基于北斗的无人机快速跟踪系统设计

盘海玲　桂林长海发展有限责任公司　广西桂林　541004



基于北斗的无人机快速跟踪系统设计

盘海玲桂林长海发展有限责任公司广西桂林541004

【文章摘要】

无人机快速跟踪系统在实际应用中存在较多的技术难题等待解决，本文引入北斗导航系统，解决其相关技术瓶颈，实现各类复杂场景下的实时跟踪，并完善目前无人机快速跟踪系统的两个应用，提出了接力跟踪协同系统的新概念，并总结了其几个技术难点和解决方式。

【关键词】

北斗；无人机；快速跟踪系统；接力跟踪协同系统。

0　引言

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机以其体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长和便于隐蔽的特点，在现代战争中正发挥着越来越大的作用。自动跟踪系统是连续跟踪并测量运动目标轨迹参数的系统。自动跟踪系统的目标是以一定速度和加速度运动的车辆、舰船、飞机、导弹和人造卫星等。自动跟踪系统可提供运动目标的空间定位、姿态、结构行为和性能，是运动目标的多功能和高精度的跟踪和测量手段。中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。

由此可见利用北斗对于无人机进行快速跟踪的战略意义重大，相关研究也比较热门，我们下面将对系统组成和技术难点展开论述。

1　系统设计方案

基于北斗的无人机快速跟踪系统设计的建设目标在于维护国家安全的大背景下利用北斗的全天候导航优势解除目前市面上视频跟踪的劣势以解决相应的技术瓶颈，实现全天候精准快速目标跟踪。

系统由以下三个子系统组成: （1）北斗导航系统，（2）快速跟踪系统，（3）接力跟踪协同系统。下面分别阐述。

（1）北斗导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。在无人机上装备北斗导航系统，可以实现在多雾、夜晚、跨区域等复杂场景下的实时地理位置坐标的获得。

（2）快速跟踪系统，由位置传感器、信号处理系统、伺服系统和跟踪架等部分组成。自动跟踪系统依据传感器不同分类：利用电磁波特性的，称为无线电跟踪系统;利用光波特性的，称为光学（光电）跟踪系统。跟踪系统应用在无人机上分为跟踪无人机和装备在无人机上跟踪其他物体。

（3）接力跟踪协同系统，在实际的应用中我们发现无人机由于飞行速度快，体积小，在一些视频监控跟踪的过程中很容易跟丢，虽然在系统中能获得的北斗的相关信息，但是由于跟踪系统本身的物理技术特性无法实现，这就萌生接力跟踪协调系统的开发需求。接力跟踪协调系统的研发核心在于如何接力上，具体实现可以在电子地图执行，依据已经完成电子地图布点的快速跟踪系统在北斗的引导下，进行任务分配，完成跟踪协同。

三个子系统的协同应用是由接力跟踪协同系统作为通讯平台，北斗导航系统与快速跟踪系统均推送相关数据汇总，再由指挥中心执行相应指令来获得相应的结果。

2　系统设计中几大技术难点及解决方式

基于北斗导航技术无人机的快速跟踪研究由于北斗的技术成熟本文不再累述，其应用方式其主要区别是应用载体的不同，但是对于识别和跟踪接力北斗将实现不可替代的作用。而目前的技术难点主要基于两大应用方向即跟踪无人机和无人机载跟踪系统，这两大应用场景的不同也衍生出不同的技术难点，其主要解决方式下面分别给以论述：

2.1快速跟踪无人机：

（1）小像素点的跟踪。由于无人机目标小的特性，在地面或者其他飞行器上配备跟踪系统跟踪无人机会发现存在像素小不易跟踪，我们知道对于一般视频中的目标，有非常明显的特征或边界，然而对于无人机视频中的一些点目标来说，仅仅由一些像素组成，大小跟噪声非常相似，因此检测跟踪一个小目标将比较困难，这是因为大多数的算法是在理想的条件下进行的，如相机静止、图像质量很好、目标非常清晰、目标移动缓慢和简单的背景等。但是无人机移动速度快，视频中的目标也可能移动很快。因此，无人机视频中目标的分辨率比较低，背景比较复杂，给视频处理带来了一定的困难。

针对小目标实时高精度检测跟踪问题，有学者提出一种基于正负正则化LOG算子的尺度自适应小目标实时高精度检测跟踪方法。相关实验显示,新方法在实时性、尺度 自适应性、检测准确性以及抗噪声性上均有较好的表现。

（2）复杂背景的目标抽取。无人机目标在复杂背景中运动时，变化的背景会在一定程度上影响跟踪算法的稳定性和可靠性，所以应尽量抑制背景。对于目标跟踪而言,目标中和背景差异大的区域对于跟踪的有效性、稳定性贡献较大。相关研究权值计算方法有效地抑制了背景，并且权值计算结果符合人类直观感受，在实际应用中有较好的效果。

2.2无人机载快速跟踪系统

无人机载跟踪系统，也可以理解为机载移动目标实时图像跟踪系统，目前要实现的功能要求还缺乏高效的计算方法来支撑，这是因为本身无人机在运动状态，去跟踪运动的物体，显示的视频源将会受到较大的干扰，根据空对空跟踪和空对地跟踪的不同，无人机平台获取的视频图像需要进行运动补偿预处理、运动目标的检测、精确轮廓的提取和跟踪四个方面进行分析研判工作。

其他方面，针对无人机拍摄平台获取的原始视频受运动干扰较大、像机自身存在运动情况下对运动目标进行检测跟踪问题,常用的一类算法是先消除像机自身运动,然后再对目标进行检测跟踪。针对像机运动消除问题有学者提出了一种基于Gabor特征描述的像机自运动消除方法。相关研究表明，新算法可以有效地消除像机自身运动,检测出和像机存在相对运动的目标。

3　技术展望

无人机在许多领域具有广泛的应用前景，如军事、民用、科学研究等。而光学跟踪系统结构简单可靠、成本低、功耗少、体积小和重量轻、隐蔽性好、角分辨率高和抗干扰性好;缺点是受大气影响大，不能全天候工作。利用北斗技术实现的无人机快速跟踪行业应用，是无人机真正的刚需，相信会发挥巨大的社会效益。

【参考文献】

[1]谭熊，余旭初，刘景正，黄伟杰、 基于无人机视频的运动目标快速跟踪 《测绘通报》 2011

[2]张恒无人机平台运动目标检测与跟踪及其视觉辅助着陆系统研究，国防科学技术大学 博士论文, 2008

[3]李胜勇基于超小型无人机的地面运动目标跟踪研究南京理工大学硕士论文2014