CN107221008A - 一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法，首先通过无人机机载光电载荷在大视场范围内，采用传统方式进行目标搜索与跟踪；然后利用光轴自动引导方法将导弹导引头光轴指向目标，地面控制站火控操作手在导引头图像上，采用图像匹配和像素修正方式实现对目标跟踪捕获，从而构成发射条件，在有效操作时间内。本方法机载计算量小，实时性高，操作简单，有效提高了无人机的自主攻击能力，为察打无人机图像制导导弹的使用提供了简便实现的方法。

Description

一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法

技术领域

本发明属于无人机任务设备控制技术，具体涉及一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法。

背景技术

察打一体化无人机的武器配置一般以激光制导导弹或炸弹为主，制导方式多采用激光半主动方式，在攻击目标过程中需要机载光电载荷对目标进行持续激光照射，容易暴露载机位置使其处于危险当中。

采用图像制导的导弹具有“发射前锁定、发射后不管”的特点，近些年其小型化技术较为成熟，但主要用于单兵车载“地对地”或“地对空”攻击，通过挂载在无人机上实现“空对地”攻击应用较少。

无人机挂载图像制导导弹，一方面由于导弹导引头市场范围小，直接搜索目标非常困难；另一方面存在链路延时，并且在动基座上捕获目标，难度更大。目前，国内现有“翼龙”或“彩虹”等察打一体无人机并未进行该种技术的工程化研制。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法，解决无人机机载图像制导导弹目标搜索与捕获问题，从而克服机载动基座和链路延时带来的操作难度，提高目标捕获效率，增强定点清除作战效能。

技术方案

一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法，将导弹上的前后卡环与无人机挂点进行对接实现导弹与无人机之间的结构连接，导弹纵轴相对无人机水平轴下偏5°挂载，横轴同无人机航向方向相同；其特征在于步骤如下：

步骤1：地面控制站火控操作手控制光电载荷进行目标搜索与跟踪时，导引头光轴自动维持在光电侦察载荷设备光轴的指向位置，实时跟随其运动进行随动；目标搜索与跟踪时实时得到光电载荷光轴方位角α₁和俯仰角β₁，根据导弹安装轴系关系可自动计算出导弹导引头光轴方位角α和俯仰角β，使得导弹导引头光轴自动指向目标；其中导弹导引头光轴方位角α和俯仰角β同光电载荷光轴方位角α₁和俯仰角β₁关系如下：

步骤2：地面控制站火控操作手通过无人机机载光电载荷在大视场范围内，采用人工视觉监控方法对目标进行搜索；发现目标后，操控光电载荷侦察设备对目标进行跟踪，目标稳定跟踪后对当前图像进行冻结，框选出冻结图像中的目标，采用sift特征提取算法自动提取目标特征；目标选取的同时提取框选目标的靶面坐标，其中靶面坐标系：以光电载荷视频画面中心为坐标原点，X轴向右为正，Y轴向上为正；

步骤3：地面控制站火控操作手进行操控模式切换，由操控光电载荷侦察设备模式切换到导弹操控模式；操控模式切换的同时将提取的目标特征及目标靶面坐标由光电载荷设备传送给导弹导引头，导弹导引头接收到目标特征及目标靶面坐标后进行目标匹配，匹配初始位置由靶面中心坐标开始；

步骤4：目标匹配成功后，导引头进入目标锁定阶段，火控操作手观察导引头图像并实时对目标跟踪框进行微调，保证导引头光轴始终指向目标。

有益效果

本发明与之前的察打无人机挂载激光制导导弹相比，提高了察打无人机的自动化程度，减轻了操作人员的负担，降低了操作人员的失误概率，提高了无人机系统的安全性。

本发明提到的目标捕获方法，机载计算量小，实时性高，操作简单，有效提高了无人机的自主攻击能力，为察打无人机图像制导导弹的使用提供了简便实现的方法。

附图说明

图1是本方法总流程图

图2是本方法任务剖面示意图

图3是本方法坐标轴系关系示意图

图4是机体与弹体坐标空间矢量图

图5是本方法图像匹配示意图

图6是本方法飞行航迹规划图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出的一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法，首先通过无人机机载光电载荷在大视场范围内，采用传统方式进行目标搜索与跟踪；然后利用光轴自动引导方法将导弹导引头光轴指向目标，地面控制站火控操作手在导引头图像上，采用图像匹配和像素修正方式实现对目标跟踪捕获，从而构成发射条件，在有效操作时间内。

