無人機偵察圖像目標定位在軍事上的應用研究

楊 帥，程 紅，李 婷，孫文邦

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無人機偵察圖像目標定位在軍事上的應用研究

楊 帥，程 紅，李 婷，孫文邦

（空軍航空大學，吉林 長春 130022）

無人機能夠通過多種方法定位出目標的精確位置信息，以便實施戰場指揮或軍事打擊。主要整理并分類介紹了無人機偵察圖像目標定位的各種技術原理，解析了其在軍事領域的應用范圍；并以無人機飛行任務為模型，完整詳細地用空間量算的無人機偵察圖像目標定位技術對無人機實際飛行進行航跡規劃的運用，證明了無人機偵察圖像目標定位技術的重要軍事價值。

無人機；偵察圖像；目標定位；軍事應用；精確打擊；航跡規劃

0 引言

無人機（unmanned aerial vehicle）是現代戰爭中不可或缺的一部分，它與間諜衛星、偵察機、預警機組成了現代偵查網絡。無人機以其無人化、造價低、靈活機動的特點，取代大型有人偵察機成為戰場前沿最主要的偵查力量[1]。無人機偵察作為先進的遙感數據獲取方式，已在軍事偵察、目標監視、毀傷效果評估、地圖測繪、徒弟利用調查、災情監測、氣象探測等領域廣泛應用，產生了巨大的經濟、軍事和社會效益、展現了廣泛的應用前景。

由于無人機的突出優勢及其在局部實戰中表現出的巨大軍事價值，世界各國都在積極地研究發展無人機，而美、英、俄和以在無人機領域處在世界領先地位。

美國是無人機研制和裝備的大國，其代表無人機是RQ-4全球鷹（Global Hawk）和MQ-1捕食者（Predator）。全球鷹具有多種高精度的目標定位方法，是美國空軍乃至全世界最先進的無人機，不僅可以在大范圍內通過雷達搜索目標，還能獲取7.4萬km2范圍內的目標光電/紅外圖像信息。在20km的高空上，通過合成孔徑雷達偵察獲得的條幅式照片具有1m的精度，定點偵察照片的精度則高達0.3m，對20～200km/h速度移動的地面目標，也能達到7m的定位精度。定點偵察照片可精確到0.30m，目標定位的圓誤差概率最小可達20m；此外，英國的“不死鳥”型中程無人機則是通過紅外探測裝置進行全天候的照相偵察；俄羅斯的“熊蜂”無人機可利用機載可變焦的攝像機以及可全天候工作的紅外照相機對軍隊的作戰部署進行有效偵察；以色列研制出了全世界首架垂直起降的無人機“黑豹”和高空戰略長航時無人機“蒼鷺”，能執行全天候的戰斗偵察任務，并且可以通過機載的光電/紅外/雷達等偵察電子設備進行目標定位情報收集等軍事任務。

我國在軍用無人機領域同樣發展迅速，“翔龍”、“翼龍”和“WJ-600”無人機是我軍杰出的代表作，他們裝載了光電探測偵察設備以完成目標定位、戰場偵察和成像制導等作戰任務[2]。

1 無人機目標定位

無人機目標定位就是基于攝影測量、圖像處理和信息處理等技術，通過對無人機偵察以及與圖像處理相關的遙測數據的處理與分析，提取目標精確三維坐標的過程[3-4]。目前，利用無人機進行目標定位的方法主要有3種：

1）基于無人機遙測數據的實時定位。這種方法直接將無人機對目標定位的瞬間的位置信息、姿態信息，以及偵察轉臺的轉角信息、測距信息等輸入定位結算模型，從而可以快速結算目標位置坐標。該方法具有實時性好的突出優點，故被所有現役無人機定位系統采用。

2）基于圖像配準的非實時定位。這種方法是建立在預先基礎圖像的條件下，經過數字化處理和幾何糾正的無人機視頻圖像與預先基準圖像進行高精度匹配，進而實現所關心目標的精確定位。該方法目標定位精確度高、可多點同時定位等突出優點，但實時性制約應用范圍。

