无人机光电成像目标定位与精度影响因素

王欢庆; 韩裕生; 薛模根; 王峰; 黄勤超

doi:10.37188/OPE.20253319.3009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

无人机光电成像目标定位与精度影响因素

现代应用光学 | 更新时间：2025-10-31

- 无人机光电成像目标定位与精度影响因素
- UAV-borne photoelectric imaging target localization and precision-influencing factors
- 光学精密工程 2025年33卷第19期页码：3009-3020
- 作者机构：
  
  陆军兵种大学信息工程系，安徽合肥 230031
- 作者简介：
  
  [ "王欢庆（1995-），男，安徽亳州人，博士，讲师，2023年于合肥工业大学获得博士学位，现为陆军兵种大学兵器科学与技术博士后科研流动站博士后，主要从事视觉测量及目标定位方面的研究。E-mail：1435434521@qq.com" ]
  [ "黄勤超（1976-），男，安徽全椒人，博士，副教授，2006年于中国科学学院等离子体物理研究所获得博士学位，主要从事光电信息处理技术方面的研究。E-mail：1802019569@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  安徽省科技创新平台重大科技项目(S202305a12020020)
- DOI：10.37188/OPE.20253319.3009
  中图分类号： TP391
- CSTR：32169.14.OPE.20253319.3009
- 收稿：2025-06-28，
  
  修回：2025-08-08，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 稿件说明：
移动端阅览
王欢庆,韩裕生,薛模根等.无人机光电成像目标定位与精度影响因素[J].光学精密工程,2025,33(19):3009-3020.

WANG Huanqing,HAN Yusheng,XUE Mogen,et al.UAV-borne photoelectric imaging target localization and precision-influencing factors[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3009-3020.
王欢庆,韩裕生,薛模根等.无人机光电成像目标定位与精度影响因素[J].光学精密工程,2025,33(19):3009-3020. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3009. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3009.

WANG Huanqing,HAN Yusheng,XUE Mogen,et al.UAV-borne photoelectric imaging target localization and precision-influencing factors[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3009-3020. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3009. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3009.

摘要

为提高无人机光电成像目标定位精度，进一步优化光电成像定位方法及系统设计。构建了光电成像目标定位模型，通过坐标转换实现空间几何定位，运用误差合成理论评估误差敏感性。采用蒙特卡洛法结合实际测量评估定位模型精度，探究测角定位误差耦合效应。蒙特卡洛法表明，随着测量次数增加，定位误差在大地直角坐标系上服从均值为 0 的正态分布，空间定位误差从单次定位的 18.71 m减小到 0.28 m，接近测量真值。经过精度影响因素分析，定位误差和测距误差的影响主要取决于误差数值本身，而角度误差和姿态误差的影响还与测量状态密切相关。本文评估了多源异质误差的耦合效应，揭示了各误差源对定位精度的影响机制，为无人机光电成像定位的误差抑制策略制定提供了理论依据，对提升目标定位测量精度具有重要意义。

Abstract

To improve target positioning accuracy in UAV-based electro-optical imaging and to inform localization methodology and system design， an electro-optical imaging target localization model is developed. Spatial geometric positioning is performed via coordinate transformation， and error sensitivity is quantified using error synthesis theory. Model accuracy is evaluated through Monte Carlo simulations combined with experimental measurements， with emphasis on the coupling effects of angular positioning errors. Monte Carlo results indicate that， as the number of measurements increases， positioning errors in the geodetic Cartesian coordinate system converge to a normal distribution with zero mean. The spatial positioning error is reduced from 18.71 m for a single measurement to 0.28 m with multiple measurements， approaching the actual measurement value. Analysis of accuracy-influencing factors shows that the effects of positioning and ranging errors are predominantly determined by their magnitudes， whereas the impacts of angular and attitude errors are also strongly dependent on the measurement state. This study therefore quantifies the coupling of multi-source heterogeneous errors， clarifies the mechanisms by which distinct error sources affect positioning accuracy， and provides a theoretical foundation for developing error suppression strategies in UAV electro-optical imaging localization， thereby contributing to improved target positioning and measurement precision.