本发明所涉方法步骤如下：

1.光电载荷导引头光轴自动引导解算

1)导弹与飞机安装轴系关系；

本发明利用前后卡环与无人机挂点进行对接实现导弹与无人机之间的结构连接，发控单元放置于挂架中间缓冲固定，导弹纵轴相对无人机水平轴下偏5°挂载，横轴同无人机航向方向相同，一套挂载机构挂载1发导弹。

2)坐标变换；

本发明中导引头光轴自动引导解算时涉及到三个坐标系，分别是：

地理坐标系(OX_tY_tZ_t)：坐标原点为载体质心处，X_t在当地水平面内指向北，Y_t当地水平面内指向东，Z_t垂直于OX_tY_t平面，方向按右手坐标系确定。

飞机坐标系(OX₁Y₁Z₁)：飞机坐标系是以飞机中心为坐标原点，X₁轴为飞行方向，指向头部为正，Z₁轴位于无人机对称面内与X₁轴垂直，指向下为正，Y₁轴垂直于OX₁Z₁平面，方向按右手坐标系确定。

导弹坐标系(OXYZ)：导弹坐标系是以导弹中心为坐标原点，X轴为飞行方向下偏5°，指向头部为正，Z轴位于无人机对称面内与X轴垂直，指向下为正，Y轴垂直于OXZ平面，方向按右手坐标系确定。

导引头上电后默认为数指状态，即将导引头光轴自动维持在光电侦察载荷设备光轴的指向位置，实时跟随其运动进行随动。光电侦察载荷设备光轴指向在飞机坐标系下表示，因此计算导引头光轴指向时需要将光电侦察载荷设备光轴由飞机坐标系转换至导弹坐标系下计算得出导引头光轴指向。

飞机坐标系(OX₁Y₁Z₁)转换至导弹坐标系(OXYZ)的转换关系如下：

3)计算给定俯仰角与方位角。

光电载荷光轴指向涉及两个角度，分别是光电载荷光轴方位角α₁和光电载荷光轴俯仰角β₁。

光电载荷光轴方位角α₁；指在OX₁Y₁平面内，顺OZ₁轴观察，OX₁轴顺时针旋转到光轴在OX₁Y₁平面内的投影之间的夹角；

光电载荷光轴俯仰角β₁：指光轴在OX₁Z₁平面内的投影与OZ₁轴之间的夹角，迎OY₁轴观察，光轴的投影位于OZ₁轴的右侧为正，反之为负。

本发明中地面控制站火控操作手控制光电载荷进行目标搜索与跟踪时，导引头光轴自动维持在光电侦察载荷设备光轴的指向位置，实时跟随其运动进行随动。目标搜索与跟踪时实时得到光电载荷光轴方位角和俯仰角，根据导弹安装轴系关系可自动计算出导弹导引头光轴方位角和俯仰角，使得导弹导引头光轴自动指向目标。

由于导弹坐标系(OXYZ)同飞机坐标系(OX₁Y₁Z₁)水平轴下偏5°，因此导弹导引头光轴方位角α和俯仰角β同光电载荷光轴方位角α₁和俯仰角β₁关系如下：

2.地面目标选取与匹配

1)图像冻结与目标特征提取

本发明中地面控制站火控操作手通过无人机机载光电载荷在大视场范围内，采用人工视觉监控方法对目标进行搜索；发现目标后，操控光电载荷侦察设备对目标进行跟踪，目标稳定跟踪后对当前图像进行冻结，框选出冻结图像中的目标，自动提取目标特征。

本发明采用sift特征提取算法进行目标特征提取。sift特征提取算法具有对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性，对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定的稳定性等特点。

本发明经过构建尺度空间、检测尺度空间极值点、精确定位极值点、为每个关键点指定方向参数、关键点特征描述的生成几个关键步骤后最后生成64维或128维的sift特征向量。此时的sift特征向量已经去除了尺度变化、旋转等几何变形因素的影响。

