无人机光电侦测平台目标定位误差分析*

期刊目录网电力论文发表2018-10-06 11:00关注(1)

　　徐诚1，黄大庆1，2

　　(1.南京航空航天大学电子信息工程学院南京210016;2.南京航空航天大学无人机研究院南京210016)

　　摘要:针对无人机光电侦测平台在目标定位过程中测量误差因素繁多、分析困难等问题，提出了一种基于多因素分析的误差建模与分析方法。在系统总体结构的基础上，根据目标从空间直角坐标系到光电传感器坐标系的映射关系，建立目标定位模型，以载机位置、姿态误差以及光电侦测平台转角、测距误差等9项因数为变量，推导出目标定位误差计算公式。采用飞行实验数据验证了该误差计算方法的有效性，并通过仿真实验分析了载机位置、姿态角误差、光电传感器方位角、高低角误差以及激光测距误差对目标定位精度的影响，同时指出实际应用中无人机测量点位置与目标定位精度的关系，载机高度越低、视轴指向角越大，目标定位精度越高。

　　关键词:无人机;光电侦测;目标定位;误差分析

　　中图分类号:TH74文献标识码:A国家标准学科分类代码:510.40

　　Erroranalysisfortargetlocalizationwithunmannedaerialvehicleelectro-opticaldetectionplatformXuCheng1，HuangDaqing1，2

　　(1.CollegeofElectronicandInformationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing210016，China;2.ResearchInstituteofUAV，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing210016，China)

　　Abstract:Aimingattheproblemsofexcessivemeasurementerrorfactorsandanalysisdifficultyofunmannedaerialvehicle(UAV)electro-opticaldetectionplatform(EODP)intargetlocatingprocess，anerrormodelingandanalysismethodbasedonmulti-factortheoryisproposed.OnthebasisoftheoverallstructureofUAVEODP，atargetlocalizationmodelisestablishedaccordingtothemappingrelationshipofthetargetfromthegeodeticcoordinatesystemtophoto-sensorcoordinatesystem.The9factors，includingUAVpositionandattitudeerror，EODPangle，rangeerrorandetc.，areselectedasvariables;atargetlocalizationerrorcalculationformulaisderived.Theflightexperimentdataareusedtoverifytheeffectivenessofthiserrorcalculationmethod.Withsimulationexperiments，theinfluenceofUAVposition，attitudeangleerror，electro-opticalsensorazimuthangleandelevationangleerrorsandlaserrangingerroronlocalizationprecisionisanalyzed;atthesametime，therelationshipbetweenthemeasuringpointofUAVandlocalizationprecisioninactualapplicationispointedout:thelowertheplaneandthelargerthepointingangle，thehigherthetargetlocalizationprecision.

　　Keywords:unmannedaerialvehicle(UAV);electro-opticaldetection;targetlocalization;erroranalysis

　　1引言

　　在现代战争中，无人侦察机具有独特的优越性和灵活性，担负战场侦察和目标监视的重要任务。战场军事目标的精确位置是把握战场态势、指挥决策和精确打击的重要信息。通过机载光电侦测平台，可以获取目标相对载机的距离、方位角和俯仰角，但是无法直观地得出目标的具体位置[1]。随着现代军事的发展，要求快速直观地得到目标的位置，不只是得到目标相对载机的距离、俯仰角和方位角，而是希望获取目标在大地坐标系下的三维坐标。

　　目标定位就是为了实现这一目的。目标定位精度会受到来自姿态、测距、定位等多种测量误差的影响[2-7]，这些误差对目标的定位结果的影响一般表现为系统性的，会在不同程度上歪曲定位结果。为了获取高精度地面目标位置信息，就必须研究这些误差的来源和影响规律，并采取一定的措施来减小这些误差的影响。一些学者从不同的应用侧面对目标定位误差进行了分析和讨论:文献[8]构造多变量的统一测量方程，进行测量误差因素的分析和分配，使用MonteCarlo法来计算目标定位误差;文献[9]阐述了由双坐标伺服系统和固体激光测距机等单元模块构成的目标单点探测定位系统的功能实现原理、影响系统定位精度的各误差分量的构成以及减小或消除系统定位误差的方法;文献[10]根据动载体姿态角与目标空间位置的三维立体关系，建立误差模型的量化公式，分析了动载体姿态角对侦察设备测角误差的影响。

