一種基于多特征判別的坦克分隊戰場目標定位方法*

郝 娜,張 波,陳軍偉,常天慶,3

(1 裝甲兵工程學院科研部,北京 100072;2 裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072;3 陸戰平臺全電化技術重點實驗室,北京 100072)

一種基于多特征判別的坦克分隊戰場目標定位方法*

郝 娜1,張 波2,陳軍偉2,常天慶2,3

(1 裝甲兵工程學院科研部,北京 100072;2 裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072;3 陸戰平臺全電化技術重點實驗室,北京 100072)

目前主戰坦克普遍采用激光測距儀獲取目標距離,該方式易暴露自身戰術意圖。文中提出一種用于坦克分隊的基于多特征判別的戰場目標定位方法,有效利用分隊各坦克獲取的目標種類、位置、姿態信息,本車位置以及火控瞄準線角度等信息,采用多特征融合對目標進行身份確定、位置計算。經實驗系統驗證,該方法對目標定位準確,有效解決了激光測距手段單一、易暴露本車的缺點,使坦克分隊實現了被動方式的戰場目標定位。

多特征融合;坦克分隊;目標;定位

0 引言

目前,我軍主戰坦克、步兵戰車等裝備只能采用激光測距儀以主動方式對目標距離進行測定,該方式易暴露我方位置與作戰意圖,從而降低我方坦克作戰效能[1]。

新型主戰坦克導航定位系統可以輸出位置坐標、車體姿態信息,火控系統可以提供瞄準線相對車體的角度。觀瞄設備安裝了CCD,可以實時獲取瞄準鏡視場圖像。新型指揮信息系統可以實時傳輸分隊文電信息,實現多車共享戰場信息[2]。通過提取單車獲取的目標種類特征、目標姿態特征,以已知類型目標的成像大小與姿態為基礎,可以估計目標距離,結合瞄準線方位角度、我方坦克位置坐標可以獲得三維空間內目標的位置特征。通過指揮信息系統將各單車獲取的目標特征信息進行共享,運用位置、種類、距離特征判斷準則,可確定分隊獲取的多個目標的準確身份,并計算其位置坐標,實現被動式目標距離判定。

1 坐標系建立

假定在某次戰斗中,目標與我方坦克的態勢如圖1所示。設我方坦克用Wi表示,目標用Tj表示,i為我方坦克編號,j為目標編號。

在W1瞄準鏡視場內獲取到3輛敵方目標,W1對T1的瞄準線為m11,m12、m13含義相同。同時,在W2瞄準鏡視場內獲取到3輛敵方目標,W2對T1的瞄準線為m21,m22、m23含義相同。

建立三維空間坐標系OW-XWYWZW、車體坐標系OC-XCYCZC和瞄準鏡坐標系OJ-XJYJZJ,目標點與各坐標系之間的關系如圖2所示[3-4]。

圖1 戰場態勢示意圖

圖2 三維空間坐標系

圖中:OW為坐標原點,位于地球中心;OWXW為由地心向外指向格林尼治子午線與赤道的交點;OWYW為與OWXW、OWZW軸成右手關系;OWZW為與地球自轉軸重合,指向北。車體坐標系OC-XCYCZC固聯于車體,OC為坐標原點,位于炮塔座圈平面內的車體旋轉中心;OCZC為車體垂直軸,垂直于炮塔座圈平面指向上方;OCYC為車體縱軸,沿車體縱軸線指向前方;OCXC為車體橫軸,與OCYC、OCZC軸成右手關系。

設瞄準鏡光心OJ與OC重合,建立瞄準鏡坐標系OJ-XJYJZJ,其中:OJ為坐標原點,瞄準鏡光心;OJYJ為沿瞄準鏡光軸方向指向前方;OJXJ為垂直于光軸并且與炮塔座圈平面平行指向右;OJZJ為與OJXJ軸、OJYJ軸垂直,且滿足右手關系。

在三維空間坐標系OW-XWYWZW下,我方坦克Wi的位置用(Xwi,Ywi,Zwi)表示,目標Tj的位置用(XTj,YTj,ZTj)表示。

2 目標特征信息獲取

2.1 特征信息定義

采用目標種類、目標姿態和目標位置作為區分目標的特征值。

1)種類特征

我方坦克可判斷距離的目標主要有履帶式車輛,包括坦克、步兵戰車、自行火炮、裝甲輸送車等;輪式車輛,包括輪式步戰車、汽車等。將有炮塔目標劃歸為一類,無炮塔目標劃歸為另一類。則目標種類為:有炮塔車輛、無炮塔車輛。

2)姿態特征

有炮塔車輛:車體航向角、車體俯仰角、車體側傾角、火炮相對車體俯仰角、炮塔相對車體旋轉角;