关键词

Keywords

references

凌智城，雷仲魁，黄大庆，等 . 融合多维姿态自适应感知的无人机目标定位［J］. 光学精密工程， 2024 ， 32 （ 14 ）： 2272 - 2285 . doi: 10.37188/ope.20243214.2272 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243214.2272

LING ZH CH ， LEI ZH K ， HUANG D Q ， et al . UAV target positioning integrating multi-dimensional attitude adaptive sensing ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2024 ， 32 （ 14 ）： 2272 - 2285 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20243214.2272 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243214.2272

LV G M ， LI Q ， CHEN Y T ， et al . An improved scheme and numerical simulation of segmented planar imaging detector for electro-optical reconnaissance ［J］. Optical Review ， 2019 ， 26 （ 6 ）： 664 - 675 . doi: 10.1007/s10043-019-00548-w http://dx.doi.org/10.1007/s10043-019-00548-w

熊玉朋，陈适宇，黄铖，等 . 基于自由曲面光学元件的大视场光学成像系统［J］. 光学精密工程， 2024 ， 32 （ 9 ）： 1261 - 1272 . doi: 10.37188/ope.20243209.1261 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243209.1261

XIONG Y P ， CHEN SH Y ， HUANG CH ， et al . Large field optical imaging system based on freeform surface optics ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2024 ， 32 （ 9 ）： 1261 - 1272 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20243209.1261 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243209.1261

宋力夺，李洪文，王鸣浩，等 . 场景切换感知的地基成像系统电子稳像技术［J］. 光学精密工程， 2024 ， 32 （ 22 ）： 3383 - 3394 . doi: 10.37188/ope.20243222.3383 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243222.3383

SONG L D ， LI H W ， WANG M H ， et al . EIS for ground-based imaging systems supporting scene switching perception ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2024 ， 32 （ 22 ）： 3383 - 3394 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20243222.3383 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243222.3383

DING D ， SHI F ， LI Y . Low-illumination color imaging： progress and challenges ［J］. Optics & Laser Technology ， 2025 ， 184 ： 112553 . doi: 10.1016/j.optlastec.2025.112553 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.112553

戴栋晨，郑丽娜，张宇，等 . 基于数字高程模型的航空相机图像清晰度检测方法［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 0610001 . doi: 10.3788/AOS221506 http://dx.doi.org/10.3788/AOS221506

DAI D CH ， ZHENG L N ， ZHANG Y ， et al . Sharpness detection method for aerial camera images based on digital elevation model ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 0610001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS221506 http://dx.doi.org/10.3788/AOS221506

QIAO CH ， DING Y L ， XU Y S ， et al . Ground target geolocation based on digital elevation model for airborne wide-area reconnaissance system ［J］. Journal of Applied Remote Sensing ， 2018 ， 12 （ 1 ）： 1 . doi: 10.1117/1.jrs.12.016004 http://dx.doi.org/10.1117/1.jrs.12.016004

LEE W ， BANG H ， LEEGHIM H . Cooperative localization between small UAVs using a combination of heterogeneous sensors ［J］. Aerospace Science and Technology ， 2013 ， 27 （ 1 ）： 105 - 111 . doi: 10.1016/j.ast.2012.07.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.ast.2012.07.002

SHI K ， YANG H T ， PENG J W ， et al . High-speed target location based on photoelectric imaging and laser ranging with fast steering mirror deflection ［J］. Photonics ， 2025 ， 12 （ 2 ）： 108 . doi: 10.3390/photonics12020108 http://dx.doi.org/10.3390/photonics12020108

ZHANG Z Y ， LI N ， YAN G M ， et al . The development of distributed cooperative localization algorithms for Multi-UAV systems in the past decade ［J］. Measurement ， 2025 ， 256 ： 118040 . doi: 10.1016/j.measurement.2025.118040 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2025.118040

TANG X S ， YANG L ， WANG D ， et al . A collaborative navigation algorithm for UAV Ad Hoc network based on improved sequence quadratic programming and unscented Kalman filtering in GNSS denied area ［J］. Measurement ， 2025 ， 242 ： 115977 . doi: 10.1016/j.measurement.2024.115977 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2024.115977

ZHENG J Y ， DING F . A filtering-based recursive extended least squares algorithm and its convergence for finite impulse response moving average systems ［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control ， 2024 ， 34 （ 9 ）： 6063 - 6082 . doi: 10.1002/rnc.7307 http://dx.doi.org/10.1002/rnc.7307

闫啸家，朱惠民，孙世岩，等 . 基于改进变异萤火虫优化粒子滤波的无人机目标定位［J］. 兵工学报， 2025 ， 46 （ 5 ）： 76 - 88 .

