于國(guó)棟，王春陽(yáng)，馮江海，劉曉辰，張 月，李忠琦

(中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì)，吉林 白城 137001)

0 引言

靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，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(chǎng)人員要先進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域，以保證試驗(yàn)安全。目前，清場(chǎng)范圍是在電子地圖或者紙質(zhì)地圖上標(biāo)定的，各清場(chǎng)人員按照標(biāo)定的位置進(jìn)行清場(chǎng)，清場(chǎng)后離開試驗(yàn)區(qū)域等候后續(xù)命令。沒有合理的清場(chǎng)區(qū)域劃分和路徑規(guī)劃，指揮人員不能實(shí)時(shí)掌握清場(chǎng)人員的位置，也不能確定是否存在遺漏清場(chǎng)或重復(fù)清場(chǎng)的情況。另外，目前完成清場(chǎng)任務(wù)的車輛多為越野車，對(duì)于落區(qū)地貌復(fù)雜的區(qū)域存在諸多限制。隨著武器裝備的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程武器試驗(yàn)逐年增加，炮彈落區(qū)距離發(fā)射陣地較遠(yuǎn)，清場(chǎng)范圍較大，導(dǎo)致清場(chǎng)過程中極易出現(xiàn)遺漏清場(chǎng)或重復(fù)清場(chǎng)的情況。如果落區(qū)道路復(fù)雜，車輛難以行駛，只能采用徒步，嚴(yán)重影響清場(chǎng)效率。

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以具備復(fù)雜地貌正常行駛能力的全地形車為運(yùn)載平臺(tái)[1]，搭載具備語音調(diào)度、視頻傳輸、路徑規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)通信功能的清場(chǎng)設(shè)備[2-5]和具備彈丸落點(diǎn)測(cè)量功能的終點(diǎn)測(cè)量設(shè)備[6-7]，必然會(huì)極大地提高靶場(chǎng)試驗(yàn)效率。因此，為解決上述問題，提出一種全地形快速觀測(cè)清場(chǎng)車系統(tǒng)，主要用于完成復(fù)雜地貌場(chǎng)區(qū)的清場(chǎng)、找彈著點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)概略觀測(cè)等任務(wù)。

1 工作原理

全地形快速觀測(cè)清場(chǎng)車系統(tǒng)由全地形車子系統(tǒng)、快速清場(chǎng)子系統(tǒng)、終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)三部分組成。

全地形車主要由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、差速制動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力艙三個(gè)部分組成。用于承載清場(chǎng)人員及觀測(cè)、清場(chǎng)設(shè)備。

快速清場(chǎng)子系統(tǒng)由基站、車載終端、手持終端等組成?；矩?fù)責(zé)接收清場(chǎng)區(qū)域的圖像、清場(chǎng)人員的車輛軌跡及語音。車載終端集成視頻采集設(shè)備、語音輸入設(shè)備等。手持終端主要裝備給各個(gè)清場(chǎng)人員，集成了語音輸入模塊、視頻輸入模塊、定位模塊等。

終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)主要由測(cè)量攝像機(jī)、圖像無線傳輸設(shè)備、電源及數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。測(cè)量攝像機(jī)負(fù)責(zé)拍攝落區(qū)圖像，圖像無線傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)向基站實(shí)時(shí)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(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理軟件提取相關(guān)目標(biāo)信息，交會(huì)計(jì)算得出炸點(diǎn)的終點(diǎn)概略坐標(biāo)。

全地形快速觀測(cè)清場(chǎng)車系統(tǒng)的工作模式如圖1所示。清場(chǎng)前，將清場(chǎng)子系統(tǒng)的手持終端發(fā)放給各清場(chǎng)人員，全地形車子系統(tǒng)搭載指揮人員和快速清場(chǎng)子系統(tǒng)，建立覆蓋試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；劃分清場(chǎng)區(qū)域，并快速提取清場(chǎng)區(qū)域具備邊緣特性的GPS數(shù)據(jù)點(diǎn)[8]，車載終端通過網(wǎng)絡(luò)基站建立的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將GPS數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)送至清場(chǎng)人員所攜帶的手持終端上；清場(chǎng)人員通過手持終端接收到清場(chǎng)區(qū)域及車輛行走路徑后，開啟導(dǎo)航軟件，按指定的路徑在清場(chǎng)區(qū)域內(nèi)完成清場(chǎng)任務(wù)；同時(shí)手持終端內(nèi)置的定位模塊會(huì)將清場(chǎng)人員行走的路徑實(shí)時(shí)回傳到指揮車，指揮員根據(jù)各清場(chǎng)人員回傳的路徑信息與預(yù)先劃分完成清場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，如發(fā)生重復(fù)清場(chǎng)、遺漏清場(chǎng)的情況，則通過語音調(diào)度模塊及時(shí)進(jìn)行糾正。

