一種察打無人機圖像制導飛彈目標捕獲方法與流程

2023-07-28 05:11:36 1

本發明屬於無人機任務設備控制技術，具體涉及一種察打無人機圖像制導飛彈目標捕獲方法。

背景技術：

察打一體化無人機的武器配置一般以雷射制導飛彈或炸彈為主，制導方式多採用雷射半主動方式，在攻擊目標過程中需要機載光電載荷對目標進行持續雷射照射，容易暴露載機位置使其處於危險當中。

採用圖像制導的飛彈具有「發射前鎖定、發射後不管」的特點，近些年其小型化技術較為成熟，但主要用於單兵車載「地對地」或「地對空」攻擊，通過掛載在無人機上實現「空對地」攻擊應用較少。

無人機掛載圖像制導飛彈，一方面由於飛彈導引頭市場範圍小，直接搜索目標非常困難；另一方面存在鏈路延時，並且在動基座上捕獲目標，難度更大。目前，國內現有「翼龍」或「彩虹」等察打一體無人機並未進行該種技術的工程化研製。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種察打無人機圖像制導飛彈目標捕獲方法，解決無人機機載圖像制導飛彈目標搜索與捕獲問題，從而克服機載動基座和鏈路延時帶來的操作難度，提高目標捕獲效率，增強定點清除作戰效能。

技術方案

一種察打無人機圖像制導飛彈目標捕獲方法，將飛彈上的前後卡環與無人機掛點進行對接實現飛彈與無人機之間的結構連接，飛彈縱軸相對無人機水平軸下偏5°掛載，橫軸同無人機航向方向相同；其特徵在於步驟如下：

步驟1：地面控制站火控操作手控制光電載荷進行目標搜索與跟蹤時，導引頭光軸自動維持在光電偵察載荷設備光軸的指向位置，實時跟隨其運動進行隨動；目標搜索與跟蹤時實時得到光電載荷光軸方位角α1和俯仰角β1，根據飛彈安裝軸系關係可自動計算出飛彈導引頭光軸方位角α和俯仰角β，使得飛彈導引頭光軸自動指向目標；其中飛彈導引頭光軸方位角α和俯仰角β同光電載荷光軸方位角α1和俯仰角β1關係如下：

步驟2：地面控制站火控操作手通過無人機機載光電載荷在大視場範圍內，採用人工視覺監控方法對目標進行搜索；發現目標後，操控光電載荷偵察設備對目標進行跟蹤，目標穩定跟蹤後對當前圖像進行凍結，框選出凍結圖像中的目標，採用sift特徵提取算法自動提取目標特徵；目標選取的同時提取框選目標的靶面坐標，其中靶面坐標系：以光電載荷視頻畫面中心為坐標原點，x軸向右為正，y軸向上為正；

步驟3：地面控制站火控操作手進行操控模式切換，由操控光電載荷偵察設備模式切換到飛彈操控模式；操控模式切換的同時將提取的目標特徵及目標靶面坐標由光電載荷設備傳送給飛彈導引頭，飛彈導引頭接收到目標特徵及目標靶面坐標後進行目標匹配，匹配初始位置由靶面中心坐標開始；

步驟4：目標匹配成功後，導引頭進入目標鎖定階段，火控操作手觀察導引頭圖像並實時對目標跟蹤框進行微調，保證導引頭光軸始終指向目標。

有益效果

本發明與之前的察打無人機掛載雷射制導飛彈相比，提高了察打無人機的自動化程度，減輕了操作人員的負擔，降低了操作人員的失誤概率，提高了無人機系統的安全性。

本發明提到的目標捕獲方法，機載計算量小，實時性高，操作簡單，有效提高了無人機的自主攻擊能力，為察打無人機圖像制導飛彈的使用提供了簡便實現的方法。

附圖說明

圖1是本方法總流程圖

圖2是本方法任務剖面示意圖

圖3是本方法坐標軸系關係示意圖

圖4是機體與彈體坐標空間矢量圖

圖5是本方法圖像匹配示意圖

圖6是本方法飛行航跡規劃圖

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

本發明提出的一種察打無人機圖像制導飛彈目標捕獲方法，首先通過無人機機載光電載荷在大視場範圍內，採用傳統方式進行目標搜索與跟蹤；然後利用光軸自動引導方法將飛彈導引頭光軸指向目標，地面控制站火控操作手在導引頭圖像上，採用圖像匹配和像素修正方式實現對目標跟蹤捕獲，從而構成發射條件，在有效操作時間內。

本發明所涉方法步驟如下：

1.光電載荷導引頭光軸自動引導解算

1)飛彈與飛機安裝軸系關係；

本發明利用前後卡環與無人機掛點進行對接實現飛彈與無人機之間的結構連接，發控單元放置於掛架中間緩衝固定，飛彈縱軸相對無人機水平軸下偏5°掛載，橫軸同無人機航向方向相同，一套掛載機構掛載1發飛彈。

2)坐標變換；

本發明中導引頭光軸自動引導解算時涉及到三個坐標系，分別是：

地理坐標系(oxtytzt)：坐標原點為載體質心處，xt在當地水平面內指向北，yt當地水平面內指向東，zt垂直於oxtyt平面，方向按右手坐標系確定。

飛機坐標系(ox1y1z1)：飛機坐標系是以飛機中心為坐標原點，x1軸為飛行方向，指向頭部為正，z1軸位於無人機對稱面內與x1軸垂直，指向下為正，y1軸垂直於ox1z1平面，方向按右手坐標系確定。

