辨析机载地形匹配系统的关键应用技术特征_贾新强.pdf

第 卷 第 期 年 月弹 箭 与 制 导 学 报 ，.：收稿日期：基金项目：装备预研项目（）资助作者简介：贾新强（），男，陕西吴堡人，高级工程师，硕士，研究方向：飞行控制。辨析机载地形匹配系统的关键应用技术特征贾新强，高关根，张亚崇（海军装备部，西安；西安飞行自动控制研究所，西安）摘 要：机载地形匹配系统作为一种重要的现代航空导航手段，在其实际运行过程中需对机载高度传感器、惯导、数字地形高程数据以及匹配算法进行综合处理，以获得高精度、可靠的定位结果。文中讨论了机载地形匹配系统的组成及主要功能，分析了地形特征传感设备、数字地形高程数据库、主导航设备及地形匹配算法的典型应用方式，提出了以捕获模式的可靠性、跟踪模式的精度等作为系统性能的关键评估指标，并通过实际飞行数据对所设计的数字地形匹配系统进行了性能测试。测试结果表明，在实现过程中模式控制逻辑工作稳定，没有出现虚假定位现象，捕获模式和跟踪模式的精度均优于 。关键词：地形辅助导航；地形匹配；电子对抗环境；隐蔽性；性能评估中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；引言机载地形辅助导航作为强电磁对抗环境下一种有效的自主航空导航手段，日益受到国际导航界的关注和重视。现阶段，机载地形辅助导航除了能完成传统的定位功能之外，还具有地形跟随 地形回避、合理路由选择、近地告警、目标截获和精确武器投放、导航系统水平通道 垂直通道完好性监控等极具军事应用价值的多项功能。如英国 公司开发的地形剖面匹 配 系 统（，）是目前世界上应用最广的一种地形辅助导航系统，可提供地形匹配、地形防撞、先进地形回避提示、障碍物 电线告警和提示、空地测距、地形感知显示等功能，能够有效增强机组的态势感知能力、减轻机组的工作负担及防止可控飞行撞地，其中地形匹配是其核心功能。地形匹配技术产生于 世纪 年代末 年代初，美、英等发达国家相继提出了多种地形匹配方案，并陆续付诸实施。典型应用方案包括地形轮廓匹配（，）、桑迪亚惯性地弹 箭 与 制 导 学 报第 卷形辅助导航（，）、和精密地形辅助导航系统（，）等。表 是对国外典型地形匹配系统应用情况的统计分析。表 国外典型地形匹配系统对比典型系统研制厂商应用对象精度 技术特征、波音、麦道战斧和多种型号的空射巡航导弹 批处理桑迪亚实验室有人 无人驾驶飞机 并行滤波器 顺序处理、幻影、暴风阴影巡航导弹捕获模式 跟踪模式战斧巡航导弹（高度）（高度）米级分辨率数字高程图 随着全球导航卫星系统（，）的广泛应用，航空领域地形匹配系统的作用在逐渐减弱，例如在战斧 上已用全球定位系统（，）替代了地形匹配系统，地形匹配系统仅作为备份系统。然而，由于 信号的脆弱性，特别是水下载体和山区机载导航应用时，信号存在拒止、有意或无意的干扰或欺骗，地形匹配依然是可靠的自主定位导航信息源。针对水下载体自主导航定位需求，已经形成了地形轮廓匹配、多波束匹配和三维匹配等水下地形匹配系统和相关的理论方法；针对机载应用，当前地形匹配的主要工作聚焦在如何适应机载大范围机动飞行和系统可靠性方面。随着机载激光扫描系统的发展，通过激光点云与获取的影像进行匹配，可生成高精度数字高程数据，可有效提升地形匹配系统的性能。此外，在 拒止环境下，结合地形特征的视觉导航和地磁异常辅助导航等也可为载机提供有效的定位导航信息。由于机载应用环境的复杂性、不确定性以及机载任务自身的复杂性，有必要对机载地形匹配的关键技术特征及典型应用场景进行较为全面的辨析，以便于充分理解机载地形匹配系统的技术应用特征及其适用场景，从而为该技术后续的发展提供必要的参考和借鉴。基本概念及系统组成 基本概念地形匹配，是源自合成孔径雷达之父 提出的地形匹配导航概念（），在加入古德依尔飞机公司（）后将概念变为现实，并成为该公司的拳头产品 自动地形识别和导航地图匹配雷达系统（，）。利用地形特征进行飞机导航是人们所熟知的古老导航技术。