王成飛 吳鵬飛 石章松

（1.91655部隊(duì) 北京 100036）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.92925部隊(duì) 長(zhǎng)治 046000）

一種應(yīng)用于對(duì)岸火力支援的無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位技術(shù)研究?

王成飛1吳鵬飛2，3石章松2

（1.91655部隊(duì) 北京 100036）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.92925部隊(duì) 長(zhǎng)治 046000）

根據(jù)對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)需求，提出了兩種無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)樣式，介紹了無(wú)人機(jī)攜帶的光電吊艙對(duì)目標(biāo)定位所采用的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，應(yīng)用全球定位系統(tǒng)技術(shù)，獲取無(wú)人機(jī)和目標(biāo)位置信息，以及無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息，建立輔助坐標(biāo)系，構(gòu)建定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，對(duì)目標(biāo)定位過(guò)程進(jìn)行推導(dǎo)。基于蒙特卡羅方法對(duì)目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行了仿真，并對(duì)影響定位結(jié)果精度的因素進(jìn)行了分析，分析過(guò)程和結(jié)果具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用性。

火力支援；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；誤差分析；定位精度

1 引言

隨著海軍從“近海防御”到“近海防御與遠(yuǎn)海防衛(wèi)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變以及我國(guó)海外利益的不斷擴(kuò)大，由海軍水面艦艇承擔(dān)的對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)任務(wù)逐漸成為一種愈發(fā)重要的現(xiàn)實(shí)需求［1］。為實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地和近岸海面目標(biāo)的精確打擊，關(guān)鍵是獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)是火力支援的特殊形式，傳統(tǒng)火力支援作戰(zhàn)的目標(biāo)位置信息獲取是以偵查人員結(jié)合地圖與觀測(cè)器材為主的作業(yè)模式，存在探測(cè)距離近、觀察時(shí)間長(zhǎng)、信息精度低、打擊不及時(shí)等問(wèn)題，這既降低了作戰(zhàn)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性，影響整個(gè)作戰(zhàn)意圖的實(shí)施，同時(shí)還有可能造成己方裝備和人員的誤傷，而信息技術(shù)和無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展，為火力支援作戰(zhàn)目標(biāo)定位帶來(lái)了新的可能［2］。一種典型的作戰(zhàn)樣式是艦艇編隊(duì)或前沿特種分隊(duì)施放無(wú)人偵察機(jī)，無(wú)人機(jī)攜帶高精度的光電吊艙設(shè)備，探測(cè)到目標(biāo)的精確位置信息，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后將目標(biāo)位置信息通過(guò)一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給火力打擊艦艇編隊(duì)或者前沿特種分隊(duì)，隨后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確火力打擊［3］。

對(duì)于海軍對(duì)岸火力支援的研究，目前文獻(xiàn)多集中于無(wú)人機(jī)保障、新型信息化彈藥、艦炮武器發(fā)展以及作戰(zhàn)效能分析等方面。在此基礎(chǔ)上，本文以對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)為背景，探討了無(wú)人機(jī)在對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)樣式［4］，分析其光電吊艙對(duì)目標(biāo)定位流程，對(duì)其定位誤差進(jìn)行了仿真分析，指出了影響定位精度的幾方面因素，為對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中無(wú)人機(jī)的運(yùn)用提供了一些實(shí)質(zhì)性參考。

2 無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)樣式

在執(zhí)行對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中，無(wú)人機(jī)攜帶的探測(cè)設(shè)備為模塊化光電吊艙［5］，光電吊艙配置有GPS、航行姿態(tài)量測(cè)系統(tǒng)、光電吊艙等設(shè)備，其系統(tǒng)組成如圖1所示，光電吊艙把自身相對(duì)于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的姿態(tài)角、地面/海面目標(biāo)相對(duì)于無(wú)人機(jī)的激光測(cè)距值和光電吊艙的視軸位置信息等數(shù)據(jù)傳遞給無(wú)人機(jī)，飛機(jī)平臺(tái)將獲得的所有信息與GPS信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)融合，經(jīng)坐標(biāo)變換后完成目標(biāo)定位。

在對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中，被打擊的目標(biāo)既有陸地目標(biāo)也有近岸海面目標(biāo)，作戰(zhàn)環(huán)境十分復(fù)雜，根據(jù)前沿作戰(zhàn)需要，無(wú)人機(jī)既可以通過(guò)艦艇編隊(duì)施放也可以通過(guò)前沿特種分隊(duì)施放，其作戰(zhàn)樣式主要有以下兩種：

