景象匹配导航技术初探

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1、景象匹配导航技术初探 王钦 刘安森 指导教师：丛佃伟 （解放军信息工程大学测绘学院学员六旅四队， 郑州 450052） 摘 要：景象匹配导航技术在作战飞机辅助导航、精确制导武器系统、图像目标搜索与 跟踪等军事领域有着广泛的应用，具有抗电子干扰、完全自主、精度高等诸多优点，本 文主要阐述景象匹配导航技术的原理、最新技术发展，重点分析景象匹配导航技术在精 确制导武器系统中的应用情况。关键词： 景象匹配 末制导 精确打击武器 巡航导弹1 引言精确制导武器是命中精度极高或具有直接命中能力的制导武器， 是采用高精度制导 系统，直接命中概率很高的导弹、制导炮弹和制导炸弹等武器的统称。通常采用非核弹 头，用

2、于打击坦克、装甲车、飞机、舰艇、雷达、指挥控制通信中心、桥梁和武器库等 点目标，杀伤威力大，作战效费比高，种类型号多，作战范围广，可实施非接触打击， 是现代战争主要的作战武器。景象匹配导航技术是在航天技术、传感器技术、卫星应用技术、计算机技术、图像 信息处理技术、模式识别技术等基础上发展起来的，在作战飞机辅助导航、精确制导武 器系统（常用于巡航导弹的末制导）、图像目标搜索与跟踪等军事领域有诸多应用。自 20 世纪 70年代开展景象匹配导航技术研究以来，该技术已经先后成功应用于“战斧” 巡航导弹、F-16战机、以及被有关专家称为“最聪明的导弹”的“风暴影音”巡航导弹。 精确制导武器通常采用多种导

3、航方式，有卫星导航、惯性导航、重力导航、磁力导航、 无线电导航、地形匹配、景象匹配导航、电视导航等等，其中景象匹配导航技术常常用 于精确制导武器的末制导系统中， 能极大提高导弹武器的命中精度， 直至准确命中目标， 极大提高作战效能。景象匹配末制导是精确制导武器精确命中目标的关键，巡航导弹之 所以能够准确摧毁目标， 主要是由于它在末制导阶段采用了数字式景象匹配区域相关器 （Digital Sceme Macthing Area Correlator,DSMAC） ，即下视景象匹配系统。当巡航导弹 飞到靠近目标末段时， 下视景象匹配系统通过图像匹配技术准确地测定导弹的空中位置， 并计算处于目标的位

4、置偏差，送至导航计算机，引导导弹准确命中目标。2 景象匹配导航技术介绍景象匹配，指两个不同传感器对从同一景物获取的两幅图像在空间上进行对准，确 定两者之间相对位移的过程。景象匹配导航系统主要由高精度地形景象数字地图、机载 图像传感器、执行匹配算法的计算机组成。在精确制导武器应用中，常常将预先拍摄到 的地面景象照片，按照象素尺寸制成数字化地图，在导弹执行任务之前制定飞行路线， 选择响应区域范围的景象作为基准图存入弹载匹配计算机中。 如果该基准图景象特征明 显，便于导弹准确匹配定位，则称之为匹配区。当导弹飞到预定位置时，弹上摄像机拍 摄正下方地面的图像，并按象点尺寸、飞行高度和视场等参数生成一定大

5、小的实时图， 也送到匹配计算机中。在匹配计算机中，进行实时图与基准图的相关比较，找出两者的 位移。由于基准图的地理坐标位置 （或与目标的相对位置 ）是事先已经知道，根据它与实 时图的配准位置，便可确定导弹相对于目标的位置，这就是景象匹配导航技术在精确制 导武器末制导中的应用过程。图像获取手段除利用光学景象外，还可利用雷达景象（尤 其是 合成孔径雷达成像） 、红外景象等等，这些新的景象获取方式 为景象匹配导航系统的 发展提供了新的机遇和技术支持。 合成孔径雷达技术的发展已经使景象匹配导航系统的全 天时、全天候、远距离应用成为现实。以导弹用景象匹配系统为例，如果一颗“战斧”式巡航导弹要攻击萨达姆的

