无人机光电探测系统被动目标定位技术研究

　　摘 要：无人机搭载光电探测系统对目标进行被动探测定位，已开始得到应用。从实际应用背景出发，系统分析了无人机光电探测任务系统的被动目标定位、安装误差修正等关键技术，设计了进行被动目标定位的具体操作流程。试验数据表明，提出的被动目标定位方法能有效修正安装引起的系统误差，并提高了目标定位精度，具有较高的工程应用价值。

　　关键词：无人机 光电探测系统 目标定位

　　无人机具有重量轻、体积小、隐蔽性好，无人员伤亡等优点，倍受各国的高度重视和大力发展。光电跟踪探测系统具有精度高、不受电磁干扰、被动隐蔽等特点，是现代军事警戒探测领域的一种重要手段。但是受目标辐射在地球表面的传播特性、地球曲率半径和光传播的直线性等因素影响，限制了岸基和舰载光电跟踪探测系统的作用距离，光电装备的潜能未能得到充分发挥。

　　20世纪80年代中期以来，受星载光电系统的启发，各国纷纷发展各种基于无人机的光电探测系统，弥补了岸基和舰载光电探测系统的不足，为光电跟踪探测技术开辟了一个新的应用领域[1]。

　　1 光电探测系统角度测量模型

　　无人机搭载光电探测系统可以实现对目标的搜索与跟踪定位。光电探测系统采用被动工作模式，即由载荷操作人员选定感兴趣的目标区域，经系统提取目标轮廓，在保持稳定跟踪目标的同时，实时将角度测量数据传回任务控制台。

　　如图1所示，光电探测系统的角度测量值包括两个：一个是光轴指向与基准纵轴(正北方向)的夹角，称为方位角 β;另一个是光轴指向与基准面(水平面)的夹角，即为俯仰角ε。

　　通过对目标的连续跟踪，可以获得一系列的方位角和俯仰角的测量数据，再结合对应时刻空中机动单站的位置(GPS数据)以及姿态数据，使用被动定位方法，可以实现对目标参数的定位解算。

　　2 被动目标定位方法

　　(1)设无人机航向K w、航速Vw，在初始时刻t 1，目标相对无人机的初始斜距为D 1，方位角β1、俯仰角ε1;在时刻t j ，目标相对无人机的斜距离为D j ，方位角βj 、俯仰角εj 。

　　(2)假设目标作匀速直线运动，未知航向为K m，未知航速为V m。目标运动的几何态势如图2所示。

　　根据相对运动的空间几何封闭性原理，由图2中四边形 O'A'C'B'，得到式(1)。

　　经合并整理，并应用最小二乘估计原理[2]，最终可以解得目标的实时位置和运动参数。

　　3 安装误差修正方法

　　无人机挂载光电载荷是由工作人员手动操作，缺少精密设备的辅助，会产生安装误差。受安装误差的影响，光电载荷与无人机惯导系统间就会存在偏差，致使测量数据不可靠，产生较大的测量误差。除非在实验室条件下利用专门的检测设备进行精密操作，否则很难消除这个误差。若不能消除此误差，这将会成为影响光电载荷定位性能的瓶颈。

　　图3是安装误差分别为横摇误差-1°、俯仰误差2°、偏航误差2°情况下目标航速仿真结果。由图可见，含有载荷安装对准误差的定位精度明显比不含载荷安装对准误差低。而实际工作中，光电载荷的安装对准误差可能更大，会有几度，甚至十几度。因此，若安装误差不加消除，将严重影响载荷的定位精度，为了提高载荷的定位精度，必须采取措施来消除这个偏差。

　　安装误差的修正实质上是解决非线性问题，因此修正方法更多是侧重于非线性方法[3-5]。目前关于这方面的研究比较多，已经取得了一些成果。一种方法是采用神经网络来消除传感器输出信号中的非线性误差[6]，这种方法需要保存大量的数据，才能取得较好的效果。另一种方法是利用简化的蚁群算法来补偿载荷的安装对准误差[7]，这种算法优点是具有较高的精度，但是该算法的数据处理时间特性决定了其实时性较差，对实际应用会有所限制。还有一种方法是拟线性化修正方法，它利用无人机及合作目标的高精度GPS信息，对安装误差引起的系统误差进行修正[8]，这种方法弥补了前两种方法的不足，更适合在实际应用。

　　经比较选择，本文采用拟线性化方法对载荷的安装误差进行修正。

　　4 被动目标定位实现过程

　　在实际操作中，寻找装备有GPS定位设备的合作目标并不难，而且对于合作目标的结构、状态也没有特殊要求，不管合作目标处于静止还是运动中，只要其GPS信息实时已知即可。

　　因此，可以采用下述方法来实现无人机光电探测系统被动目标定位，具体实现过程如图4所示。

　　相应的步骤如下。

　　步骤1：利用无人机与合作目标的GPS位置信息，计算得到理论方位角和俯仰角，即理论值。

　　步骤2：通过光电载荷的测量值(方位角、俯仰角)和无人机的惯导数据，经过坐标变换得到转换的方位角和俯仰角。

　　步骤3：利用拟线性化方法，得到安装误差修正值。

　　步骤4：将安装误差修正值应用于定位过程，实现目标定位解算。

　　5 定位试验精度分析

　　利用本文设计的无人机光电探测系统被动目标定位方法，对试验数据展开分析。

　　试验过程如下。

　　(1)如图5所示，以无人机的控制站车为合作目标，无人机在距离合作目标3km的距离上按照一定航路展开定位，利用拟线性化安装误差修正方法得到方位角、俯仰角的误差修正值分别为1.346°、0.517°。

　　(2)将(1)中获得的误差修正值用于定位过程，得到目标的实时位置及运动参数等信息。定位结果如图6、图7所示。

　　从图6、图7中可以看出，经过安装误差修正后，定位精度得到了明显提高，无人机与目标距离9.89km时，定位误差为651m;无人机与目标距离接近到8.34km时，定位误差仅为60m。

　　6 结语

　　无人机搭载光电探测系统对目标进行跟踪定位的优点是抗干扰能力强、隐蔽性好、可长期侦察和监视，它符合现代战场复杂电磁环境下的应用需求，因此，各国对其技术研究及系统研制都非常重视。本文从实际应用出发，分析了无人机光电探测系统的被动目标定位技术和安装误差修正方法，设计了具体的操作实现流程。试验数据表明，本文提出的无人机光电探测系统被动目标定位方法能有效修正因光电探测系统安装引起的系统误差，并能提高目标定位精度，具有较高的工程应用价值。

　　参考文献

　　[1] 邹勇华,陈福胜.机载红外警戒吊舱及其研制思路[J].舰船科学技术,2001,6(1):41-44.

　　[2] 黄亮,刘忠.空中机动平台光电吊舱对目标定位方法分析 [J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2013,37(1):102-105.

　　[3] 廖晖,周凤岐,周军.利用预测滤波法估计小卫星姿态角速度[J].西北工业大学学报,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.卫星姿态确定及敏感器误差修正的滤波算法研究[D].哈尔滨工业大学,2006.

　　[7] 黄亮,刘忠,曲毅,等.基于简单蚁群算法的载荷安装误差补偿研究[J].系统仿真学报,2011,23(1):75-80.

　　[8] 黄亮,刘忠,张建强,等.基于拟线性化的载荷安装误差动态修正及应用[J ].华中科 技大学学报:自然科学版,2010,38(11):72-74.

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