基于弹迹跟踪预测的舰艇定位方法

周克强

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

基于弹迹跟踪预测的舰艇定位方法

周克强

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

舰艇采用实测舰位法对岸上不可见目标进行远程攻击时，在已获取目标地理信息的情况下，我舰定位误差往往成为影响打击精度的关键因素。针对惯性导航长时间工作产生积累误差，以及卫星导航在战时易受干扰等情况，提出利用对单发弹丸的跟踪与预测，结合提取的岸上目标绝对定位数据和弹丸落点的偏差信息，反向推算发射舰相对岸上目标的位置，可较为精确地修正我舰的绝对定位数据，为后续射击提供修正手段。该方法减少了战时舰炮武器系统对导航的依赖，仅靠对单发弹丸跟踪和预测，即可提高后续对岸射击的精度。

实测舰位法，岸上不可见，跟踪与预测，绝对定位

引言

水面舰艇对岸火力支援是舰炮武器系统对敌作战的重要组成部分，随着信息化弹药及相关火控技术的发展，一维增程修正弹将使舰炮的射程从发射常规弹药的20多公里提高到40多公里，滑翔增程弹将使舰炮的射程达到70 km或更远，舰炮武器系统具备了对海岸纵深的高价值目标进行远程精确火力打击的能力。不可见（可观测）目标是指从发射舰无法观测，但可以通过地面或空中进行观测的目标，这在对岸射击中是比较常见的情况，在无法建立前沿观测所或者辅助瞄准点的情况下，对此类目标采用实测舰位法，通过卫星图片和实时战术图像（如无人机、电视侦察弹）进行配准［1］，可以对战术图像进行经纬度标注，进而提取敌方临时指挥所、导弹发射架等时敏目标的经纬度信息，结合导航装备实时测量到我舰经纬度数据，由火控设备实时求取发射舰至岸上不可见目标的距离和方位，用于对岸射击的火控解算。在发射舰和对岸目标的绝对定位精度有所保证的情况下，该方法是舰炮武器系统对岸不可见目标打击的一种有效手段。

舰炮武器系统采用实测舰位法［2］，在给定岸目标地理信息的情况下，系统误差主要来源于目标相对我舰的定位误差、高空气象误差、舰艇姿态测量误差、火控解算误差等，其中我舰定位误差严重依赖舰艇的导航系统：惯性导航系统（INS）作为舰艇航行时可以依赖的主要自主式导航装备，原理上存在长时间工作的积累误差，其初始对准精度误差也会造成系统导航精度的下降；卫星导航作为其辅助手段，战时也是敌方集中攻击的对象，易受干扰，导致各舰艇作战单元的定位精度得不到一致保证。

在能观测到弹丸落点偏差的情况下，为减少舰炮武器系统对惯性导航，特别是卫星导航的依赖性，提高我舰的绝对定位精度，本文提供一种解决上述问题的方法，即利用对单舰单发弹丸的跟踪与预测，结合提取的岸上目标绝对定位数据和弹丸落点的偏差信息，反向推算发射舰相对岸上目标的位置，可较为精确地修正我舰的绝对定位数据，有效减小系统偏差，提高打击精度。

1 舰炮武器系统作战流程

在信息化舰炮武器系统作战过程中，可充分利用部分火控雷达特别是相控阵雷达对弹丸的远距精确跟踪能力，尽可能地在上升段甚至下降段实时测量弹丸的位置数据，只在无法跟踪弹丸时采用弹道预测模型，把比较精确的弹道数据当作一杆“标尺”，结合落点信息可反向推算我舰的绝对定位数据。

图1 舰炮武器系统对岸不可见目标打击示意图

舰炮武器系统对岸不可见目标打击示意图如图1所示，相应流程如图2所示，发射舰火控设备首先根据对岸不可见目标的地理位置信息以及本舰的初始定位数据，通过弹道方程解算火控诸元，在实施射击后实时地将解算的弹丸飞行轨迹参数（距离、高低角、方位角、径向速度）作为目标指示，输出给跟踪传感器以捕获跟踪弹丸，并接收跟踪传感器的弹道测量数据，直到跟踪传感器无法跟踪弹丸，火控系统滤波处理后得到实际测量弹道［3］，根据跟踪前的瞬时位置和速度，可实时积分求解弹丸后端预测弹道。通过无人机/电视侦查弹等手段获取落点观测偏差，结合弹丸的测量弹道、以及后段预测弹道，就可以比较精确地推算发射舰相对目标位置信息，实时校正我舰绝对定位数据，为后续射击做好准备。