6、秘密据 点，那么作战司令部的首要任务就是获取萨达姆秘密据点周围区域的数字景象地图，然 后根据导航要求和可选区域情况在“战斧”导弹的航迹上规划出景象匹配区域，制作数 字景象匹配图（基准图）。导弹发射前把控制参数和基准图加载到“战斧”导弹的弹载 导航计算机内，“战斧”巡航导弹在发射后， 利用组合导航系统等待进入景象匹配区 （萨 达姆秘密据点附近区域），进入匹配区后，根据系统发出的匹配指令，下视系统的图像 传感器开始拍摄导弹航迹正下方的地面图像（实时图），将图像与已存入导航计算机内 的景象匹配图（基准图）进行比较，得出实时图与基准图配准的位置。景象匹配导航系 统引导“战斧”导弹直至两幅图像完全一致时

7、，系统进行最后的攻击以完成作战任务。在完整的景象匹配过程中需要用到匹配区选择准则的确定 （如灰度相关准则，空频 域特征的准则，几何准则等 ）、景象的预处理 （图像的增强、直方图均衡、图像的细化、 图像去噪声、图像的几何畸变校正等 ）、景象特征提取 （景象区域相关性提取，景象边缘 跟踪，景象频域参数的提取，景象形态学参数的提取等 ）、景象分析 （通过一组现有的景 象选择准则与从景象图提取出的参数进行比较、综合过程 ）、景象评价 （进行比较、综合 后，对给定基准图中的可用景象进行评价和输出 ）、粗匹配定位算法、精匹配定位算法 和匹配结果评估算法。3 景象匹配导航技术优缺点 景象匹配系统能够自主定位

8、的机理：在地球表面的大部分地区，特别是人工开发区 内，一定大小的地面景象模式在这个地区某个范围内是唯一的。景象匹配系统正是利用 地面景象的唯一性特点，通过两幅图像的比对确定飞行器的空中位置。现阶段，景象匹配导航技术主要作为组合导航系统中的辅助导航手段， 与卫星导航、 惯性导航或地形匹配导航配合使用。与地形匹配导航手段相比，景象匹配导航技术作用 区域面积远小于地形匹配作用区域，通常大到数平方公里，小可达到数百平方米。景象 匹配区域的选取工作也是影响景象匹配导航系统的重要因素。景象匹配导航系统整个运行过程完全自主。既不需要外来指令，也不向指挥部报告 信息。因此该系统不仅对提高飞行器的隐蔽性大有帮助

9、，而且具有较强的抗电子干扰能 力。当然，景象匹配导航系统的最大优势还在于他的精确性，便于实施精准打击。景象匹配导航技术缺点也十分明显，主要表现在：a. 基准图的制作周期太长。 从开始准备到完成耗时常在一周以上。 就如前面那个例 子，当“战斧”式巡航导弹准确击中萨达姆秘密据点时，萨达姆可能早已逃之夭夭。从 “打”到真正动手所拖延的时间，给作战对手留了充分的时间进行作战准备，在该段时间 内对重要设施实施有效保护措施，使已成型的基准图失效。b. 当面对海洋、 沙漠等在大范围内景象特征变化不明显的区域时， 景象匹配导航系 统将因为无法定位而无法使用或者使导航精度大大降低。另外，当飞行高度较低时,由地面

10、大起伏引起的实时图几何变形会严重制约匹配性能 ，造成匹配精度严重下降甚至 出现误匹配 ，这一问题严重制约了现有景象匹配导航技术的应用范围。c. 难以攻击机动目标。 导弹发射前要由任务规划系统将攻击目标所需数据输入制导 计算机 ，作战时如果需要改变攻击目标，则必须保证两个条件成立：改变后的目标仍 然在机载 /弹载基准图内； 有足够的时间在保证精度的条件下完成相关程序修改、 图像匹 配和调整弹道轨迹。4 景象匹配导航技术在精确制导武器中的应用1999年 3月 24日，以美国为首的北约对南联盟悍然采取了空中军事打击（以下简称“盟军行动” ），并于 5月8日野蛮地轰炸了我驻南大使馆。在这次侵略行动中，

