無人機(jī)光電探測系統(tǒng)被動目標(biāo)定位技術(shù)研究

　　摘 要：無人機(jī)搭載光電探測系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行被動探測定位，已開始得到應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用背景出發(fā)，系統(tǒng)分析了無人機(jī)光電探測任務(wù)系統(tǒng)的被動目標(biāo)定位、安裝誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了進(jìn)行被動目標(biāo)定位的具體操作流程。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的被動目標(biāo)定位方法能有效修正安裝引起的系統(tǒng)誤差，并提高了目標(biāo)定位精度，具有較高的工程應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī) 光電探測系統(tǒng) 目標(biāo)定位

　　無人機(jī)具有重量輕、體積小、隱蔽性好，無人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，倍受各國的高度重視和大力發(fā)展。光電跟蹤探測系統(tǒng)具有精度高、不受電磁干擾、被動隱蔽等特點(diǎn)，是現(xiàn)代軍事警戒探測領(lǐng)域的一種重要手段。但是受目標(biāo)輻射在地球表面的傳播特性、地球曲率半徑和光傳播的直線性等因素影響，限制了岸基和艦載光電跟蹤探測系統(tǒng)的作用距離，光電裝備的潛能未能得到充分發(fā)揮。

　　20世紀(jì)80年代中期以來，受星載光電系統(tǒng)的啟發(fā)，各國紛紛發(fā)展各種基于無人機(jī)的光電探測系統(tǒng)，彌補(bǔ)了岸基和艦載光電探測系統(tǒng)的不足，為光電跟蹤探測技術(shù)開辟了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

　　1 光電探測系統(tǒng)角度測量模型

　　無人機(jī)搭載光電探測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索與跟蹤定位。光電探測系統(tǒng)采用被動工作模式，即由載荷操作人員選定感興趣的目標(biāo)區(qū)域，經(jīng)系統(tǒng)提取目標(biāo)輪廓，在保持穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的同時，實(shí)時將角度測量數(shù)據(jù)傳回任務(wù)控制臺。

　　如圖1所示，光電探測系統(tǒng)的角度測量值包括兩個：一個是光軸指向與基準(zhǔn)縱軸(正北方向)的夾角，稱為方位角 β;另一個是光軸指向與基準(zhǔn)面(水平面)的夾角，即為俯仰角ε。

　　通過對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，可以獲得一系列的方位角和俯仰角的測量數(shù)據(jù)，再結(jié)合對應(yīng)時刻空中機(jī)動單站的位置(GPS數(shù)據(jù))以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，使用被動定位方法，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)參數(shù)的定位解算。

　　2 被動目標(biāo)定位方法

　　(1)設(shè)無人機(jī)航向K w、航速Vw，在初始時刻t 1，目標(biāo)相對無人機(jī)的初始斜距為D 1，方位角β1、俯仰角ε1;在時刻t j ，目標(biāo)相對無人機(jī)的斜距離為D j ，方位角βj 、俯仰角εj 。

　　(2)假設(shè)目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動，未知航向?yàn)镵 m，未知航速為V m。目標(biāo)運(yùn)動的幾何態(tài)勢如圖2所示。

　　根據(jù)相對運(yùn)動的空間幾何封閉性原理，由圖2中四邊形 O'A'C'B'，得到式(1)。

　　經(jīng)合并整理，并應(yīng)用最小二乘估計(jì)原理[2]，最終可以解得目標(biāo)的實(shí)時位置和運(yùn)動參數(shù)。

　　3 安裝誤差修正方法

　　無人機(jī)掛載光電載荷是由工作人員手動操作，缺少精密設(shè)備的輔助，會產(chǎn)生安裝誤差。受安裝誤差的影響，光電載荷與無人機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)間就會存在偏差，致使測量數(shù)據(jù)不可靠，產(chǎn)生較大的測量誤差。除非在實(shí)驗(yàn)室條件下利用專門的檢測設(shè)備進(jìn)行精密操作，否則很難消除這個誤差。若不能消除此誤差，這將會成為影響光電載荷定位性能的瓶頸。