图2 舰炮武器系统对岸不可见目标打击流程图

上述方案可针对我舰实时测量位置信息不准的情况，通过发射舰的单发弹药，依靠跟踪传感器对弹丸的测量信息，尽可能地减小实测舰位法中的我舰定位误差，从而快速准确地提高对目标的命中效果。该方法需要远程岸上目标的绝对位置、测量的弹丸空中弹道、弹丸落点偏差等信息，可适用于常规弹和增程修正弹［4］对远程岸上目标的精确打击。

2 弹丸落点偏差的测量

对岸上不可见目标的射击偏差进行观测，可由校射飞机上的观测员判定弹着点对目标的相对位置［5］，如图3所示，通常由下述3种方法确定：①取直角坐标，例如“北—200 m，西—100 m”；②以校射飞机航向为准，例如左100 m，前150 m；③取极坐标，例如“方位—150°，距离—100 m”，然后将观测结果报告给发射舰，舰艇火控系统根据偏差数据和目标绝对定位数据，可得到炸点的地理信息，结合弹道数据可反向推算我舰定位数据。

图3 不同坐标系的空观炸点偏差

另外，可由无人机或者电视侦察弹将炸点偏差的实时图像回传给舰艇的图像情报处理设备，通过与卫星图片进行配准，对战术图像上的炸点进行经纬度标注，进而直接获取炸点的地理信息，结合弹道数据即可反向推算我舰定位数据，图像配准和坐标提取与对岸不可见目标的定位过程类似，通常包括以下步骤。

2.1 战术图像的预处理

无人机战术图像并不需要直接用来对地定位，而是通过标注地理信息的卫星图片来联合实现对岸目标的精确定位。在图像配准前需要对航拍图像进行几何校正［6］，将在任意飞行姿态下对某一地域的拍摄变换成相同飞行高度下，相机垂直于该地域时的拍摄情况，即在地域上空，摄像装置的3个旋转角φ，w，k都是0条件下航片的正射投影成像，流程如图4所示。

（1）无人机战术源图像去噪和增强处理；

（2）根据战术图像成像时刻的IMU数据构成旋转矩阵；

（3）联合GPS数据和构象方程确定中心斜投影战术图像在地面的覆盖区域；

（4）确定最小矩形，足以涵盖中心斜投影在地面的覆盖区域；

（5）根据卫星图片的分辨率确定最小矩形的分割粒度；

（6）由单片空间后方交会模型，确定矩形分割点对应的像素坐标；

（7）进行必要的插值处理，获取矩形分割点的图像信息；

（8）获得航拍的正射投影，必要时可进行连续多帧图像的拼接。

图4 中心斜投影转化为正射投影的处理流程

经过对无人机战术图像的正射投影处理，可以轻松实现在不同时刻的多帧图像拼接，并为以后的图像配准处理做好前期准备。

2.2 卫星图片中地理坐标与像素坐标转换

GeoTiff是包含地理信息的一种Tiff格式的卫星图片文件，可以提供众多影射参数，在标准Geo-Tiff格式卫星图片产品中，图片均经过了二级几何校准，可以获得该图像对应于UTM（横向莫卡托投影）坐标系哪个子带的信息，该信息表示为：数字＋字母，其中数字表示经度分区，而字母标识纬度分区。通过这些信息并根据经纬度与UTM坐标的转换关系，可以很容易得到卫星图片上每一个像素点对应的经纬度，而由经纬度坐标也可以计算出相应点在图像中的位置（即像素坐标），从而建立卫星图片上经纬度与像素坐标之间的对应关系，最后，只要能够将校正过的战术侦察图像与卫星图片配准，配准后的图像即可获得卫星图片具有的地理信息。