11、美军使 用了大量先进精确制导武器，其使用的“战斧”巡航导弹主要是Block川型，它是在海湾战争中使用过的BGM-109C/D基础上研制出来的，采用惯性导航 +地形匹配+GPS+景 象匹配导航，最大射程 1 667公里（舰射）/ 1 1 27公里（潜射） ，命中精度 36米（理论），巡航高 度15150米，巡航速度0.50.75马赫。Block川型“战斧”导弹增加了主发动机燃料，燃 烧效率和可靠性得以提高，射程比Block U型增加556km。它采用全球定位系统和惯性导 航系统（GPS/INS）进行中制导，用改进型数字景象匹配区域相关器和辅助地形匹配进行 末制导。改进型数字景象匹配区域相关器向导

12、弹显示飞向目标途中的路标数字图像，减 少季节和昼夜变化对制导精度的影响，增大了有效景象区域，可准确进入一个足球门大 小的空间。如果目标发生变化 （如目标被炸毁 ），弹上计算机仍能识别部分景象，准确计 算出导航飞行姿态和修正数据。通过 GPS系统可随时确定导弹的三维空间位置和飞行速 度，使导弹不偏离航向，控制导弹从不同方向攻击目标，同时大大缩短任务规划时间。 这些措施使导弹的准确性大大提高，在达到 2000k m的射程时，圆概率误差不大于10m。 2005年部署的Block W型“战斧”导弹上利用GPS接收机和接收飞机和卫星上的合成孔径 雷达产生的图像进行中制导，利用红外成像进行末制导，可达到圆

13、概率误差小于5m的精 度。俄罗斯的“伊斯坎德尔”战役战术导弹为单级固体导弹，全长 72 米，弹体最大直 径 0.95米，起飞重量 3800 千克，可携带核弹头或 480千克的常规弹头，每个发射装置 可同时安装两枚导弹。该导弹有两种改型，分别为出口型“伊斯坎德尔” -E 和本国使用 型“伊斯坎德尔” -M。 “伊斯坎德尔” -M 导弹的最大射程据信可达到 480 千米，导弹 采用惯性制导、卫星导航和景象匹配制导等多种制导方式。单独使用惯性制导方式时 , 导弹在 280 千米距离上的圆概率偏差约为 30米。组合使用惯性制导与景象匹配制导时， 导弹的圆概率偏差理论上小于 2米。2007年 5月的试验

14、飞行中， 巡航型号的实际命中偏 差为 l 米。2004年 8月，我国在 “红鸟二型 ”基础上全新设计的 “红鸟三型 ”远程战略巡航导弹高精度命 中靶标，当时导弹直中靶心，引发媒体重点报道。据互联网信息， 我国 “红鸟三型”巡航导 弹射程约2500公里，设计精度10米以内，可以接收美国GPS俄国GLONASS!北斗卫星导 航系统信号，数字地图采用最新全球普绘高度地图（等高线精度为0.80m，三个月更新一次）。5 景象匹配导航技术发展a. 图像匹配算法研究： 图像匹配算法作为地形景象匹配导航的关键技术， 一直以来 备受关注。由于景象匹配导航的特殊应用，图像匹配算法应当具有实时性、基于特征的 图像匹

15、配、较强的容错和抗干扰能力的特点。b. 合成孔径雷达技术：目前机载先进图像传感器主要有：合成口径雷达（ SAR ）、毫米波雷达、激光雷达、红外图像传感器等。最受关注的当属合成孔径雷达（SAR ）。SAR 可以全天候、 全天时、远距离的得到类似光学照相的高分辨率雷达图像， 分辨率能 达到“米”级的量级，理论上 SAR 的极限分辨率与作用距离无关，远优于普通雷达， 受到各国的广泛重视。其主要发展方向有多参数 SAR 系统、高质量成像 SAR 系统、超 宽带 SAR 系统、 SAR 干扰和抗干扰、小型化技术、动目标监测和动目标成像等，以寻 求高可靠性、高分辨率、可探测目标更广泛、更加便携的 SAR

