姚 新

（解放軍炮兵學(xué)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(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)自主研制并裝備的無人機在戰(zhàn)場預(yù)先偵察、戰(zhàn)場實時監(jiān)控、戰(zhàn)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(guī)炮兵進(jìn)行目標(biāo)偵察定位和射擊偏差校正。多年來，我國無人機研究機構(gòu)和使用部門主要致力于飛行器、發(fā)動機、無線鏈路、任務(wù)載荷等方面的研究并取得了極大的成果，無人機作戰(zhàn)使用尤其是目標(biāo)偵察定位的研究則相對滯后，并不能完全滿足作戰(zhàn)需求，還需要進(jìn)行深入研究［1］。

隨著遙感對地觀測技術(shù)及激光技術(shù)的發(fā)展，伴隨著無人機姿態(tài)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(shè)備和成像系統(tǒng)的同軸實現(xiàn)等技術(shù)為無人機空間交會定位提供了硬件基礎(chǔ)，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(shù)

2.1 系統(tǒng)概述

無人機電視圖像定位系統(tǒng)是指無人機通過CCD攝像機對戰(zhàn)場目標(biāo)實時偵察、實時定位、打擊評估的設(shè)備。系統(tǒng)由裝有面陣CCD電視攝像機的光軸穩(wěn)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(shè)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(biāo)，然后通過CCD攝像機拍攝戰(zhàn)場目標(biāo)，根據(jù)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(tài)角、光軸穩(wěn)定平臺的方位角與俯仰角、飛機的高度等參數(shù)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，最后通過定位校射計算機計算出目標(biāo)的坐標(biāo)。

從無人機定位算法邏輯來看，整個系統(tǒng)設(shè)備可分為三部分，第一部分是無人機獲得自身目標(biāo)的導(dǎo)航傳感器，這類傳感器包括地面無線電測距測角導(dǎo)航傳感器、GPS導(dǎo)航傳感器、天文導(dǎo)航傳感器、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航傳感器、慣性導(dǎo)航傳感器、GPS／GLONASS復(fù)合導(dǎo)航傳感器等等。

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

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

2.2 系統(tǒng)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(xiàn)為：

1）目標(biāo)定位過程局限明顯。無人機現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在目標(biāo)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(wù)效率上來說不可取、從安全性上看在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)場上幾乎不可能。

2）對多目標(biāo)連續(xù)定位能力不足。偵察無人機系統(tǒng)是針對執(zhí)行單目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計的，完成的定位校射任務(wù)大多數(shù)情況下也都是對單目標(biāo)進(jìn)行的。特殊情況下需要完成多個目標(biāo)的定位校射任務(wù)時，一般也是采用以連續(xù)完成多個單目標(biāo)定位校射任務(wù)的簡單累加，耗時一般比較長，效率較低，風(fēng)險大。

3）定位精度不高。雖然國內(nèi)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(shù)方案?，F(xiàn)有的共線定位方法，定位精度遠(yuǎn)不能滿足地面炮兵部隊的要求。

由上可以看出，現(xiàn)有無人機目標(biāo)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(fù)雜戰(zhàn)場上生存能力面臨巨大挑戰(zhàn)。

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(chǔ)上增加第2點測量點，構(gòu)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(zhàn)場生存能力的同時大大提高了定位精度。實際作戰(zhàn)中，往往需要對某一單個目標(biāo)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(yīng)在目標(biāo)一側(cè)（無人機在地面上投影據(jù)目標(biāo)1～2km）遠(yuǎn)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(biāo)進(jìn)行相關(guān)測量，構(gòu)建空間三角形并最終確定目標(biāo)位置。該方法在保證定位精度的前提下提高了無人機戰(zhàn)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(xù)了單點定位的思路，需要五個姿態(tài)角的空間轉(zhuǎn)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(shè)備測量精度；

