無人機光電探測系統被動目標定位技術研究

王錚

摘 要：無人機搭載光電探測系統對目標進行被動探測定位，已開始得到應用。從實際應用背景出發，系統分析了無人機光電探測任務系統的被動目標定位、安裝誤差修正等關鍵技術，設計了進行被動目標定位的具體操作流程。試驗數據表明，提出的被動目標定位方法能有效修正安裝引起的系統誤差，并提高了目標定位精度，具有較高的工程應用價值。

關鍵詞：無人機 光電探測系統 目標定位

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0081-03

無人機具有重量輕、體積小、隱蔽性好，無人員傷亡等優點，倍受各國的高度重視和大力發展。光電跟蹤探測系統具有精度高、不受電磁干擾、被動隱蔽等特點，是現代軍事警戒探測領域的一種重要手段。但是受目標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的作用距離，光電裝備的潛能未能得到充分發揮。

20世紀80年代中期以來，受星載光電系統的啟發，各國紛紛發展各種基于無人機的光電探測系統，彌補了岸基和艦載光電探測系統的不足，為光電跟蹤探測技術開辟了一個新的應用領域[1]。

1 光電探測系統角度測量模型

無人機搭載光電探測系統可以實現對目標的搜索與跟蹤定位。光電探測系統采用被動工作模式，即由載荷操作人員選定感興趣的目標區域，經系統提取目標輪廓，在保持穩定跟蹤目標的同時，實時將角度測量數據傳回任務控制臺。

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

通過對目標的連續跟蹤，可以獲得一系列的方位角和俯仰角的測量數據，再結合對應時刻空中機動單站的位置（GPS數據）以及姿態數據，使用被動定位方法，可以實現對目標參數的定位解算。

2 被動目標定位方法

（1）設無人機航向Kw、航速Vw，在初始時刻t1，目標相對無人機的初始斜距為D1，方位角β1、俯仰角ε1；在時刻tj，目標相對無人機的斜距離為Dj，方位角βj、俯仰角εj。

（2）假設目標作勻速直線運動，未知航向為Km，未知航速為Vm。目標運動的幾何態勢如圖2所示。

經合并整理，并應用最小二乘估計原理[2]，最終可以解得目標的實時位置和運動參數。

3 安裝誤差修正方法

無人機掛載光電載荷是由工作人員手動操作，缺少精密設備的輔助，會產生安裝誤差。受安裝誤差的影響，光電載荷與無人機慣導系統間就會存在偏差，致使測量數據不可靠，產生較大的測量誤差。除非在實驗室條件下利用專門的檢測設備進行精密操作，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°情況下目標航速仿真結果。由圖可見，含有載荷安裝對準誤差的定位精度明顯比不含載荷安裝對準誤差低。而實際工作中，光電載荷的安裝對準誤差可能更大，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。

安裝誤差的修正實質上是解決非線性問題，因此修正方法更多是側重于非線性方法[3-5]。目前關于這方面的研究比較多，已經取得了一些成果。一種方法是采用神經網絡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據，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償載荷的安裝對準誤差[7]，這種算法優點是具有較高的精度，但是該算法的數據處理時間特性決定了其實時性較差，對實際應用會有所限制。還有一種方法是擬線性化修正方法，它利用無人機及合作目標的高精度GPS信息，對安裝誤差引起的系統誤差進行修正[8]，這種方法彌補了前兩種方法的不足，更適合在實際應用。

經比較選擇，本文采用擬線性化方法對載荷的安裝誤差進行修正。

4 被動目標定位實現過程

在實際操作中，尋找裝備有GPS定位設備的合作目標并不難，而且對于合作目標的結構、狀態也沒有特殊要求，不管合作目標處于靜止還是運動中，只要其GPS信息實時已知即可。

因此，可以采用下述方法來實現無人機光電探測系統被動目標定位，具體實現過程如圖4所示。

相應的步驟如下。

步驟1：利用無人機與合作目標的GPS位置信息，計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）和無人機的慣導數據，經過坐標變換得到轉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用于定位過程，實現目標定位解算。

5 定位試驗精度分析

利用本文設計的無人機光電探測系統被動目標定位方法，對試驗數據展開分析。

試驗過程如下。

（1）如圖5所示，以無人機的控制站車為合作目標，無人機在距離合作目標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，得到目標的實時位置及運動參數等信息。定位結果如圖6、圖7所示。

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

6 結語

無人機搭載光電探測系統對目標進行跟蹤定位的優點是抗干擾能力強、隱蔽性好、可長期偵察和監視，它符合現代戰場復雜電磁環境下的應用需求，因此，各國對其技術研究及系統研制都非常重視。本文從實際應用出發，分析了無人機光電探測系統的被動目標定位技術和安裝誤差修正方法，設計了具體的操作實現流程。試驗數據表明，本文提出的無人機光電探測系統被動目標定位方法能有效修正因光電探測系統安裝引起的系統誤差，并能提高目標定位精度，具有較高的工程應用價值。

參考文獻

[1] 鄒勇華，陳福勝.機載紅外警戒吊艙及其研制思路[J].艦船科學技術，2001，6（1）：41-44.

[2] 黃亮，劉忠.空中機動平臺光電吊艙對目標定位方法分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37（1）： 102-105.

[3] 廖暉，周鳳岐，周軍.利用預測濾波法估計小衛星姿態角速度[J].西北工業大學學報，2001，19（1）：84-87.

[4] He Xiu feng， Chen Yong qi. Design of Robust Filtering for an Integrated GPS/INS System[J].Journal of Geodesy，1999，73（8）：102-104.

[5] F.L Markley， R G Reynolds. Analytic Steady-State Accuracy of a Spacecraft Attitude Estimator[J]. Journal of Guidance， Control，and Dynamics，2000，23（6）：1065- 1066.

[6] 姜雪原.衛星姿態確定及敏感器誤差修正的濾波算法研究[D].哈爾濱工業大學，2006.

[7] 黃亮，劉忠，曲毅，等.基于簡單蟻群算法的載荷安裝誤差補償研究[J].系統仿真學報，2011，23（1）：75-80.

[8] 黃亮，劉忠，張建強，等.基于擬線性化的載荷安裝誤差動態修正及應用[J].華中科技大學學報：自然科學版，2010，38（11）：72-74.