作戰(zhàn)樣式一：由艦艇編隊(duì)施放無(wú)人機(jī)并控制無(wú)人機(jī)飛行，無(wú)人機(jī)在任務(wù)區(qū)執(zhí)行偵察任務(wù)，探測(cè)到目標(biāo)后將目標(biāo)位置信息通過(guò)一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給艦艇編隊(duì)，艦艇編隊(duì)經(jīng)過(guò)任務(wù)分配后指揮火力打擊艦艇對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊，如圖2所示。

作戰(zhàn)樣式二：在前沿任務(wù)區(qū)我前沿特種分隊(duì)施放無(wú)人機(jī)并控制無(wú)人機(jī)飛行，無(wú)人機(jī)對(duì)概略目標(biāo)進(jìn)行精確偵察，探測(cè)到目標(biāo)后將目標(biāo)位置信息通過(guò)一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給前沿特種分隊(duì)，前沿特種分隊(duì)再發(fā)送給艦艇編隊(duì)，或無(wú)人機(jī)直接將目標(biāo)位置信息發(fā)送給艦艇編隊(duì)，艦艇編隊(duì)經(jīng)過(guò)任務(wù)分配后指揮火力打擊艦艇對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊，如圖3所示。

3 定位過(guò)程

3.1 輔助坐標(biāo)系

無(wú)人機(jī)利用光電吊艙對(duì)陸地/海面目標(biāo)定位涉及到的坐標(biāo)系有以下幾種［6～7］：

1）大地坐標(biāo)系C(Oc-XcYcZc)；

2）大地直角坐標(biāo)系G(Og-XgYgZg)；

3）無(wú)人機(jī)平臺(tái)地理坐標(biāo)系S(Os-XsYsZs)；

4）無(wú)人機(jī)平臺(tái)直角坐標(biāo)系A(chǔ)(Oa-XaYaZa)；

5）光電吊艙直角坐標(biāo)系B(Ob-XbYbZb)。

各坐標(biāo)系直角的轉(zhuǎn)換矩陣：

1）大地坐標(biāo)系到大地直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：其中：a為橢球的長(zhǎng)半徑，b為橢球的短半徑，e為橢球的第一偏心率，e′為橢球的第二偏心率，N為卯酉圈曲率半徑，，另外，U=arctan

2）大地直角坐標(biāo)系到無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系的變換矩陣如下［8］：

其中，αs、λs、hs是無(wú)人機(jī)大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度和大地高程。

3）無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系到無(wú)人機(jī)平臺(tái)直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

其中，φas，ψas，θas是無(wú)人機(jī)姿態(tài)角（偏航、橫滾和俯仰）。

4）無(wú)人機(jī)平臺(tái)直角坐標(biāo)系到光電吊艙直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

其中，Δθba，Δφba，Δψba是光電吊艙與無(wú)人機(jī)之間的振動(dòng)角。

3.2 目標(biāo)定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

無(wú)人機(jī)光電吊艙目標(biāo)定位過(guò)程是，已知目標(biāo)相對(duì)光電吊艙的球坐標(biāo)(α，λ，R)、無(wú)人機(jī)的大地坐標(biāo)(αs，λs，hs)、無(wú)人機(jī)偏航角和光電吊艙振動(dòng)角，求解目標(biāo)大地坐標(biāo)(B，L，H)的過(guò)程，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。

由于本文擬采用光電測(cè)量設(shè)備，所以目標(biāo)相對(duì)無(wú)人機(jī)基座的位置關(guān)系可以有兩種表示方式，如圖5所示，其一是目標(biāo)在基座坐標(biāo)系的坐標(biāo)值(xb，yb，zb)，此表示方法在齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中較為常用。其二是目標(biāo)相對(duì)基座的位置關(guān)系（方位角α，俯仰角λ，距離R），該表示方式可以通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)量設(shè)備直接得到［9］。它們代表的目標(biāo)位置實(shí)際上是一致的，但在定位計(jì)算過(guò)程中需要探討兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便進(jìn)行理論研究。

從圖中可以看出：

定位過(guò)程是在目標(biāo)相對(duì)光電載荷基座坐標(biāo)系的位置（方位角α，俯仰角λ，距離R）已知的情況下，通過(guò)齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法求解大地坐標(biāo)系坐標(biāo)值（緯度B，經(jīng)度L）的過(guò)程。如圖5所示：

第一步：求出目標(biāo)在基座坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xb， yb， zb)：

第二步：求出從基座坐標(biāo)系坐標(biāo)值到大地直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值 (xg，yg，zg)：

又因?yàn)樗兄苯亲鴺?biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣都是正交矩陣，所有正交矩陣的逆矩陣都和它的轉(zhuǎn)置矩陣相等［10］，Q1、Q2、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9均 為正交矩陣即

