无人机提高目标定位精度方法研究＊

姚 新

（解放军炮兵学院五系四十三队 合肥 230031）

1 引言

随着近年来我国无人机相关技术的快速发展，国内自主研制并装备的无人机在战场预先侦察、战场实时监控、战场毁伤评估等方面的作用也越来越明显。无人机主要用于为地面常规炮兵进行目标侦察定位和射击偏差校正。多年来，我国无人机研究机构和使用部门主要致力于飞行器、发动机、无线链路、任务载荷等方面的研究并取得了极大的成果，无人机作战使用尤其是目标侦察定位的研究则相对滞后，并不能完全满足作战需求，还需要进行深入研究［1］。

随着遥感对地观测技术及激光技术的发展，伴随着无人机姿态角测量精度的提高、自身位置定位精度的提高及机载激光测距设备和成像系统的同轴实现等技术为无人机空间交会定位提供了硬件基础，使得研究空间交会定位方法成为可能。

2 无人机电视图像定位技术

2.1 系统概述

无人机电视图像定位系统是指无人机通过CCD摄像机对战场目标实时侦察、实时定位、打击评估的设备。系统由装有面阵CCD电视摄像机的光轴稳定陀螺平台、电视图像跟踪器、GPS／GLONASS定位接收机及陀螺仪、激光测高仪和定位校射计算机等设备组成［2］。

无人机电视图像定位的过程是：首先获得无人机的自身坐标，然后通过CCD摄像机拍摄战场目标，根据共线方程建立成像模型，利用无人机各传感器测得的飞机姿态角、光轴稳定平台的方位角与俯仰角、飞机的高度等参数建立坐标转换矩阵，最后通过定位校射计算机计算出目标的坐标。

从无人机定位算法逻辑来看，整个系统设备可分为三部分，第一部分是无人机获得自身目标的导航传感器，这类传感器包括地面无线电测距测角导航传感器、GPS导航传感器、天文导航传感器、北斗卫星导航传感器、惯性导航传感器、GPS／GLONASS复合导航传感器等等。

第二部分是无人机的机载光电设备，合成孔径雷达（SAR）、毫米波雷达（MMW）、可见光CCD相机、红外图像传感器。

第三部分是构建定位方程参数的传感器，包括无人机的垂直陀螺、磁航向仪、光轴稳定平台的双轴陀螺、激光测高仪等等。

2.2 系统的不足

无人侦察机一般采用的定位方法为单站测角测距定位方法，实际使用过程中暴露出了几个无法克服的问题，具体表现为：

1）目标定位过程局限明显。无人机现有系统结构在目标跟踪和定位阶段对飞机有两个必要约束条件，即跟踪阶段的盘旋和定位时的过顶，这两点从任务效率上来说不可取、从安全性上看在现代高技术战场上几乎不可能。

2）对多目标连续定位能力不足。侦察无人机系统是针对执行单目标任务进行设计的，完成的定位校射任务大多数情况下也都是对单目标进行的。特殊情况下需要完成多个目标的定位校射任务时，一般也是采用以连续完成多个单目标定位校射任务的简单累加，耗时一般比较长，效率较低，风险大。

3）定位精度不高。虽然国内针对军用无人机电视图像定位精度不高的问题做了大量的研究，但是，一直没有找到行之有效的技术方案。现有的共线定位方法，定位精度远不能满足地面炮兵部队的要求。

由上可以看出，现有无人机目标定位方法精度低，其定位精度不足以保障炮兵精确打击需求，另外其指挥方式陈旧，使无人机在复杂战场上生存能力面临巨大挑战。

3 空间交会定位法

3.1 空间两点交会定位

空间两点交会是提高定位精度的有效途径，该方法在原有方法单点测量的基础上增加第2点测量点，构建出空间三角形，有效避免了无人机过顶定位这一过程局限，增加战场生存能力的同时大大提高了定位精度。实际作战中，往往需要对某一单个目标实施定位，但考虑到其防空火力对我无人机的威胁，无人机应在目标一侧（无人机在地面上投影据目标1～2km）远距离选取两个点并采取直线轨迹快速飞行的方式，同时在飞行过程中两次对目标进行相关测量，构建空间三角形并最终确定目标位置。该方法在保证定位精度的前提下提高了无人机战场生存能力。但是，空间两点交会定位精度不会太高是因为它基本上还是延续了单点定位的思路，需要五个姿态角的空间转换矩阵［3］。

其定位精度主要受以下5个因素的影响：

1）飞机位置测量精度；

2）激光测距设备测量精度；

3）两次测量目标时目标中心点的偏离程度；

4）飞机姿态参数测量精度；

5）转台测角精度。

其中对最终定位精度影响较大的是飞机位置测量精度和五个姿态角的测量精度。飞机位置测量精度取决于机载定位设备的测量精度。在实际试验中，假设无人机位置定位精度偏差不大于10m，五个角度测量误差不大于2mrad，激光测距偏差不大于5m，两次测量目标时目标中心的偏离程度屏幕距离不大于5mm，实际定位精度偏差不大于60m。