图像配准本质上可以看成在两个像素坐标系（对应于卫星图片和战术图像）间建立一一对应关系，即计算其变换参数，通常可采用基于Hausdorff距离的图像配准方法［7］。

2.3 图像配准的定位误差

对战术图像上选取的目标进行定位的误差，主要考虑以下方面：

（1）战术图像定位误差（X）

无人机在对岸上目标进行定位时，在稳定跟踪的条件下为了尽可能地保证目标位于视场的中心，其光轴通常对准目标，在目标或炸点的选取时要考虑无人机战术图像光轴指向处的分辨率。

为无人机图像分辨率给系统带来的定位误差，其中β为光轴与地面的夹角，θ为无人机图像探测器视场角，M为图像采样分辨率，L为无人机与目标距离，α为无人机图像传感器单个像素张角，计算公式如下：

（2）IMU测量误差

通过构像方程的泰勒级数展开，并保留一阶项，可考察3个姿态角对像素坐标值求解的影响。

（3）主要由卫星图片的对地定位精度

根据国内技术水平情况，定为2 m。

（4）图像配准精度

暂定为3个像素（卫星图片的分辨率为1 m）。

根据以上分析，在舰炮远程对岸火力支援时，对无人机的实时战术图像首先进行正射投影的几何校正，然后结合卫星图片进行图像配准处理，可对岸上不可见目标或炸点进行地理位置的定位，其综合误差精度可满足舰艇的对岸作战要求。

3 发射舰定位数据推算

经过以上推导过程可以得到射击时刻发射舰的地理坐标，在实际作战过程中可以修正我舰的经纬度信息，并根据航速、航向数据进行外推加密，得到满足火控处理要求的我舰定位数据，可以为后续射击和下一步转火射击提供修正依据。

4 结 论

在舰艇对岸不可见目标进行攻击时，为减少战时舰炮武器系统对导航的依赖，提供了一种利用对发射舰单发弹丸的跟踪与预测，把相对可信的测量和预测弹道当作“标尺”，精确推算发射舰定位数据的方法，提高了实测舰位法射击过程中的我舰定位精度。

［1］周建中.图像匹配技术在对岸火力支援中的应用［J］.火力与指挥控制，2006，31（9）：1-4.

［2］王金云.基于GPS和外弹道实时解算下的舰炮对岸射击新方法［J］.火炮发射与控制学报，2009，12（2）：4-7.

［3］姜本清.闭环校射中雷达跟踪弹迹的滤波和预测方法［J］.火力与指挥控制，2000，25（1）：26-29.

［4］刘剑威.增程修正弹单炮多发同时弹着火控技术研究［J］.指挥控制与仿真，2012，34（1）：70-72.

［5］郭锡福.远程火炮武器系统射击精度分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［6］张杰林.轻型飞机成像光谱图象几何校正技术研究［J］.中国图象图形学报，2002，7（6）：576-580.

［7］梁 勇.一种基于Hausdorff度量的多传感器图像配准方法［J］.遥感技术与应用，2006，21（5）：473-476.

Ship Location Based on Trajectory Tracking and Predicting

ZHOU Ke-qiang
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222006，China）

After attaining the geographical information of shore invisible target，the ship's location error becomes the key factor of long-range attacking by ship's real-time measuring.INS's long time working would decrease the data precision，and satellite navigation can be easily disturbed by emery during the war，so this article proposes a new method of computing ship's absolute location data.By tracking and predicting the ballistic trajectory，this technique calculates reversely the location data of launch ship relative to the target based on target's absolute location data and bullet's bias data of falling point，the process provides a new correction means for next firing.By analyses，this method could reduce the gun weapon system's depending on navigation，and improve firing precision only by tracking and predicting of just one bullet.

ship's real-time measuring，shore invisible，tracking and predicting，absolute location

TP751

A

1002-0640（2014）09-0152-04

2013-06-05

2013-09-01

周克强（1980- ）男，江苏宜兴人，高级工程师。研究方向：火控设备软件开发。