第三步：根據(jù)大地直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，求出 (B，L，H)：

4 定位誤差分析與仿真

4.1 誤差模型

蒙特卡羅方法是隨機(jī)模擬方法，也稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展起來(lái)的一種研究方法［11］。它利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生符合要求的隨機(jī)數(shù)來(lái)代替現(xiàn)實(shí)難以獲取的數(shù)據(jù)，從而解決所研究的問(wèn)題。

在對(duì)目標(biāo)定位誤差進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)無(wú)人機(jī)光電測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中各參數(shù)的量測(cè)值和兩側(cè)誤差，運(yùn)用蒙特卡羅法建立誤差傳遞模型：

其中，xi為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中各參數(shù)的測(cè)量值，Δxi為測(cè)量誤差。

在已知目標(biāo)相對(duì)基座的位置(α，λ，R)情況下，假設(shè)目標(biāo)大地坐標(biāo)求解過(guò)程為［12］

其中，B、L、H為目標(biāo)在大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，ΔB、ΔL、ΔH為目標(biāo)定位結(jié)果誤差，G為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程，X、ΔX表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中參數(shù)及其誤差。

機(jī)載光電吊艙目標(biāo)定位誤差與多種因素有關(guān)，考慮三維空間情況，在光電吊艙測(cè)定目標(biāo)位置（經(jīng)度、緯度、高程）時(shí)直接測(cè)定的物理量包括：通過(guò)定位導(dǎo)航類設(shè)備測(cè)定的無(wú)人機(jī)平臺(tái)在大地坐標(biāo)系下的位置（經(jīng)度、緯度、高程），無(wú)人機(jī)姿態(tài)角（俯仰角、橫滾角、偏航角）、目標(biāo)在光電平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置（方位角、俯仰角和距離），另外無(wú)人機(jī)光電吊艙安裝有減震器，應(yīng)將光電吊艙減震器的角振動(dòng)誤差也考慮進(jìn)去，上述參數(shù)共同構(gòu)成光電吊艙的定位精度指標(biāo)系統(tǒng)。由實(shí)際工作中參數(shù)模型和概率論知識(shí)可知，這些參數(shù)的誤差大都服從正態(tài)分布或近似服從正態(tài)分布。因此，假設(shè)定位計(jì)算的參數(shù)誤差ΔX分布如下式所示：

4.2 仿真程序設(shè)計(jì)

基于蒙特卡羅的無(wú)人機(jī)光電吊艙對(duì)目標(biāo)定位誤差模型仿真程序計(jì)算的具體步驟如下圖所示。

根據(jù)實(shí)際情況得到仿真程序所采用的數(shù)據(jù)如下表所示：

表1 仿真所用數(shù)據(jù)值

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Matlab仿真程序節(jié)進(jìn)行1000次計(jì)算，對(duì)加入誤差的目標(biāo)定位模型進(jìn)行仿真，分別得到陸地和海上目標(biāo)的定位誤差結(jié)果如圖7所示。

由圖7和圖8可以看出，無(wú)論海上目標(biāo)還是陸地目標(biāo)，無(wú)人機(jī)光電吊艙對(duì)目標(biāo)的定位結(jié)果呈中心分布，中心某點(diǎn)概率最大，概率向外越來(lái)越小。經(jīng)度、緯度和高度的誤差分布都近似服從μ=0的正態(tài)分布。定位誤差仿真結(jié)果如表2所示。