　　圖3是安裝誤差分別為橫搖誤差-1°、俯仰誤差2°、偏航誤差2°情況下目標(biāo)航速仿真結(jié)果。由圖可見，含有載荷安裝對準(zhǔn)誤差的定位精度明顯比不含載荷安裝對準(zhǔn)誤差低。而實(shí)際工作中，光電載荷的安裝對準(zhǔn)誤差可能更大，會有幾度，甚至十幾度。因此，若安裝誤差不加消除，將嚴(yán)重影響載荷的定位精度，為了提高載荷的定位精度，必須采取措施來消除這個偏差。

　　安裝誤差的修正實(shí)質(zhì)上是解決非線性問題，因此修正方法更多是側(cè)重于非線性方法[3-5]。目前關(guān)于這方面的研究比較多，已經(jīng)取得了一些成果。一種方法是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來消除傳感器輸出信號中的非線性誤差[6]，這種方法需要保存大量的數(shù)據(jù)，才能取得較好的效果。另一種方法是利用簡化的蟻群算法來補(bǔ)償載荷的安裝對準(zhǔn)誤差[7]，這種算法優(yōu)點(diǎn)是具有較高的精度，但是該算法的數(shù)據(jù)處理時間特性決定了其實(shí)時性較差，對實(shí)際應(yīng)用會有所限制。還有一種方法是擬線性化修正方法，它利用無人機(jī)及合作目標(biāo)的高精度GPS信息，對安裝誤差引起的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正[8]，這種方法彌補(bǔ)了前兩種方法的不足，更適合在實(shí)際應(yīng)用。

　　經(jīng)比較選擇，本文采用擬線性化方法對載荷的安裝誤差進(jìn)行修正。

　　4 被動目標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)過程

　　在實(shí)際操作中，尋找裝備有GPS定位設(shè)備的合作目標(biāo)并不難，而且對于合作目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)也沒有特殊要求，不管合作目標(biāo)處于靜止還是運(yùn)動中，只要其GPS信息實(shí)時已知即可。

　　因此，可以采用下述方法來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)光電探測系統(tǒng)被動目標(biāo)定位，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

　　相應(yīng)的步驟如下。

　　步驟1：利用無人機(jī)與合作目標(biāo)的GPS位置信息，計(jì)算得到理論方位角和俯仰角，即理論值。

　　步驟2：通過光電載荷的測量值(方位角、俯仰角)和無人機(jī)的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)換的方位角和俯仰角。

　　步驟3：利用擬線性化方法，得到安裝誤差修正值。

　　步驟4：將安裝誤差修正值應(yīng)用于定位過程，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位解算。

　　5 定位試驗(yàn)精度分析

　　利用本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)光電探測系統(tǒng)被動目標(biāo)定位方法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)展開分析。

　　試驗(yàn)過程如下。

　　(1)如圖5所示，以無人機(jī)的控制站車為合作目標(biāo)，無人機(jī)在距離合作目標(biāo)3km的距離上按照一定航路展開定位，利用擬線性化安裝誤差修正方法得到方位角、俯仰角的誤差修正值分別為1.346°、0.517°。

　　(2)將(1)中獲得的誤差修正值用于定位過程，得到目標(biāo)的實(shí)時位置及運(yùn)動參數(shù)等信息。定位結(jié)果如圖6、圖7所示。

　　從圖6、圖7中可以看出，經(jīng)過安裝誤差修正后，定位精度得到了明顯提高，無人機(jī)與目標(biāo)距離9.89km時，定位誤差為651m;無人機(jī)與目標(biāo)距離接近到8.34km時，定位誤差僅為60m。

　　6 結(jié)語

　　無人機(jī)搭載光電探測系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、可長期偵察和監(jiān)視，它符合現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下的應(yīng)用需求，因此，各國對其技術(shù)研究及系統(tǒng)研制都非常重視。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，分析了無人機(jī)光電探測系統(tǒng)的被動目標(biāo)定位技術(shù)和安裝誤差修正方法，設(shè)計(jì)了具體的操作實(shí)現(xiàn)流程。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的無人機(jī)光電探測系統(tǒng)被動目標(biāo)定位方法能有效修正因光電探測系統(tǒng)安裝引起的系統(tǒng)誤差，并能提高目標(biāo)定位精度，具有較高的工程應(yīng)用價值。

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