飛彈坐標系(oxyz)：飛彈坐標系是以飛彈中心為坐標原點，x軸為飛行方向下偏5°，指向頭部為正，z軸位於無人機對稱面內與x軸垂直，指向下為正，y軸垂直於oxz平面，方向按右手坐標系確定。

導引頭上電後默認為數指狀態，即將導引頭光軸自動維持在光電偵察載荷設備光軸的指向位置，實時跟隨其運動進行隨動。光電偵察載荷設備光軸指向在飛機坐標系下表示，因此計算導引頭光軸指向時需要將光電偵察載荷設備光軸由飛機坐標系轉換至飛彈坐標系下計算得出導引頭光軸指向。

飛機坐標系(ox1y1z1)轉換至飛彈坐標系(oxyz)的轉換關係如下：

3)計算給定俯仰角與方位角。

光電載荷光軸指向涉及兩個角度，分別是光電載荷光軸方位角α1和光電載荷光軸俯仰角β1。

光電載荷光軸方位角α1；指在ox1y1平面內，順oz1軸觀察，ox1軸順時針旋轉到光軸在ox1y1平面內的投影之間的夾角；

光電載荷光軸俯仰角β1：指光軸在ox1z1平面內的投影與oz1軸之間的夾角，迎oy1軸觀察，光軸的投影位於oz1軸的右側為正，反之為負。

本發明中地面控制站火控操作手控制光電載荷進行目標搜索與跟蹤時，導引頭光軸自動維持在光電偵察載荷設備光軸的指向位置，實時跟隨其運動進行隨動。目標搜索與跟蹤時實時得到光電載荷光軸方位角和俯仰角，根據飛彈安裝軸系關係可自動計算出飛彈導引頭光軸方位角和俯仰角，使得飛彈導引頭光軸自動指向目標。

由於飛彈坐標系(oxyz)同飛機坐標系(ox1y1z1)水平軸下偏5°，因此飛彈導引頭光軸方位角α和俯仰角β同光電載荷光軸方位角α1和俯仰角β1關係如下：

2.地面目標選取與匹配

1)圖像凍結與目標特徵提取

本發明中地面控制站火控操作手通過無人機機載光電載荷在大視場範圍內，採用人工視覺監控方法對目標進行搜索；發現目標後，操控光電載荷偵察設備對目標進行跟蹤，目標穩定跟蹤後對當前圖像進行凍結，框選出凍結圖像中的目標，自動提取目標特徵。

本發明採用sift特徵提取算法進行目標特徵提取。sift特徵提取算法具有對旋轉、尺度縮放、亮度變化保持不變性，對視角變化、仿射變換、噪聲也保持一定的穩定性等特點。

本發明經過構建尺度空間、檢測尺度空間極值點、精確定位極值點、為每個關鍵點指定方向參數、關鍵點特徵描述的生成幾個關鍵步驟後最後生成64維或128維的sift特徵向量。此時的sift特徵向量已經去除了尺度變化、旋轉等幾何變形因素的影響。

2)成像靶面坐標提取

目標選取的同時提取框選目標的靶面坐標。

靶面坐標系：光電載荷視頻畫面中心為坐標原點，x軸向右為正，y軸向上為正。

3.目標特徵上傳導引頭轉跟蹤以及跟蹤修正

待光電載荷偵察設備進入自動跟蹤狀態後對飛彈進行上電，導引頭畫面實時傳回地面。待完成光電載荷偵察設備目標選取與目標特徵提取後，地面控制站火控操作手擇機進行操控模式切換，由操控光電載荷偵察設備模式切換到飛彈操控模式，即進入導引頭跟蹤及跟蹤修正階段。

操控模式切換的同時將提取的目標特徵及目標靶面坐標由光電載荷設備傳送給飛彈導引頭，飛彈導引頭接收到目標特徵及目標靶面坐標後，將目標特徵與導引頭視頻圖像進行目標匹配，匹配初始位置由靶面中心坐標開始，從而提高了匹配效率。

目標匹配成功後，導引頭進入目標鎖定階段，火控操作手按像素進行跟蹤微調，使得導引頭鎖定點位置使其與目標相匹配。

4.飛彈擊發階段

滿足發射條件後，火控操作手即可發送擊發指令，進入飛彈擊發階段，飛彈在收到擊發指令後約3s發射，無人機完成武器發射任務。

本發明已經應用於asn209g型無人機系統中。在該系統中，本方法被包含於地面控制車上的圖像顯示軟體中。圖像顯示軟體通過網絡與數據鏈系統的地面數據終端進行數據交互，並通過地面數據終端向飛機發送任務控制指令。

無人機發射起飛後，飛行操作手控制飛機沿靶道方向爬升至2000m高度定高飛行，沿靶道方向飛行至目標區域。火控操作手觀察光電載荷偵察設備圖像，發現目標後對目標進行跟蹤，導引頭光軸自動維持在光電偵察載荷設備光軸的指向位置。目標穩定跟蹤後對當前光電載荷偵察視頻進行圖像凍結。火控操作手在凍結的圖像上移動滑鼠框選目標，框選出目標後進行操控模式切換，由操控光電載荷偵察設備轉為操控飛彈導引頭。

飛彈導引頭收到目標特徵及靶面坐標後進行目標匹配，匹配成功及跟蹤微調後進行目標鎖定。火控操作手觀察導引頭圖像並實時對目標跟蹤框進行微調，保證導引頭光軸始終指向目標。當飛機飛臨發射區時，火控操作手擇機進行飛彈發射。此次飛行航跡規劃如圖6所示。