表2 陸地/海上目標(biāo)定位精度

應(yīng)用蒙特卡羅方法模擬誤差的隨機(jī)抽樣值，模擬出目標(biāo)定位誤差的樣本值，各個(gè)樣本相互獨(dú)立，樣本數(shù)量越多，結(jié)果就與實(shí)際結(jié)果越接近，且置信度很高［13］。采用前文無(wú)人機(jī)光電吊艙目標(biāo)定位方法對(duì)陸地/海上目標(biāo)定位時(shí)，其精度與無(wú)人機(jī)位置、無(wú)人機(jī)姿態(tài)、光電吊艙振動(dòng)角和目標(biāo)位置及其誤差有關(guān)。應(yīng)用蒙特卡羅方法對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，可以知道：1）無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度的變化對(duì)定位精度影響較小，雖然在無(wú)人機(jī)靠近南北兩極時(shí)對(duì)誤差精度影響較大，但對(duì)于對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義，故暫不考慮。無(wú)人機(jī)大地高H受到目標(biāo)與無(wú)人機(jī)距離R的影響較大；2）無(wú)人機(jī)姿態(tài)角和光電吊艙振動(dòng)角的名義值對(duì)定位精度沒(méi)有影響。3）目標(biāo)與無(wú)人機(jī)的距離R與定位誤差近似成正比的關(guān)系。4）無(wú)人機(jī)和光電吊艙姿態(tài)及量測(cè)誤差越大，目標(biāo)定位誤差越大。針對(duì)以上各參數(shù)對(duì)定位結(jié)果影響的分析，可以采取必要措施提高目標(biāo)定位精度，在對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中提高無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著海軍戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變以及我國(guó)海外利益的不斷擴(kuò)大，對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)任務(wù)成為一種愈發(fā)重要的現(xiàn)實(shí)需求，無(wú)人機(jī)在其中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。本文根據(jù)對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)需求，提出了兩種無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)樣式，介紹了無(wú)人機(jī)攜帶的光電吊艙對(duì)目標(biāo)定位方法，并基于蒙特卡羅方法對(duì)目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行了仿真，對(duì)影響定位結(jié)果精度的因素進(jìn)行了分析，針對(duì)分析結(jié)果，可以采取必要措施提高無(wú)人機(jī)定位精度，在對(duì)岸火力支援作戰(zhàn)中提高無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)效率，本文分析過(guò)程和結(jié)果具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用性。

［1］吳中紅，石章松.對(duì)岸火力支援前沿偵察系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與作戰(zhàn)樣式［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2015，36（1）：91-93.

［2］曾巍，李建軍，王宗虎.無(wú)人機(jī)保障艦炮對(duì)岸火力支援綜合效能評(píng)估研究［J］.艦船電子工程，2009，29（8）：6-9.

［3］李勇，付慶紅，田大新.陸軍精確化火力支援武器裝備體系及發(fā)展［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（增刊2）：112-116.

［4］趙偉光.信息化艦炮武器系統(tǒng)對(duì)岸作戰(zhàn)流程仿真［J］.指揮控制與仿真，2012，32（4）：79-81.

［5］甄云卉，路平.無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)與趨勢(shì)［J］.兵工自動(dòng)化，2009，28（1）：14-16.

［6］周凱，段芳芳，任強(qiáng).大地直角坐標(biāo)系到GPS坐標(biāo)系的直接轉(zhuǎn)換法研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2013，42（1）：38-41.

［7］華陽(yáng).電子偵察無(wú)人機(jī)單站無(wú)源定位研究［J］.艦船電子對(duì)抗，2009，32（2）：14-17.

［8］孫輝.機(jī)載光電平臺(tái)目標(biāo)定位與誤差分析［J］.中國(guó)光學(xué)，2013，06（6）：913-914.

［9］林旻序，喬彥峰，戴明，等.單載荷航空吊艙目標(biāo)定位方法研究［J］.紅外技術(shù)，2011，33（10）：593-597.

［10］吳艷梅，李剛，張霞.無(wú)人機(jī)載光學(xué)偵察系統(tǒng)實(shí)時(shí)目標(biāo)定位器設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2008，15（11）：47-49.

［11］王晶，高利民，姚俊峰.機(jī)載測(cè)量平臺(tái)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差分析［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（2）：388-394.

［12］朱本仁.蒙特卡洛方法引論［M］.濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2006：5-6.

［13］李英，王紹彬，葛文奇.影響光電平臺(tái)穩(wěn)定精度的因素分析［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（1）：4-7.

A Research on Target Positioning Technology by UAV for Shore Fire Support Combat

WANG Chengfei1WU Pengfei2，3SHI Zhangsong2
（1.No.91655 Troops of PLA，Beijing 100036）（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（3.No.92925 Troops of PLA，Changzhi 046000）

According to the demand of shore fire support combat，two kinds of UAV combat styles are put forward，the homo?geneous coordinate transformation method is introduced for the photovoltaic pod carried by UAV.Global positioning system technolo?gy is applied to get location information of UAV and target as well as UAV attitude information.The coordinate system and transfor?mation equation are extablished，the target position process is derived，the position results is simulated based on Monte Carlo meth?od，and the factors influenced the accuracy of position results are analyzed.The analysis process and result have certain reference value and practicality.

fire support，coordinate transformation，error analysis，position accuracy

TP249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.013

Class Number TP249

2017年5月11日，

2017年6月21日

海軍裝備預(yù)研項(xiàng)目（編號(hào)：3020801010105）資助。

王成飛，男，工程師，研究方向：指揮信息系統(tǒng)技術(shù)。吳鵬飛，男，博士研究生，研究方向：指揮控制與優(yōu)化決策。石章松，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：指揮控制與優(yōu)化決策。