3）兩次測量目標(biāo)時目標(biāo)中心點的偏離程度；

4）飛機姿態(tài)參數(shù)測量精度；

5）轉(zhuǎn)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(tài)角的測量精度。飛機位置測量精度取決于機載定位設(shè)備的測量精度。在實際試驗中，假設(shè)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(biāo)時目標(biāo)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(zhàn)需求。同時，空間兩點交會定位從本質(zhì)上來說是針對戰(zhàn)場一個地面目標(biāo)點定位的算法，當(dāng)?shù)孛娌筷犘枰麄€戰(zhàn)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(shù)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(tài)角、光軸穩(wěn)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(jìn)行定位的目標(biāo)實施跟蹤，跟蹤過程中對三個以上位置點進(jìn)行采樣，然后對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間交會解算，獲取目標(biāo)坐標(biāo)，該方法特別適合于對重點目標(biāo)進(jìn)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(xiàn)有的共線成像模型相結(jié)合，將極大地提高戰(zhàn)場目標(biāo)定位精度。

3.2 空間三點交會算法

當(dāng)戰(zhàn)場出現(xiàn)重要目標(biāo)時，此時可設(shè)定無人機沿飛行軌跡繞戰(zhàn)場目標(biāo)區(qū)域上空飛行，在航跡A、B、C點對關(guān)鍵目標(biāo)點進(jìn)行連續(xù)打三次激光，進(jìn)行三次測距，構(gòu)建空間立體錐形對該目標(biāo)點進(jìn)行精確定位。

假設(shè)戰(zhàn)場目標(biāo)O點的坐標(biāo)是（X，Y，Z），A，B，C瞬時坐標(biāo)分別可由GPS測量，則定位數(shù)學(xué)模型為圖1 空間三點交會法目標(biāo)定位基本原理圖

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

3.3 戰(zhàn)場關(guān)鍵點定位的誤差分析

依據(jù)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(shè)備測量精度；三次測量目標(biāo)時目標(biāo)中心點的偏離程度和系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差即機載GPS接收機坐標(biāo)與激光測距起始點坐標(biāo)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(zhàn)場多目標(biāo)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(zhàn)場關(guān)鍵點目標(biāo)進(jìn)行三次或多次測距，求解距離方程，獲得關(guān)鍵點目標(biāo)的坐標(biāo)。從本質(zhì)上來說，這種技術(shù)方案是一種針對戰(zhàn)場單目標(biāo)的定位算法。當(dāng)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(biāo)，圖像上其它點坐標(biāo)無法求得。但是如果將空間交會定位技術(shù)與現(xiàn)有的共線定位算法相結(jié)合，通過差分定位原理，就可以快速與準(zhǔn)確地獲得幀圖像的任意點坐標(biāo)。

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(biāo) 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(biāo)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(tǒng)隨差可以認(rèn)為一致。如果以O(shè)點通過空間交會算法測出的坐標(biāo)（XO，YO）為模擬真值，則有

相應(yīng)的，A點的修正定位值（XA，YA）可得

4.2 差分定位算法

根據(jù)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(jìn)行幾何糾正，同時通過空間交會獲得中心O點坐標(biāo)，其次該模塊依據(jù)無人機飛行過程中的遙測數(shù)據(jù)，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(shù)學(xué)模型為［5］

轉(zhuǎn)變?yōu)槎S定位數(shù)學(xué)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(biāo)為

式中，Xs、Ys為無人機的大地坐標(biāo)。

同時無人機盤旋在目標(biāo)上空，通過三次測距后通過空間交會求取O點坐標(biāo)，可得：

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

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(biāo)值：

5 結(jié)語

無人機在保障部隊射擊時，利用電視圖像定位技術(shù)，由于技術(shù)方面的瓶頸，其對戰(zhàn)場目標(biāo)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(wěn)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(zhàn)場多目標(biāo)差分技術(shù)和手段提高目標(biāo)定位精度的方法。相對傳統(tǒng)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(tài)角、光軸穩(wěn)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(shù)和現(xiàn)有共線定位算法結(jié)合研究，解決了空間三點交會算法只能求得中心點的坐標(biāo)，圖像上其它點坐標(biāo)無法求得的問題，實現(xiàn)了利用無人機一幀圖像信息快速與準(zhǔn)確地進(jìn)行幀圖像任意點坐標(biāo)的獲得。

實踐證明，運用空間三點交會和戰(zhàn)場多目標(biāo)差分定位技術(shù)，目標(biāo)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(lǐng)域方面具有重要意義。

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