一種應(yīng)用于對岸火力支援的無人機(jī)目標(biāo)定位技術(shù)研究?

王成飛 吳鵬飛 石章松

（1.91655部隊 北京 100036）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.92925部隊 長治 046000）

一種應(yīng)用于對岸火力支援的無人機(jī)目標(biāo)定位技術(shù)研究?

王成飛1吳鵬飛2，3石章松2

（1.91655部隊 北京 100036）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.92925部隊 長治 046000）

根據(jù)對岸火力支援作戰(zhàn)需求，提出了兩種無人機(jī)作戰(zhàn)樣式，介紹了無人機(jī)攜帶的光電吊艙對目標(biāo)定位所采用的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，應(yīng)用全球定位系統(tǒng)技術(shù)，獲取無人機(jī)和目標(biāo)位置信息，以及無人機(jī)姿態(tài)信息，建立輔助坐標(biāo)系，構(gòu)建定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，對目標(biāo)定位過程進(jìn)行推導(dǎo)。基于蒙特卡羅方法對目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行了仿真，并對影響定位結(jié)果精度的因素進(jìn)行了分析，分析過程和結(jié)果具有一定的參考價值和實用性。

火力支援；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；誤差分析；定位精度

1 引言

隨著海軍從“近海防御”到“近海防御與遠(yuǎn)海防衛(wèi)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變以及我國海外利益的不斷擴(kuò)大，由海軍水面艦艇承擔(dān)的對岸火力支援作戰(zhàn)任務(wù)逐漸成為一種愈發(fā)重要的現(xiàn)實需求［1］。為實現(xiàn)對陸地和近岸海面目標(biāo)的精確打擊，關(guān)鍵是獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。對岸火力支援作戰(zhàn)是火力支援的特殊形式，傳統(tǒng)火力支援作戰(zhàn)的目標(biāo)位置信息獲取是以偵查人員結(jié)合地圖與觀測器材為主的作業(yè)模式，存在探測距離近、觀察時間長、信息精度低、打擊不及時等問題，這既降低了作戰(zhàn)的準(zhǔn)確性與時效性，影響整個作戰(zhàn)意圖的實施，同時還有可能造成己方裝備和人員的誤傷，而信息技術(shù)和無人系統(tǒng)的發(fā)展，為火力支援作戰(zhàn)目標(biāo)定位帶來了新的可能［2］。一種典型的作戰(zhàn)樣式是艦艇編隊或前沿特種分隊施放無人偵察機(jī)，無人機(jī)攜帶高精度的光電吊艙設(shè)備，探測到目標(biāo)的精確位置信息，經(jīng)過一系列計算后將目標(biāo)位置信息通過一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給火力打擊艦艇編隊或者前沿特種分隊，隨后對目標(biāo)進(jìn)行精確火力打擊［3］。

對于海軍對岸火力支援的研究，目前文獻(xiàn)多集中于無人機(jī)保障、新型信息化彈藥、艦炮武器發(fā)展以及作戰(zhàn)效能分析等方面。在此基礎(chǔ)上，本文以對岸火力支援作戰(zhàn)為背景，探討了無人機(jī)在對岸火力支援作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)樣式［4］，分析其光電吊艙對目標(biāo)定位流程，對其定位誤差進(jìn)行了仿真分析，指出了影響定位精度的幾方面因素，為對岸火力支援作戰(zhàn)中無人機(jī)的運用提供了一些實質(zhì)性參考。

2 無人機(jī)作戰(zhàn)樣式

在執(zhí)行對岸火力支援作戰(zhàn)中，無人機(jī)攜帶的探測設(shè)備為模塊化光電吊艙［5］，光電吊艙配置有GPS、航行姿態(tài)量測系統(tǒng)、光電吊艙等設(shè)備，其系統(tǒng)組成如圖1所示，光電吊艙把自身相對于無人機(jī)平臺的姿態(tài)角、地面/海面目標(biāo)相對于無人機(jī)的激光測距值和光電吊艙的視軸位置信息等數(shù)據(jù)傳遞給無人機(jī)，飛機(jī)平臺將獲得的所有信息與GPS信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)融合，經(jīng)坐標(biāo)變換后完成目標(biāo)定位。