圖1 全地形快速觀測(cè)清場(chǎng)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(dāng)需要測(cè)量炮彈落點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，全地形車子系統(tǒng)搭載終點(diǎn)觀測(cè)子系統(tǒng)，駕駛至指定位置并架設(shè)儀器，各測(cè)量點(diǎn)位的操作人員完成方位標(biāo)定工作后，將攝像機(jī)轉(zhuǎn)向炮彈落區(qū)處，盡量保證視場(chǎng)能夠覆蓋既定的彈著點(diǎn)區(qū)域。開啟無線圖像傳輸設(shè)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(shè)備回傳的視頻信息實(shí)時(shí)監(jiān)控彈著點(diǎn)區(qū)域。當(dāng)彈丸落地爆炸后，各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量攝像機(jī)記錄各自區(qū)域內(nèi)的圖像，北斗雙模授時(shí)模塊負(fù)責(zé)各攝像機(jī)時(shí)間信息同步，測(cè)角儀記錄攝像機(jī)的高低和俯仰角度。圖像存儲(chǔ)器集成了相機(jī)控制模塊和存儲(chǔ)模塊，可遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)的復(fù)位和圖像采集、記錄。通過回放查找到目標(biāo)點(diǎn)所在的圖像，通過網(wǎng)絡(luò)向各觀測(cè)點(diǎn)發(fā)送指令，要求將指定時(shí)間段的圖像傳送到車載終端，操作人員完成各觀測(cè)點(diǎn)目標(biāo)信息提取和交會(huì)處理工作，計(jì)算得到彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后，將彈丸落點(diǎn)的概略坐標(biāo)發(fā)送至清場(chǎng)人員的手持終端上，通過導(dǎo)航軟件引導(dǎo)清場(chǎng)人員進(jìn)入彈丸落區(qū)尋找彈坑。

2 清場(chǎng)子系統(tǒng)

清場(chǎng)子系統(tǒng)是以全地形車為運(yùn)載平臺(tái)構(gòu)建的一套具備語音調(diào)度、視頻傳輸、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等功能的系統(tǒng)。作為整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，在執(zhí)行清場(chǎng)任務(wù)時(shí)，需要根據(jù)清場(chǎng)人員數(shù)量現(xiàn)有條件，實(shí)時(shí)、高效、合理地規(guī)劃清場(chǎng)人員各自負(fù)責(zé)的清場(chǎng)區(qū)域，避免清場(chǎng)區(qū)域的重復(fù)規(guī)劃和遺漏規(guī)劃；在語音調(diào)度上作為整個(gè)系統(tǒng)的處置單位，需要根據(jù)清場(chǎng)人員回傳的清場(chǎng)路徑信息，指揮人員通過語音調(diào)度功能實(shí)時(shí)調(diào)整清場(chǎng)人員的清場(chǎng)區(qū)域及清場(chǎng)路徑。因此，必須具備電子地圖導(dǎo)入、更新、顯示，清場(chǎng)方案規(guī)劃，標(biāo)記停車點(diǎn)，清場(chǎng)路徑信息傳輸，獲取清場(chǎng)人員實(shí)際行走路徑，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的語音調(diào)度等功能。各個(gè)清場(chǎng)人員的手持終端是與指揮員進(jìn)行溝通的設(shè)備，也必須具有電子地圖導(dǎo)入、更新、顯示、導(dǎo)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)域，一些重要路口必須標(biāo)記清楚，將標(biāo)注好的地圖發(fā)送給各清場(chǎng)人員的手持終端，并做好備份。