3）基于空間交會的目標定位。這種方法本質上是第1種方法的擴展。無人機執行偵察時，發現感興趣目標，進入跟蹤狀態，激光測距得到目標距離，采集跟蹤后的遙測數據和圖像數據，之后進行數據信息綜合，利用交會模型對同一目標進行目標定位。

2 軍事應用分析

無人機目標定位能過精確測量目標的三維位置坐標，進而可以計算其運動變化規律、分析屬性，以及對周圍其他對象的相關制約、相互影響的關系，最終能夠預判目標的威脅和意圖。它可以代替部分衛星的傳統測繪定位，獲取目標地理空間情報；若將其納入戰術軍事地理信息系統（戰術MGIS），可為指揮員認識戰場地形環境提供現代化的工具和手段。以下是幾種具體的無人機定位技術在軍事上的應用：

2.1 精確打擊

精確打擊（precision striking）是無人機目標定位最主要、也是最重要的作用[5-6]。現代的無人機都具有偵察和打擊一體化的功能，無人機在執行偵察飛行任務時，地面操作人員通過控制光電系統，可以在晝夜以及不良氣候的條件下，克服無人機在飛行過程中的振動或其他外部干擾，測量出目標準確實時的三維位置坐標，對軍事情報工作具有非常大的用途。無人機一旦定位出可疑威脅目標，立即可以對目標進行高精度的打擊任務。整個過程符合了的新時代軍事作戰的理念——發現即摧毀。

2.2 導航定位

隨著無人機的應用發展，使得參戰人員獲取視距外遠程目標參數的能力大大提高。操作人員獲得的無人機目標定位實時三維位置信息，不僅僅可以幫助無人機進行精確打擊任務，同時還可以作為其他武器平臺導航定位的工具。無人機目標定位信息作為精確制導武器的眼睛，指引遠程攻擊武器進行打擊[7]。例如，作為艦炮上遠程導彈武器對岸上超視距目標攻擊的導航定位應用。

2.3 航跡規劃

航跡規劃（path planning）是根據任務目標規劃滿足約束條件的飛行軌跡，是無人機任務規劃的關鍵技術之一[8]。無人機實際飛行中如果實時定位出突發威脅目標（如防空導彈、掃描雷達等）位置情況，必須進行航跡重規劃，以便規避威脅可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發威脅航跡段。整個飛行過程中，無人機根據實時高效測量定位的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達到目標節點。

3 無人機目標定位在飛行任務模型中的運用

無論是對軍事情報保障效率性的提高、還是對基礎地理空間情報的自動解算及分析能力的增強，無人機目標定位技術都充當著重要角色。

3.1 飛行任務模型介紹

從無人機飛行任務實際出發，主要針對無人機在飛行任務執行過程期間，對無人機目標定位的具體應用進行論述。

本文旨在利用無人機目標定位方法，解決無人機飛行任務中與航跡規劃有關的問題。故建立簡單實用的模型，將飛機目標簡化為點實體，以其質心代替,并假設其他情況一切正常。此飛行任務模型中，無人機目標定位內容的應用主要體現在對空間目標測量坐標信息的獲取、以及對信息的分析和表達和航跡規劃等方面；而前兩者幫助后者，做出相應變化的新航路規劃提供依據。

3.2 目標空間量算的具體應用

1）飛行航跡規劃

軍用無人機航路規劃最大的特點是需要應對復雜多變的環境，無人機目標定位是利用強大的機載傳感器和處理器進行實時航路規劃，進而實現威脅回避、地形跟蹤和地形回避等[9]。