YAN X J ， ZHU H M ， SUN SH Y ， et al . An improved mutant firefly algorithm optimized particle filter algorithm for UAV target positioning ［J］. Acta Armamentarii ， 2025 ， 46 （ 5 ）： 76 - 88 . （in Chinese）

李志健，李聪，刘浩，等 . 空天目标光电跟踪系统研究综述［J］. 中国激光， 2025 ， 52 （ 6 ）： 0600002 .

LI ZH J ， LI C ， LIU H ， et al . Review of optoelectronic tracking systems for aerospace targets ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2025 ， 52 （ 6 ）： 0600002 . （in Chinese）

张志豪，杜丽霞，侯越，等 . 跨层注意力交互下的多特征交叉无人机图像检测［J］. 光学精密工程， 2024 ， 32 （ 24 ）： 3616 - 3631 . doi: 10.37188/ope.20243224.3616 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243224.3616

ZHANG ZH H ， DU L X ， HOU Y ， et al . Multi-feature cross UAV image detection algorithm under cross-layer attentional interaction ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2024 ， 32 （ 24 ）： 3616 - 3631 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20243224.3616 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20243224.3616

张赫，乔川，匡海鹏 . 基于激光测距的机载光电成像系统目标定位［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 1 ）： 8 - 16 . doi: 10.3788/ope.20192701.0008 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192701.0008

ZHANG H ， QIAO CH ， KUANG H P . Target geo-location based on laser range finder for airborne electro-optical imaging systems ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 1 ）： 8 - 16 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192701.0008 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192701.0008

郭润泽，孙晓永，孙备，等 . 无人机载激光测距仪校准和引导定位方法［J］. 仪器仪表学报， 2025 ， 46 （ 4 ）： 44 - 55 .

GUO R Z ， SUN X Y ， SUN B ， et al . Calibration and guidance-positioning method for UAV-mounted laser rangefinders ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2025 ， 46 （ 4 ）： 44 - 55 . （in Chinese）

XING X Y ， ZHONG Z W ， LI X T ， et al . Node selection and path optimization for passive target localization via UAVs ［J］. Sensors ， 2025 ， 25 （ 3 ）： 780 . doi: 10.3390/s25030780 http://dx.doi.org/10.3390/s25030780

杜言鲁，丁亚林，许永森，等 . TDI-CCD全景式航空相机对地目标定位的算法［J］. 光学学报， 2017 ， 37 （ 3 ）： 0328003 . doi: 10.3788/aos201737.0328003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201737.0328003

DU Y L ， DING Y L ， XU Y S ， et al . Geo-location algorithm for TDI-CCD aerial panoramic camera ［J］. Acta Optica Sinica ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 0328003 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201737.0328003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201737.0328003

罗鑫磊，姜卫平 . 一种修正的自适应蒙特卡洛法用于非线性函数误差传播［J］. 测绘地理信息， 2024 ， 49 （ 1 ）： 36 - 41 .

LUO X L ， JIANG W P . A modified adaptive Monte Carlo method for nonlinear function error propagation ［J］. Journal of Geomatics ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 36 - 41 . （in Chinese）

YE J ， ZHANG Y ， CHEN Y J . An improved Monte Carlo tree search algorithm with dynamic classification for multi-spacecraft multi-target allocation ［J］. Advances in Space Research ， 2025 ， 76 （ 1 ）： 412 - 428 . doi: 10.1016/j.asr.2025.04.030 http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2025.04.030

金兆飞，雷仲魁，许莺 . 基于无人机光电成像平台的目标定位精度分析［J］. 光学仪器， 2014 ， 36 （ 4 ）： 346 - 351 .

JIN ZH F ， LEI ZH K ， XU Y . Target orientation accuracy analysis based on UAV photoelectric imaging platform ［J］. Optical Instruments ， 2014 ， 36 （ 4 ）： 346 - 351 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

跨尺度微纳米三坐标测量机研制及误差分析

基于卫星星光观测的星惯组合导航技术

平面光栅刻划机微定位系统压电校正技术

点云法向量与曲率关键特征配准

大量程平面二维时栅误差特性与实验研究