區(qū)域特性信息提?。焊鶕?jù)區(qū)域劃分結(jié)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(diǎn)，包括邊界點(diǎn)的個(gè)數(shù)和坐標(biāo)等。路徑傳輸：將各清場(chǎng)區(qū)域優(yōu)化后的路徑位置特征點(diǎn)通過基站傳輸至清場(chǎng)人員手持終端。路徑規(guī)劃：實(shí)現(xiàn)區(qū)域邊緣位置特征點(diǎn)的運(yùn)算生成清場(chǎng)人員行走路線，同時(shí)清場(chǎng)指揮員根據(jù)電子地圖對(duì)比手動(dòng)更改行走路線，優(yōu)化清場(chǎng)人員行走路線使其更加合理、高效、最優(yōu)。

2) 實(shí)時(shí)導(dǎo)航及位置信息反饋

手持終端上有定位模塊，可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的當(dāng)前位置信息，并且將實(shí)際位置信息以路徑的形式標(biāo)注在電子地圖上，方便查看實(shí)際行走路線。當(dāng)前位置信息同時(shí)傳輸至車載終端，指揮員在電子地圖上也可以實(shí)時(shí)標(biāo)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(shí)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)?，可滿足用戶在不同的終端使用相同的協(xié)議進(jìn)行通話。車載終端對(duì)于手持終端的視頻調(diào)度可以滿足同時(shí)打開多路窗口，按分頁(yè)的形式進(jìn)行切換顯示，以達(dá)到掌握多個(gè)清場(chǎng)區(qū)域情況的能力。

3 試驗(yàn)和結(jié)果

終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)的測(cè)量攝像機(jī)鏡頭存在畸變[9]，為提高測(cè)量精度，使用前需要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。試驗(yàn)使用Halcon17.2軟件[10]進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)Halcon標(biāo)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(cè)量攝像機(jī)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(duì)鏡頭進(jìn)行畸變校正后，將大大提高設(shè)備的測(cè)量精度。

在試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)對(duì)終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，以獲取其炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量精度，圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。將測(cè)量攝像機(jī)以間隔300 m進(jìn)行布設(shè)，每個(gè)測(cè)站與炸點(diǎn)的距離大約500 m，盡量使測(cè)站與炸點(diǎn)的幾何關(guān)系達(dá)到理想圖形。

圖2 炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Scene of explossion point coordinate measurement

試驗(yàn)共出現(xiàn)15個(gè)炸點(diǎn)，均在攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)，分布隨機(jī)且均勻。測(cè)量攝像機(jī)采集了炸點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的圖像，通過文獻(xiàn)[11]中的計(jì)算脫靶量公式算出每個(gè)測(cè)站的角度脫靶量，再利用文獻(xiàn)[12-13]中的交會(huì)計(jì)算公式得出炸點(diǎn)的概略坐標(biāo)。為了驗(yàn)證炸點(diǎn)的測(cè)量精度，同時(shí)布設(shè)了靶場(chǎng)某型高精度測(cè)量經(jīng)緯儀系統(tǒng)同時(shí)對(duì)15個(gè)炸點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，該設(shè)備的測(cè)角精度為20 s，換算到500 m測(cè)距，測(cè)量精度大約為0.1 m，其精度遠(yuǎn)大于終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)，因此，可將高精度測(cè)量經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果作為真值。兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果差值作為終點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)子系統(tǒng)的誤差。15個(gè)炸點(diǎn)目標(biāo)在三個(gè)方向上的誤差均在±4 m以內(nèi)。利用均方差公式計(jì)算得到，三個(gè)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(biāo)，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)易、快速的炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

4 結(jié)論

本文提出全地形快速觀測(cè)清場(chǎng)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于完成靶場(chǎng)試驗(yàn)中的清場(chǎng)警戒、快速找彈著點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)概略觀測(cè)等任務(wù)。以全地形車底盤為運(yùn)載平臺(tái)，搭載多套子系統(tǒng)，在復(fù)雜地形下提供了高機(jī)動(dòng)性；構(gòu)建以區(qū)域?qū)拵o線網(wǎng)絡(luò)為核心，能滿足在大范圍試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)進(jìn)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(chǎng)效率；通過對(duì)測(cè)量攝像機(jī)進(jìn)行了畸變矯正，提高了終點(diǎn)坐標(biāo)概略測(cè)量的精度，當(dāng)測(cè)站與炸點(diǎn)的距離約500 m時(shí)，炸點(diǎn)在三個(gè)方向上的測(cè)量誤差均能控制在±4 m以內(nèi)。