通過對部隊飛行團的調研工作，發現無人機飛行中并不能僅僅按照預先設定好的航跡飛行；而是應該根據飛行的實際情況來，實時的修正飛行航跡，主要用來應對突發的威脅目標，保證無人機能夠安全的飛行。當測量定位到無人機飛行路線上有危險目標時，無人機快速進行航跡調整，即本來按照1??2路線（線1）飛行（如圖1）；可是，根據定位到的危險情況，此航跡并非安全航跡。此時就需要制定如下安全的飛行航跡路線，線2方式進行飛行；顯然此航線更安全也更接近大地線（線0），安全性更加高于原來的飛行路線。

圖1 傳統飛行航線

2）飛行前的地面航路規劃

由于飛機在飛行時不只是按照大地線飛行，有時也會做如圖2所示的圓弧運動（如從某一直飛航路到另一直飛航路的掉轉彎曲航路）。因此，在設計整個飛行航路前，首先明確飛機圓弧航路飛行時的具體運算方程和點位坐標計算。

圖2 飛機圓弧運動示意圖

設飛機進行圓弧航路飛行的初始位置為P(B,L)、結束位置為P＋1(B＋1,L＋1)。其中P為已知條件，P＋1為待求參數。具體計算如下：

P與P＋1間大地線距離與方位角的計算如下式：

式中：D為P與P＋1間大地線距離；為曲率半徑；s為飛行速度；表示飛機的航路狀態，若是直飛，＝0，若是圓弧飛，＝1；D為飛行時間；A和A￠分別為P的方位角和P與P＋1間的方位角。

利用大地線微分方程計算經緯度和方位角增量：

式中：DL為P與P＋1的大地經度差；為橢球偏心率；為橢球長半軸；B為P的大地緯度；DB和DA分別為P與P＋1的大地緯度差和大地方位角差。

因此，D時間后的經緯度和大地線方位角為：

利用式(1)～(3)迭代計算圓弧各點經緯度，直到經緯度達到預設終點精確范圍，航跡線進入下一段，即由該點出發的大地線。

航路的規劃的流程如圖3所示，具體的步驟闡述如下：

①設定航路的起點與終點。

②判斷兩點間飛機的航路狀態：直飛還是圓弧飛行。

③若是直飛，則調用基礎空間量算反解模塊計算航線距離和終點處的航線角（起飛點也計算飛機的起點航線角）；若圓弧飛行，則調用圓弧運動解算模塊計算航線距離和終點航線角。

④調用目標量算信息表達模塊，繪制航路線。

⑤循環上述4個步驟，直到任務完成。

⑥最后，輸出航路設計模型，無任務圓滿完成做好準備。

3）目標定位在飛行期間的態勢判斷及航路調整

若是作戰中的飛行任務，指揮中心必須了解戰場態勢，即需要直觀地了解敵我雙方的目標分布，以及對某個目標進行目標屬性的識別和對其進行實時定位跟蹤等[10]。因此，在飛行期間，無人機操作人員為規避危險，必須做好防護措施，指揮部實時定位跟蹤我機的同時，以飛機位置為圓心，以一定長度為半徑的區域之內收索是否有敵情發現，進行沖突檢測；當發現在點擊的范圍內同時出現多個敵方目標時，則將距我機最近的敵方目標作為首要攻擊規避對象，形象地描述如圖4所示。

圖3 計劃飛行任務的地面航路規劃流程圖

圖4 定位對象搜索

無人機目標定位所要完成的任務就是：①利用中繼平臺與偵察圖像目標間的距離和方位，實時定位動態目標；②利用基礎空間量算的反算模塊，判斷我方飛機與目標的空間位置關系；③利用實體空間量算和信息表達方法，對執行任務飛機的威脅區實時監控，做好防護[11]。圖5即為飛行期間，無人機目標定位在偵察任務中的具體應用。

3.3 無人機目標定位實現的情報功能與信息展示

1）總結整個飛行任務模型，利用空間量算可實現的情報功能

①飛機動態跟蹤：我方無人機在飛行過程中通過數據鏈向指揮部發送信息、報告飛行狀況，包括所處的地理位置、飛行狀態等；敵方信息則通過二次雷達、地空數據鏈等中介平臺向地面報告。通過數字地球將敵我飛機的地理位置實時地顯示在監控窗口中，做到信息可視化。指揮員在數字地球上掌握所有被監控飛機的地理位置和與監控飛機有關的其他信息。