自从飞机出现，飞行员就通过目视地形、地物进行导航。然而，现代机载地形匹配与传统的地形导航技术截然不同，它是利用飞机正下方地形高程的起伏特性进行定位的一种系统，即通过机载高度测量设备（如无线电高度表 激光雷达、大气数据系统等）测量出飞机下方地形的一序列高程数据（测量地形剖面），利用模式识别技术将测量的地形剖面与预先存储的基准地形剖面进行相关处理，找出最佳的匹配地形剖面并计算得到飞机的位置。本质上，机载地形匹配系统是通过综合处理地形特征传感器（如大气数据系统和无线电高度表的组合）的测量数据和载机存储的数字地形高程数据来估计飞机的精确位置，然后再用这个精确位置对机载惯导进行修正，如此不断循环，就能连续获得飞机的精确位置。图 是机械地形，匹配系统工作过程的简要原理示意图。图 机载地形匹配系统示意图一般情况下，机载地形匹配系统在地形起伏特征明显的地区定位精度很高，而在地形平坦地区或水面上，仅能提供高度信息。第 期贾新强等：辨析机载地形匹配系统的关键应用技术特征 系统组成机载地形匹配系统是在实测地形剖面数据和基准地形高程数据两者均存在一定程度的噪声条件下寻求最佳导航定位结果的一种技术，系统组成如图 所示，主要包括：）地形特征传感设备（无线电高度表 激光雷达、大气数据系统等）；）主导航设备（惯导或其他推算导航设备）；）匹配处理器（地形高程数据库、捕获滤波器、跟踪滤波器等）。图 是从系统软、硬件及工作逻辑两方面给出的机载地形匹配系统组成示意图。图 机载地形匹配系统组成示意图 组成部件功能特性分析 地形特征传感设备地形特征传感设备包含无线电高度表 激光雷达、大气数据系统等。其中大气数据系统通过对气流动压、静压和温度等的测量，经计算与修正可自主获得气压高度和真空速等参数。由于机载地形匹配系统不敏感因大气数据系统工作机理、季节、气候等原因造成的气压高度的常值偏差，所以气压高度的常值偏差不影响正确匹配概率和定位精度，只有其随机误差会对正确匹配概率和定位精度有一定的影响。无线电高度表用于自主测量飞机与地面的相对距离，其波束示意图如图 所示。目前无线电高度表的硬件测量精度很高（一般优于 ），但是飞机正下方离地高度的测量精度只有高度值的 ，这主要是由于无线电高度表有一定的波束角，飞行高度越高，波束覆盖范围越大，其波束示意图如图 所示。覆盖范围内的地形变化越复杂，因此其测高误差越大。从原理上分析，无线电高度表的测量值对地形高度有平滑效果。因此，在机载地形匹配系统实现中，为了寻求定位精度与数据存储量之间的最佳折衷，数字地形高程数据库的分辨率应和无线电高度表的测量精度相匹配。目前，国外大多数军用地形匹配系统使用的数字地形高程数据库的网格间距在 左右，能满足地形匹配要求。激光雷达波束覆盖范围很小，具有更精确的相对高度测量值。但其测量距离较短、测量精度受天气的影响大，且易跟踪地面树木、建筑物等独物体，上述情况均会对匹配性能产生不利影响。图 无线电高度表波束示意图 数字地形高程数据库数字地形高程数据库是通过对地形高程的离散采样并量化后得到的，其性能一般由地图大小、水平和垂直参考坐标系、格网尺寸、圆误差（，）和线误差（，）等指标决定，图是美国军用 级数字地形高程数据库的具体情况。按照国内制图规范或要求，数字高程模型对邻近高程控制点的高程中误差一般为平地 ，丘弹 箭 与 制 导 学 报第 卷陵 ，山地 ，高山地 。由上述分析可见，通过气压高度和无线电高度可自主测量地形高程，极少受外界干扰；地表的地形起伏基本不受时间的影响，人为的地形地貌的改变也不常发生。因此，机载地形匹配是一种自主、抗干扰和全天候的理想定位系统。图 美国军用 级数字地形高程数据库示意 主导航设备主导航设备指惯导或其他推算导航设备。惯导用于提供一个粗略的初始位置和误差范围，机载地形匹配系统据此确定在地形高程数据库中的搜索范围。通过限制搜索范围一是降低计算量，二是减少多重匹配情况。此外，仅通过一个位置的高程测量值尚不足以获得明确的定位结果，需要通过惯导的速度信息将多个位置的测量参数结合形成一个定位特征（剖面），与数字地形高程数据库中的特征进行匹配，如图 所示；同时，惯导的速度用于控制测量数据的采样，惯导的位置和速度还用于描述地形剖面的走向。