2)成像靶面坐标提取

目标选取的同时提取框选目标的靶面坐标。

靶面坐标系：光电载荷视频画面中心为坐标原点，X轴向右为正，Y轴向上为正。

3.目标特征上传导引头转跟踪以及跟踪修正

待光电载荷侦察设备进入自动跟踪状态后对导弹进行上电，导引头画面实时传回地面。待完成光电载荷侦察设备目标选取与目标特征提取后，地面控制站火控操作手择机进行操控模式切换，由操控光电载荷侦察设备模式切换到导弹操控模式，即进入导引头跟踪及跟踪修正阶段。

操控模式切换的同时将提取的目标特征及目标靶面坐标由光电载荷设备传送给导弹导引头，导弹导引头接收到目标特征及目标靶面坐标后，将目标特征与导引头视频图像进行目标匹配，匹配初始位置由靶面中心坐标开始，从而提高了匹配效率。

目标匹配成功后，导引头进入目标锁定阶段，火控操作手按像素进行跟踪微调，使得导引头锁定点位置使其与目标相匹配。

4.导弹击发阶段

满足发射条件后，火控操作手即可发送击发指令，进入导弹击发阶段，导弹在收到击发指令后约3s发射，无人机完成武器发射任务。

本发明已经应用于ASN209G型无人机系统中。在该系统中，本方法被包含于地面控制车上的图像显示软件中。图像显示软件通过网络与数据链系统的地面数据终端进行数据交互，并通过地面数据终端向飞机发送任务控制指令。

无人机发射起飞后，飞行操作手控制飞机沿靶道方向爬升至2000m高度定高飞行，沿靶道方向飞行至目标区域。火控操作手观察光电载荷侦察设备图像，发现目标后对目标进行跟踪，导引头光轴自动维持在光电侦察载荷设备光轴的指向位置。目标稳定跟踪后对当前光电载荷侦察视频进行图像冻结。火控操作手在冻结的图像上移动鼠标框选目标，框选出目标后进行操控模式切换，由操控光电载荷侦察设备转为操控导弹导引头。

导弹导引头收到目标特征及靶面坐标后进行目标匹配，匹配成功及跟踪微调后进行目标锁定。火控操作手观察导引头图像并实时对目标跟踪框进行微调，保证导引头光轴始终指向目标。当飞机飞临发射区时，火控操作手择机进行导弹发射。此次飞行航迹规划如图6所示。

Claims (1)

1.一种察打无人机图像制导导弹目标捕获方法，将导弹上的前后卡环与无人机挂点进行对接实现导弹与无人机之间的结构连接，导弹纵轴相对无人机水平轴下偏5°挂载，横轴同无人机航向方向相同；其特征在于步骤如下：

步骤1：地面控制站火控操作手控制光电载荷进行目标搜索与跟踪时，导引头光轴自动维持在光电侦察载荷设备光轴的指向位置，实时跟随其运动进行随动；目标搜索与跟踪时实时得到光电载荷光轴方位角α₁和俯仰角β₁，根据导弹安装轴系关系可自动计算出导弹导引头光轴方位角α和俯仰角β，使得导弹导引头光轴自动指向目标；其中导弹导引头光轴方位角α和俯仰角β同光电载荷光轴方位角α₁和俯仰角β₁关系如下：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>5</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

步骤2：地面控制站火控操作手通过无人机机载光电载荷在大视场范围内，采用人工视觉监控方法对目标进行搜索；发现目标后，操控光电载荷侦察设备对目标进行跟踪，目标稳定跟踪后对当前图像进行冻结，框选出冻结图像中的目标，采用sift特征提取算法自动提取目标特征；目标选取的同时提取框选目标的靶面坐标，其中靶面坐标系：以光电载荷视频画面中心为坐标原点，X轴向右为正，Y轴向上为正；

步骤3：地面控制站火控操作手进行操控模式切换，由操控光电载荷侦察设备模式切换到导弹操控模式；操控模式切换的同时将提取的目标特征及目标靶面坐标由光电载荷设备传送给导弹导引头，导弹导引头接收到目标特征及目标靶面坐标后进行目标匹配，匹配初始位置由靶面中心坐标开始；

步骤4：目标匹配成功后，导引头进入目标锁定阶段，火控操作手观察导引头图像并实时对目标跟踪框进行微调，保证导引头光轴始终指向目标。