無炮塔車輛:車體航向角、車體俯仰角、車體側傾角。

3)位置特征

對于已知外形參數的目標,當確定了姿態信息后,其在瞄準鏡中的成像大小與距離相關,采用目標圖像信息估計目標的距離,獲取其位置特征。

2.2 特征信息采集

1)種類特征采集

目標種類特征提取采用人工輸入的方式,將目標參數信息按照型號預先存儲,當發現目標后由炮長在信息庫中選擇,即可獲取目標的類型及其相關參數。

有炮塔目標可分為:TK1型坦克、BZ1型步戰車、ZXP1型自行火炮等,無炮塔目標可分為;KC1型卡車、ZJC1型裝甲車等。

2)姿態特征計算

對目標的姿態特征,采用機器視覺技術對獲取的目標圖像進行處理分析,具體算法結構如圖3所示。

圖3 目標姿態特征提取算法結構

目標圖像信息經過背景分離、邊緣檢測、區域確定等環節,將目標區分離出來[5-7]。依據目標種類特征選擇動態模型,采用虛擬仿真技術實時產生相對于本車瞄準線的不同姿態目標二維投影圖像,提取目標投影圖像的角點、輪廓以及灰度分布特征,與采集到的目標圖像相關特征進行多特征聯合匹配,其最佳匹配姿態即為目標相對本車瞄準線的姿態。以瞄準線相對車體的角度值、車體相對于三維空間坐標系OW-XWYWZW的角度值為基礎,將目標相對姿態角度轉換為三維空間坐標系OW-XWYWZW內的絕對姿態角度。

設目標在三維空間坐標系OW-XWYWZW內的車體縱軸與OWXW軸的夾角為β,車體橫軸與OWYW軸的夾角為θ,車體垂直軸與OWZW軸的夾角為ρ,目標炮塔相對車體的方位角為γ,目標火炮軸線相對車體的俯仰角為η,單位為度,則目標姿態參數為(βij,θij,ρij,γij,ηij),i為我方坦克編號,j為目標編號。無炮塔車輛參數γ、η均設置為0。

則W1獲取的T1姿態參數為(β11,θ11,ρ11,γ11,η11),W2獲取的T1姿態參數為(β21,θ21,ρ21,γ21,η21)。

3)位置特征估計

目標距離與目標的成像尺寸存在一定比例關系,同時,目標姿態不同,成像尺寸也會發生變化,目標成像如圖4所示。通過目標在瞄準鏡視場中的成像大小與目標姿態參數,可以提取出目標的位置特征。

圖4 目標成像示意圖

Tj目標在Wi瞄準鏡中成像寬度占視場角度為aijrad,則Tj對Wi的距離特征Lij可表示為:

式中:xj為第j個目標實際長度,單位為m;yj為第j個目標實際寬度,單位為m;δij為第j個目標車體縱軸在XJOJYJ平面內投影相對第i輛我方坦克瞄準鏡坐標系OJYJ軸的方位角;μij為第j個目標車體縱軸相對第i輛我方坦克瞄準鏡坐標系XJOJYJ平面的俯仰角;σij為第j個目標車體橫軸相對第i輛我方坦克瞄準鏡坐標系XJOJYJ平面的側傾角;aij為第j個目標在第i輛我方坦克瞄準鏡內成像寬度的弧度數;p為瞄準鏡放大倍率;Lij為第j個目標對第i輛我方坦克的距離特征,單位為m。

3 目標身份分隊級確定

3.1 基于位置特征的目標分類

通過指揮信息系統共享各單車獲取到的目標種類特征、姿態特征和距離特征信息。首先以目標位置特征為判斷準則,對不同車輛獲取的多個目標進行歸類。將目標之間距離小于一定范圍的目標歸為一類。

如圖5所示,N為地理坐標系北向,以瞄準線方位角αij、瞄準線高低角φij、距離特征Lij為基礎,計算出Wi對Tj的估計坐標(Xij,Yij,Zij)。

圖5 目標位置示意圖

其中:

(Xij,Yij,Zij)值如表1所示。

表1 目標位置估計值

設定距離判斷準則S1,如果滿足:

其中,i1、i2取值范圍為1,2,…,i,且i1≠i2;j1、j2取值范圍為1,2,…,j。則初步將其歸為一類。

3.2 基于種類特征的目標身份判別

對歸為一類的多個目標運用種類特征進行判斷,保留屬于同一種類的目標。設Wi對Tj的種類屬性判斷值為Eij,如表2所示。

Eij的定義域為:TK1型坦克、BZ1型步戰車、ZXP1型自行火炮、KC1型卡車、ZJC1型裝甲車等。

表2 目標種類屬性表

在歸為一類的各目標中,若Ei1j1=Ei2j2,則這兩個目標可初步判斷為同一個目標。

3.3 基于姿態特征的目標身份確定

對經過身份判別的目標,運用不同單車獲取的目標姿態參數進行配準,設姿態判斷準則為S2,如果滿足:

則認為Wi1發現的第j1個目標與Wi2發現的第j2個目標為同一目標。

4 目標坐標計算

如圖6所示,經多車信息融合判別可得W1發現的T1與W2發現的T1為同一目標。

通過主戰坦克導航定位系統可以獲取本車的位置坐標、車體航向、俯仰、傾斜角度,坦克火控系統可以提供瞄準線相對于車體的角度。經計算可以得出瞄準線的方位角與高低角。獲取的我方坦克W1的三維坐標(Xw1,Yw1,Zw1)為(xw1,yw1,zw1),W2的三維坐標(Xw2,Yw2,Zw2)為(xw2,yw2,zw2)。W1對T1瞄準線的方位角為α11,高低角為φ11。W2對T1瞄準線的方位角為α21,高低角為φ21。

圖6 目標位置計算示意圖

b為W1與W2在水平面內投影點之間的距離,則:

H為W1與W2之間的高度差,在三維坐標系OW-XWYWZW下:

同理可得:

由圖6所示的T1、W1、W2之間的幾何關系可以得出T1的位置坐標(XT1,YT1,ZT1),其中:

5 實驗驗證系統設計

以某型坦克為對象,設計了實驗驗證系統,總體結構如圖7所示。

系統以數字信號處理器BF533為核心,通過接口電路采集火控系統中的瞄準線角度信息、導航系統輸出的本車位置信息、指控系統接收到的目標特征信息,以及從瞄準鏡獲取的目標圖像信息,經過運算處理,計算出目標坐標值。

通過對該系統進行實驗驗證,表明文中提出的目標定位方法正確,計算結果準確,能夠滿足坦克分隊的作戰要求。

6 結論

文中研究了一種用于坦克分隊的基于多特征融合的目標距離判定方法,通過設計實車實驗驗證系統,檢驗了方法的可行性與有效性。本方法可以應用于坦克、步兵戰車等裝甲裝備火控系統,使坦克具備了采用被動方式對目標距離進行判定的功能,解決了坦克火控系統僅能采用激光測距儀對目標進行測距,目標距離判定手段單一的問題。

[1] 周啟煌, 常天慶, 邱曉波. 戰車火控系統與指控系統 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2003: 1-3.

[2] 周啟煌, 侯朝楨, 陳正捷, 等. 陸戰平臺電子信息系統 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2006: 34-36.

[3] 周啟煌. 數字式坦克火控系統基本原理 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1991: 4-5.

[4] 高玉艷, 熊輝俊. 測量技術 [M]. 北京: 中國農業大學出版社, 2008: 47-49.

[5] 孫思佳, 閆鈞華, 儲林臻, 等. 改進的基于模型匹配的快速目標識別 [J]. 電子設計工程, 2013, 21(11): 90-93.

[6] GIGUS Ziv, MALIK J. Computing the aspect graph for line drawings of polyhedral objects [J]. IEEE Transactions on Pattern Anlysis and Machine Intelligence, 1990, 12(2): 113-122.

[7] 曹建, 謝曉方, 梁捷. 一種運用角點特征的快速目標姿態估計算法 [J]. 小型微型計算機系統, 2014, 35(1): 159-163.

A Method of Battlefield Target Localization for Tank Element Based on Multi-feature Identification

HAO Na1,ZHANG Bo2,CHEN Junwei2,CHANG Tianqing2,3

(1 Department of Science Research, The Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2 Department of Control Engineering, The Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 3 Key Laboratory for All-electric Technologies of Land Warfare Platform, Beijing 100072, China)

At present, main battle tank generally acquires distance information of target by laser rangefinder. This method is easy to show our tactical intention to enemy. A method of battlefield target localization for tank element based on multi-feature identification was brought forward. This method effectively uses type position and gesture information of targets given by single tank of element, position of our tanks and information of line of sight of fire control system. It confirms identity of targets and calculates its distance by multi-feature fusion. The method is proved to be effective to locate targets by the experimental system and overcomes disadvantage of laser ranging. The method makes tank element can acquire the targets’ location passively.

multi-feature fusion; tank element; targets; localization

2015-09-18基金項目:裝甲兵工程學院科研創新基金(2014CJ22)資助

郝娜(1977-),女,陜西西安人,講師,博士研究生,研究方向:坦克火控系統智能化。

TP391

A