在设计匹配定位准则时，需利用惯导短时精度高、输出连续等特点，对最优匹配滤波器（与先验垂直通道模型匹配程度最好的子滤波器）是否就是所要寻找的正确滤波器（水平位置估值最接近真实位置的子滤波器）进行判决。因此，惯导性能对于机载地形匹配系统的精度和可靠性有着重要的影响。图 采用测量剖面的模式匹配示意 地形匹配算法地形匹配系统的核心基本上是一种算法功能，这个功能可在飞机上已有的任何计算机上运行。而要达到所预期的定位精度和正确匹配概率等技术指标要求，主要取决于适度精度的高度传感器、适度精度的数字高程模型数据以及所采用的地形匹配算法。目前，典型的地形匹配算法包括序列相关算法、单点迭代算法以及组合匹配算法。序列相关算法序列相关算法是当采集到的高程序列长度达到设定的数量之后，就进行一次匹配运算，即仅依靠地形高程剖面进行相关处理。匹配完成之后，将修正信息提供给惯导。这类算法主要包括 算法和等值线匹配（，）算法。由于需要对地形高程序列进行相关分析，一般仅适用于航迹相对固定的飞行器。常采用交叉相关（，）算法和均方差（，）算法。和 都属于统计决策法中的最基本匹配算法，其中 属于距离决策，算法属于形状决策。在具体实现中可采用改进的 算法和 算法消除气压高度表和无线电高度表测量中的系统偏差，并采用 算法和 算法融合表决机制以及多数表决决策机制作为提高定位概率和匹配概率的技术措施，详细分析参见文献。算法源于图像配准问题中的（，）算法，采用惯导航迹与高度序列之间的调优，即通过惯导指示航迹进行刚性旋转和平移变换来实现迭代配准，匹配误差随惯导误差的累积而增加，一般常用于水下地形匹配、水下重力匹配导航和水下地磁匹配等应用领域的研究。单点迭代算法单点迭代算法是同时利用地形高程和从地形高程数据导出的地形斜率对每一个高程采样点都进行匹配，并将修正信息提供给惯导。由于单点迭代算法不需要事先规划航路，可较好满足机载实时应用的需求，算法为典型代表，其主要模块对应的任务及核心技术见表。表 算法的主要模块名称主要任务核心技术捕获快速、可 靠 捕 获 初 始位置并行滤波器技术跟踪防止滤波发散，提高可用性地形随机线性化技术 递推滤波技术丢失传感器故障检测和搜索区合理性判别导航性能评估 垂直通道偏差检测技术模式转换控制工作在适当的模式下，降低虚假定位率模式控制 虚假定位检测技术 公开可见的典型应用包括 飞机的地形辅助导航系统和面向直升飞机应用的 。原理第 期贾新强等：辨析机载地形匹配系统的关键应用技术特征上，单点迭代算法更适合飞行高度高、高度测量误差大、惯导初始积累误差大、飞行方式灵活等机载应用场合。以桑迪亚实验室为直升机应用而研制的 为例，在满足定位准则时，就能给出离散点上的定位信息，而不需要进行事先航路规划，解决了机载环境适应性问题，较好地满足了机载应用需求。类似其他工程问题，机载地形匹配系统同样也面临着存在很大位置不确定性的情况下如何精确捕获初始位置的困难和复杂性。在 中采用基于密集并行滤波器的捕获模式设计技术，以数字高程地图的网格间距为子滤波器的搜索间距，在搜索期间滤波器整体上一直保持规则的网格结构的并行滤波器阵列，对搜索区内每一个可能的路径进行遍历，记录并跟踪每一采样时刻的最优匹配滤波器，同时利用惯导缓变、连续的误差漂移特性建立相应的定位准则，实时判断并找到当前的正确滤波器，以正确滤波器的当前位置作为飞机的真实位置的估值，就能获得定位误差小于 个网格间距的搜索定位精度。获得精确的初始位置后，在跟踪模式中通过相关处理实现信噪比估算、匹配性能的实时监控以及提供定位信息和定位信息品质等信息，从而可获得优于 个网格间距的定位精度。在跟踪模式中需要重点关注衡量匹配程度变量的值以及跟踪滤波器误差协方差估算值的精度，这些值不仅代表了匹配的可靠性及跟踪模式的性能，而且是进行模式转换控制逻辑转换的主要依据。图 是机载地形匹配系统工作过程示意图。图 系统工作