在對岸火力支援作戰(zhàn)中，被打擊的目標(biāo)既有陸地目標(biāo)也有近岸海面目標(biāo)，作戰(zhàn)環(huán)境十分復(fù)雜，根據(jù)前沿作戰(zhàn)需要，無人機(jī)既可以通過艦艇編隊施放也可以通過前沿特種分隊施放，其作戰(zhàn)樣式主要有以下兩種：

作戰(zhàn)樣式一：由艦艇編隊施放無人機(jī)并控制無人機(jī)飛行，無人機(jī)在任務(wù)區(qū)執(zhí)行偵察任務(wù)，探測到目標(biāo)后將目標(biāo)位置信息通過一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給艦艇編隊，艦艇編隊經(jīng)過任務(wù)分配后指揮火力打擊艦艇對目標(biāo)進(jìn)行打擊，如圖2所示。

作戰(zhàn)樣式二：在前沿任務(wù)區(qū)我前沿特種分隊施放無人機(jī)并控制無人機(jī)飛行，無人機(jī)對概略目標(biāo)進(jìn)行精確偵察，探測到目標(biāo)后將目標(biāo)位置信息通過一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給前沿特種分隊，前沿特種分隊再發(fā)送給艦艇編隊，或無人機(jī)直接將目標(biāo)位置信息發(fā)送給艦艇編隊，艦艇編隊經(jīng)過任務(wù)分配后指揮火力打擊艦艇對目標(biāo)進(jìn)行打擊，如圖3所示。

3 定位過程

3.1 輔助坐標(biāo)系

無人機(jī)利用光電吊艙對陸地/海面目標(biāo)定位涉及到的坐標(biāo)系有以下幾種［6～7］：

1）大地坐標(biāo)系C(Oc-XcYcZc)；

2）大地直角坐標(biāo)系G(Og-XgYgZg)；

3）無人機(jī)平臺地理坐標(biāo)系S(Os-XsYsZs)；

4）無人機(jī)平臺直角坐標(biāo)系A(chǔ)(Oa-XaYaZa)；

5）光電吊艙直角坐標(biāo)系B(Ob-XbYbZb)。

各坐標(biāo)系直角的轉(zhuǎn)換矩陣：

1）大地坐標(biāo)系到大地直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：其中：a為橢球的長半徑，b為橢球的短半徑，e為橢球的第一偏心率，e′為橢球的第二偏心率，N為卯酉圈曲率半徑，，另外，U=arctan

2）大地直角坐標(biāo)系到無人機(jī)地理坐標(biāo)系的變換矩陣如下［8］：

其中，αs、λs、hs是無人機(jī)大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度和大地高程。

3）無人機(jī)地理坐標(biāo)系到無人機(jī)平臺直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

其中，φas，ψas，θas是無人機(jī)姿態(tài)角（偏航、橫滾和俯仰）。

4）無人機(jī)平臺直角坐標(biāo)系到光電吊艙直角坐標(biāo)系的變換矩陣如下：

其中，Δθba，Δφba，Δψba是光電吊艙與無人機(jī)之間的振動角。

3.2 目標(biāo)定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

無人機(jī)光電吊艙目標(biāo)定位過程是，已知目標(biāo)相對光電吊艙的球坐標(biāo)(α，λ，R)、無人機(jī)的大地坐標(biāo)(αs，λs，hs)、無人機(jī)偏航角和光電吊艙振動角，求解目標(biāo)大地坐標(biāo)(B，L，H)的過程，其轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

由于本文擬采用光電測量設(shè)備，所以目標(biāo)相對無人機(jī)基座的位置關(guān)系可以有兩種表示方式，如圖5所示，其一是目標(biāo)在基座坐標(biāo)系的坐標(biāo)值(xb，yb，zb)，此表示方法在齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中較為常用。其二是目標(biāo)相對基座的位置關(guān)系（方位角α，俯仰角λ，距離R），該表示方式可以通過無人機(jī)測量設(shè)備直接得到［9］。它們代表的目標(biāo)位置實際上是一致的，但在定位計算過程中需要探討兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便進(jìn)行理論研究。