②航行監視：在動態監控過程中，可針對某一架或某幾架飛機利用無人機目標定位量算進行特殊跟蹤，在航線設計時充分考慮偏航極限范圍內有無不適合的點、線、面，即危險目標；在航路監視時，將其計劃航線與實際飛行航線比較，實時計算并顯示飛機的實際飛行航線與預計航線的偏差，如果超過偏離誤差則向指揮員報告。

圖5 飛行期間關于目標位置的空間測量

③沖突檢測和解脫：對于監控的無人飛機，以它的位置為中心、以一定距離為半徑實時建立球形緩沖區，實時地（或周期性地）監控有無危險目標進入；當有沖突發生，實時計算威脅目標空間信息，具體地，運動目標的高度、速度、飛行方向、威脅范圍等屬性信息，靜止目標的或長度、或周長與面積、或坡度坡向等屬性計算，以及威脅目標與我機的距離與方位等，并根據這些信息制定解脫方案。

④航跡繪制：存儲每個定位點信息，為提高程序的效率和便于分析人員觀看整個態勢效果，目標的航跡信息初始默認為隱藏狀態，當需要查看時利用大地線繪制原理插值并連線定位點以進行航跡顯示[12]。

2）部分信息的展示

圖6為我方遂行任務飛機監控界面，圖7為沖突檢測圖，圖8為飛行航跡顯示圖。

圖6 地面操作無人機的飛行屬性界面

圖7 沖突檢測區域圖

圖8 飛行航跡顯示

此模型不僅僅適合無人機飛機，也可推廣到有人飛機和其他任何執行飛行偵察作戰任務的飛行器，或者其他應用領域。

4 結論

隨著現代戰爭的發展變化，無人機偵察圖像目標定位技術在軍事上的應用非常普遍。目標定位技術有著巨大的情報保障價值和作戰指揮作用，決定著戰爭勝負意義重大。無人機偵察圖像目標位置測量技術，是無人機信息處理研究的重點和熱點，無人機偵察圖像目標定位直接關乎到無人機作戰效能和作戰保障能力。本文通過無人機戰場飛行實際情況，對無人機偵察圖像目標定位在航跡規劃的應用情況做了具體闡述，證明無人機偵察圖像目標定位的重要軍事價值。

由于無人機偵察圖像目標定位的精確度、時效性和普適性等性能對無人機能否在更加高效地運用到軍事上具有決定性的作用，所以需要進一步提高和改善這些定位性能，這是關于無人機偵察目標定位需要一直研究下去的問題；并且不僅僅把這些無人機定位性能運用到軍事上，更可以運用到人們的日常生活中。

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Military Application of UAV Reconnaissance Target Localization

YANG Shuai，CHENG Hong，LI Ting，SUN Wenbang

(,130022,)

UAVs can locate the precise location information of targets through a variety of methods in order to implement battlefield command or a military strike. The various sorting and classification principles of UAVs reconnaissance targeting technology are described, and its scope of application in the military field is parsed. UAV mission is taken as an example, in which a detailed calculation of the amount of space UAV reconnaissance targeting technique is performed by using the actual flight path planning of UAV reconnaissance，which proves targeting technology has an important military value.

UAV，reconnaissance image，target location，military application，precision striking，path planning

V279

A

1001-8891(2016)06-0467-05

2016-01-04；

2016-03-17.

楊帥（1992-），男（漢族），遼寧錦州市人，碩士研究生，主要研究領域為無人機定位技術。

程紅（1969-），女（漢族），吉林長春市人，教授，碩士研究生導師，主要研究領域為成像偵察。

國家自然科學基金（61301233）；全軍軍事類研究生資助課題項目（2013JY514）。