　　本文以无人机光电侦测平台目标定位为研究背景，将无人机和航空光电侦测平台作为一个整体来研究，根据目标定位过程，选取对定位结果有较大影响的9个变量，推导出目标定位误差的描述方程，与MonteCarlo误差分析方法相比，具有更好的直观性以及方便在试飞现场快速地评价目标定位的测量误差。根据误差描述方程，讨论了各误差因素对最终目标定位精度的影响，同时指出无人机测量点位置和目标定位精度的关系，对提高无人机目标定位精度有重要的参考价值。

　　2目标定位原理

　　2.1系统总体结构无人机目标定位的目的是求取目标在大地坐标系下的三维坐标。本文讨论无人机装备GPS/INS导航设备和机载光电侦测平台。如图1所示，机载光电侦测平台以跟踪架为主框架，包含有竖轴、横轴、照准架、光电传感器、激光测距机等基本组成部分，主要采用吊舱式及转塔式结构安放在飞机上[11]。在目标定位过程中，侦察图像和遥测信息经数据链系统传输至地面站显示，操纵手通过操纵杆及其他指令控制稳定平台和摄像系统搜索侦察目标，当感兴趣的目标出现在画面上时，可以锁定并跟踪目标，使目标处于画面中心，冻结图像并将飞机平台的航空姿态测量数据、飞机GPS接收机信息、机载光电侦测平台自身的视轴位置、机载光电侦测平台的激光测距值发送至地面站计算机，地面计算机通过一系列的坐标变换，计算出目标的三维坐标[12]。

　　3目标定位误差理论分析

　　根据式(6)可知，目标定位的计算数值由载机的位置、姿态角、光电传感器方位角和高低角、目-载距离的激光测量值综合决定。因此，目标定位的误差也由载机位置误差、载机姿态角误差、光电传感器方位角和高低角误差、激光测距误差共同作用产生。

　　4仿真实验

　　4.1目标定位误差分析方法有效性验证本文推导了无人机目标定位误差的理论表达式，由于计算过程较为复杂，涉及较多的矩阵旋转和平移，出于简化计算的目的，忽略了高阶项的影响。为了验证误差分析算法的有效性，将理论分析的误差和某次飞行实验中的测量数据进行比较。实验机相关参数如下:载机位置测量经纬度误差标准差为0.0002°，高度误差标准差为10m;载机姿态角(偏航角、俯仰角、横滚角)测量误差标准差为0.3°;光电传感器方位角和高低角测量误差标准差为0.02°;激光测距误差标准差为5m。载机在目标点正上空2000m高度处作半径为500m的盘旋平稳飞行(即保持载机俯仰角、横滚角近似为零值)，对目标点进行300次定位测量。经过式(12)计算，目标定位误差约为37.1m。

　　5结论

　　本文建立了无人机目标定位模型，并分析了目标定位的误差来源，推导出目标定位误差理论计算公式。通过实验验证了该误差理论分析方法的有效性。分析结果表明，载机姿态角误差以及光电传感器方位角、高低角误差对目标定位精度影响较大，载机自身位置误差和激光测距误差对定位误差影响为线性数值平移，且对定位误差影响相对较小。同时，无人机进行目标定位时，选择的测量点应有较低高度、较大视轴指向角，以有效提高目标定位精度，该结论对工程应用具有重要意义。

　　参考文献

　　[1]金光.机载光电跟踪测量的目标定位误差分析和研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2001.JING.Electro-opticaltrackingtargetpositioningerroranalysisandresearchbasedonairborne[D].Changchu:ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，2001.

　　[2]余家祥，萧德云，秦东兴，等.一种新的对地定位方法及其精度分析与仿真[J].系统仿真学报，2007，19(21):4874-4876，4880.YUJX，XIAODY，QINDX，etal.Newapproachforgroundtargetlocationwithprecisionanalysisandsimulation[J].JournalofSystemSimulation，2007，19(21):4874-4876，4880.

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