shù)據(jù)、語音、圖像以及視頻等多媒體傳輸能力，極大地提高了清場效率；通過對測量攝像機進行了畸變矯正，提高了終點坐標概略測量的精度，當測站與炸點的距離約500 m時，炸點在三個方向上的測量誤差均能控制在±4 m以內(nèi)。