從圖中可以看出：

定位過程是在目標(biāo)相對光電載荷基座坐標(biāo)系的位置（方位角α，俯仰角λ，距離R）已知的情況下，通過齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法求解大地坐標(biāo)系坐標(biāo)值（緯度B，經(jīng)度L）的過程。如圖5所示：

第一步：求出目標(biāo)在基座坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xb， yb， zb)：

第二步：求出從基座坐標(biāo)系坐標(biāo)值到大地直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值 (xg，yg，zg)：

又因為所有直角坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣都是正交矩陣，所有正交矩陣的逆矩陣都和它的轉(zhuǎn)置矩陣相等［10］，Q1、Q2、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9均 為正交矩陣即

第三步：根據(jù)大地直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，求出 (B，L，H)：

4 定位誤差分析與仿真

4.1 誤差模型

蒙特卡羅方法是隨機(jī)模擬方法，也稱統(tǒng)計試驗方法，是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展起來的一種研究方法［11］。它利用計算機(jī)產(chǎn)生符合要求的隨機(jī)數(shù)來代替現(xiàn)實難以獲取的數(shù)據(jù)，從而解決所研究的問題。

在對目標(biāo)定位誤差進(jìn)行分析時，根據(jù)無人機(jī)光電測量系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中各參數(shù)的量測值和兩側(cè)誤差，運用蒙特卡羅法建立誤差傳遞模型：

其中，xi為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中各參數(shù)的測量值，Δxi為測量誤差。

在已知目標(biāo)相對基座的位置(α，λ，R)情況下，假設(shè)目標(biāo)大地坐標(biāo)求解過程為［12］

其中，B、L、H為目標(biāo)在大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，ΔB、ΔL、ΔH為目標(biāo)定位結(jié)果誤差，G為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，X、ΔX表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中參數(shù)及其誤差。

機(jī)載光電吊艙目標(biāo)定位誤差與多種因素有關(guān)，考慮三維空間情況，在光電吊艙測定目標(biāo)位置（經(jīng)度、緯度、高程）時直接測定的物理量包括：通過定位導(dǎo)航類設(shè)備測定的無人機(jī)平臺在大地坐標(biāo)系下的位置（經(jīng)度、緯度、高程），無人機(jī)姿態(tài)角（俯仰角、橫滾角、偏航角）、目標(biāo)在光電平臺坐標(biāo)系中的位置（方位角、俯仰角和距離），另外無人機(jī)光電吊艙安裝有減震器，應(yīng)將光電吊艙減震器的角振動誤差也考慮進(jìn)去，上述參數(shù)共同構(gòu)成光電吊艙的定位精度指標(biāo)系統(tǒng)。由實際工作中參數(shù)模型和概率論知識可知，這些參數(shù)的誤差大都服從正態(tài)分布或近似服從正態(tài)分布。因此，假設(shè)定位計算的參數(shù)誤差ΔX分布如下式所示：

4.2 仿真程序設(shè)計

基于蒙特卡羅的無人機(jī)光電吊艙對目標(biāo)定位誤差模型仿真程序計算的具體步驟如下圖所示。

根據(jù)實際情況得到仿真程序所采用的數(shù)據(jù)如下表所示：

表1 仿真所用數(shù)據(jù)值

4.3 實驗結(jié)果與分析

通過Matlab仿真程序節(jié)進(jìn)行1000次計算，對加入誤差的目標(biāo)定位模型進(jìn)行仿真，分別得到陸地和海上目標(biāo)的定位誤差結(jié)果如圖7所示。