由此可见，无人机空间两点交会确实在一定程度上提高了无人机电视图像的定位精度，但是在飞行实验中，很多次定位误差还是超过了50m，依然不能满足地面部队的作战需求。同时，空间两点交会定位从本质上来说是针对战场一个地面目标点定位的算法，当地面部队需要整个战场多点或者是整个摄影画面任意点定位的时候，两点交会定位技术则不能满足要求。

然而，三点交会定位则可以摆脱由于无人机三个姿态角、光轴稳定平台的俯仰角与方位角的测量误差而带来的不良影响。在无人机飞行过程中，对将要进行定位的目标实施跟踪，跟踪过程中对三个以上位置点进行采样，然后对采样后的数据进行空间交会解算，获取目标坐标，该方法特别适合于对重点目标进行重点侦察和分析时使用，同等条件下，其定位精度高于空间两点定位的方法。若该算法与现有的共线成像模型相结合，将极大地提高战场目标定位精度。

3.2 空间三点交会算法

当战场出现重要目标时，此时可设定无人机沿飞行轨迹绕战场目标区域上空飞行，在航迹A、B、C点对关键目标点进行连续打三次激光，进行三次测距，构建空间立体锥形对该目标点进行精确定位。

假设战场目标O点的坐标是（X，Y，Z），A，B，C瞬时坐标分别可由GPS测量，则定位数学模型为图1 空间三点交会法目标定位基本原理图

可以看出，针对重要战场目标，无人机空间三点交会定位可以消除无人机三个姿态角、光轴稳定平台的俯仰角与方位角的测量误差。

3.3 战场关键点定位的误差分析

依据定位模型，影响精度的因素如下：飞机位置测量精度；激光测距设备测量精度；三次测量目标时目标中心点的偏离程度和系统误差。系统误差即机载GPS接收机坐标与激光测距起始点坐标的误差［4］。

若δ为随机误差，则有

误差分析计算模型为

粗差检测模型为

4 战场多目标差分定位

空间三点定位的思想是，通过GPS定位获得三次或多次无人机的空中位置，通过激光战场关键点目标进行三次或多次测距，求解距离方程，获得关键点目标的坐标。从本质上来说，这种技术方案是一种针对战场单目标的定位算法。当无人机获得一桢图像时，空间三点交会算法只能求得中心点的坐标，图像上其它点坐标无法求得。但是如果将空间交会定位技术与现有的共线定位算法相结合，通过差分定位原理，就可以快速与准确地获得帧图像的任意点坐标。

4.1 差分定位原理

图2 差分定位示意图

如图2所示，在无人机获得的一帧图像里，O是画面中心点，A是画面其它处任意一点；O、A点通过共线定位算法测出的坐 标 分 别 是 （xO，yO），（xA，yA），O点通过空间三点交会得出的定位算法测出的坐标是（XO，YO），由于画面中O、A的距离真实距离为几十米，而无人机距地面的高度为几千米，同时，由于无人机通过同样的共线定位算法测量O、A点的系统随差可以认为一致。如果以O点通过空间交会算法测出的坐标（XO，YO）为模拟真值，则有

相应的，A点的修正定位值（XA，YA）可得

4.2 差分定位算法

根据差分定位原理，可以建立实际的差分定位算法。该模块首先对无人机实拍的图像进行几何纠正，同时通过空间交会获得中心O点坐标，其次该模块依据无人机飞行过程中的遥测数据，基于电视图像的成像模型，建立共线定位算法，通过O点差分计算求出随差，通过随差修正帧图像任意点的测量值。

图像获得校正后随后建立共线定位数学模型为［5］

转变为二维定位数学模型为

通过共线定位的简化方程测量出无人机画面中心点O的坐标为

式中，Xs、Ys为无人机的大地坐标。

同时无人机盘旋在目标上空，通过三次测距后通过空间交会求取O点坐标，可得：

式中，Xs1、Ys1，Xs2、Ys2、Xs3、Ys3可认为是无人机的三次测距时的大地坐标

最后建立差分定位方程：

最后可以得到修正的图像任意点坐标值：

5 结语

无人机在保障部队射击时，利用电视图像定位技术，由于技术方面的瓶颈，其对战场目标定位精度较低，使用的单站测角测距定位方法本身存在无法克服的不足，定位效果不理想，不足以保障炮兵装备精确打击需求；空间两点交会法，在一定程度上提高了无人机电视图像的定位精度，但定位精度不够高、稳定性较差，难以满足实际使用的要求。

针对这一问题，本文研究了利用空间三点交会和战场多目标差分技术和手段提高目标定位精度的方法。相对传统定位方法，空间三点交会定位法摆脱了单点定位的思路，以及无人机三个姿态角、光轴稳定平台的俯仰角与方位角的测量误差而带来的不良影响。

通过空间交会定位技术和现有共线定位算法结合研究，解决了空间三点交会算法只能求得中心点的坐标，图像上其它点坐标无法求得的问题，实现了利用无人机一帧图像信息快速与准确地进行帧图像任意点坐标的获得。

实践证明，运用空间三点交会和战场多目标差分定位技术，目标定位精度可提高10～20m，在提高无人机保障部队精确打击和拓展无人机适用领域方面具有重要意义。

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