16、系统。这极大地推动景 象匹配导航技术的发展与成熟。 随着该技术的不断发展 （如高分辨率与成本之间的矛盾） 高质量的实时处理能力等问题将得到很好解决。c. 基于部分Ha u s d o r f f距离（P H D）的边缘特征景象匹配算法得到了广泛研究。 基于边缘特征的景象匹配算法在图像边缘特征明显、低噪声和低信噪比下较为有效，但 该算法的适应性较差，而且算法的运行时间较长，抗几何变形性能也较差。为此，可以 通过运动补偿等方法获取高精度的图像， 通过改进或者综合运用各种搜索方法等方式来 提高算法的适应性、实时性。图像匹配技术在对岸火力支援中的应用。 针对水面舰艇在对岸火力支援方面存在 的不足，一是

17、大、中口径舰炮射程近，二是缺乏对岸上目标的定位和对射击效果进行观 测的手段，借鉴 “战斧”式巡航导弹数字式景象匹配区域相关的技术思路， 综合卫星侦察和无人机侦察的特点，将卫星侦察信息和无人机侦察信息综合应用，利用数字式景象 匹配实时确定岸上目标精确位置， 可用于舰载武器对岸火力支援时的岸上目标精确定位。d. 应用于肩扛式 （便携式）地对地导弹。 目前战场已从大规模集团军作战转变为特 种小分队渗透式的斩首作战模式。当侦查或者突击小分队抵达敌军后方，此时使用电台 或卫星电话向后方发送目的地坐标极可能暴露目标甚至延误战机。 在敌防空力量较强的 情况下，突击小分队携带便携式的地对地的导弹将成为最佳选择

18、。随着景象匹配导航系 统装置的小型化，将普通的弹头换成高爆炸药的战斗部，从较近距离的地面对敌指挥部 进行突然的精确袭击可以达到出其不意的效果。6 结束语 当前高新技术的广泛应用，正深刻改变着世界经济和军事斗争的面貌，引发了军事 领域一系列的革命性变化，武器装备呈现出信息化、智能化、集成化的趋势，打击精度 空前提高。美国前国防部长威廉 -佩里在 1996 年在给总统和国会的年度报告中首次提出 了“军事革命”的概念， 指的是采用新技术的军事系统同创新的作战概念和组织改编相 结合，从根本上改变军事行动的特点和进程。景象匹配导航技术在军事领域具有诸多潜 在的应用潜力，近年来，导航战的攻防技术研究如火如

19、荼。本文分析了景象匹配导航技 术的内涵，列举了景象匹配导航技术在精确制导武器中的几个应用案例，分析了景象匹 配技术的发展前景，希望对读者有所启示。参考文献 :1 翁璐斌，田原，王彦情，台宪青，杨一平 . 复杂地形下基于三视约束的景象匹配方 法. 航空学报 . 2008，29（5）2 李俊山，李旭辉，罗 蓉，谭园园 . 不同传感器图像的景象匹配区选取准则研究 . 微 电子学与计算机 . 2004，24（ 1）3 黄世奇，郑 健，白宪阵，左广霞 . 合成孔径雷达末制导技术研究 . 战术导弹控制技 术. 2005，1（48） .4 李耀军，潘 泉，赵春晖，于 盈，李军伟 . 基于 I N S S M N S 紧耦合的无人机 导航. 中国惯性技术学报 . 2010，18（3）.5 郭勤 .景象匹配技术发展概述，红外与激光工程， 2007,36卷增刊6 周建中，王海川，李敏 . 图像匹配技术在对岸火力支援中的应用 . 火力与指挥控制 . 2006.31（9）.7 刘建业，曾庆化，赵伟，熊智等 . 导航系统理论与应用 . 西北工业大学出版社 . 2010 年 3 月第 1 版