由圖7和圖8可以看出，無論海上目標(biāo)還是陸地目標(biāo)，無人機(jī)光電吊艙對目標(biāo)的定位結(jié)果呈中心分布，中心某點概率最大，概率向外越來越小。經(jīng)度、緯度和高度的誤差分布都近似服從μ=0的正態(tài)分布。定位誤差仿真結(jié)果如表2所示。

表2 陸地/海上目標(biāo)定位精度

應(yīng)用蒙特卡羅方法模擬誤差的隨機(jī)抽樣值，模擬出目標(biāo)定位誤差的樣本值，各個樣本相互獨立，樣本數(shù)量越多，結(jié)果就與實際結(jié)果越接近，且置信度很高［13］。采用前文無人機(jī)光電吊艙目標(biāo)定位方法對陸地/海上目標(biāo)定位時，其精度與無人機(jī)位置、無人機(jī)姿態(tài)、光電吊艙振動角和目標(biāo)位置及其誤差有關(guān)。應(yīng)用蒙特卡羅方法對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，可以知道：1）無人機(jī)經(jīng)緯度的變化對定位精度影響較小，雖然在無人機(jī)靠近南北兩極時對誤差精度影響較大，但對于對岸火力支援作戰(zhàn)來說沒有實際意義，故暫不考慮。無人機(jī)大地高H受到目標(biāo)與無人機(jī)距離R的影響較大；2）無人機(jī)姿態(tài)角和光電吊艙振動角的名義值對定位精度沒有影響。3）目標(biāo)與無人機(jī)的距離R與定位誤差近似成正比的關(guān)系。4）無人機(jī)和光電吊艙姿態(tài)及量測誤差越大，目標(biāo)定位誤差越大。針對以上各參數(shù)對定位結(jié)果影響的分析，可以采取必要措施提高目標(biāo)定位精度，在對岸火力支援作戰(zhàn)中提高無人機(jī)的作戰(zhàn)效率。

5 結(jié)語

隨著海軍戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變以及我國海外利益的不斷擴(kuò)大，對岸火力支援作戰(zhàn)任務(wù)成為一種愈發(fā)重要的現(xiàn)實需求，無人機(jī)在其中發(fā)揮的作用也越來越大。本文根據(jù)對岸火力支援作戰(zhàn)需求，提出了兩種無人機(jī)作戰(zhàn)樣式，介紹了無人機(jī)攜帶的光電吊艙對目標(biāo)定位方法，并基于蒙特卡羅方法對目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行了仿真，對影響定位結(jié)果精度的因素進(jìn)行了分析，針對分析結(jié)果，可以采取必要措施提高無人機(jī)定位精度，在對岸火力支援作戰(zhàn)中提高無人機(jī)的作戰(zhàn)效率，本文分析過程和結(jié)果具有一定的參考價值和實用性。

［1］吳中紅，石章松.對岸火力支援前沿偵察系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與作戰(zhàn)樣式［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2015，36（1）：91-93.

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A Research on Target Positioning Technology by UAV for Shore Fire Support Combat

WANG Chengfei1WU Pengfei2，3SHI Zhangsong2
（1.No.91655 Troops of PLA，Beijing 100036）（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（3.No.92925 Troops of PLA，Changzhi 046000）

According to the demand of shore fire support combat，two kinds of UAV combat styles are put forward，the homo?geneous coordinate transformation method is introduced for the photovoltaic pod carried by UAV.Global positioning system technolo?gy is applied to get location information of UAV and target as well as UAV attitude information.The coordinate system and transfor?mation equation are extablished，the target position process is derived，the position results is simulated based on Monte Carlo meth?od，and the factors influenced the accuracy of position results are analyzed.The analysis process and result have certain reference value and practicality.

fire support，coordinate transformation，error analysis，position accuracy

TP249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.013

Class Number TP249

2017年5月11日，

2017年6月21日

海軍裝備預(yù)研項目（編號：3020801010105）資助。

王成飛，男，工程師，研究方向：指揮信息系統(tǒng)技術(shù)。吳鵬飛，男，博士研究生，研究方向：指揮控制與優(yōu)化決策。石章松，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：指揮控制與優(yōu)化決策。