人在回路中的末制導(dǎo)系統(tǒng)性能測試與評(píng)估*

何亞娟，王 蕭，符新軍

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

對遠(yuǎn)程紅外圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈來說，導(dǎo)引頭能否及時(shí)識(shí)別目標(biāo)并對其進(jìn)行快速穩(wěn)定跟蹤，如何評(píng)估末制導(dǎo)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是深入開展圖像制導(dǎo)技術(shù)研究的重要方面。圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈的特點(diǎn)之一就是人在回路中，因此，人在回路中的制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估就成為一個(gè)必須研究解決的問題。在制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，較為復(fù)雜的是“人”這個(gè)環(huán)節(jié)的模型建立，而建立人的數(shù)學(xué)模型是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作任務(wù)，涉及多種專業(yè)和學(xué)科，需要做大量的理論研究和試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)工作。在現(xiàn)代導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，虛擬樣機(jī)已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的輔助設(shè)計(jì)手段?；谝陨锨闆r，如能在虛擬樣機(jī)基礎(chǔ)上構(gòu)建存在人的作用輸入的實(shí)時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)，將為制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能評(píng)估帶來諸多好處，并在研制費(fèi)用和周期上得到很大程度上的縮減。

1 末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

分別建立導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)模塊和導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊的細(xì)粒度虛擬樣機(jī)[1]，導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機(jī)包括目標(biāo)/背景紅外輻射模型、大氣輻射與衰減模型、傳感器模型;集成成像系統(tǒng)和穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)兩個(gè)模塊，構(gòu)成完整的圖像導(dǎo)引頭系統(tǒng)虛擬樣機(jī)[2];紅外圖像導(dǎo)引頭虛擬樣機(jī)與導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)模塊、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模塊、圖像跟蹤器試驗(yàn)樣機(jī)及操控裝置試驗(yàn)樣機(jī)，構(gòu)成完整的人在回路的末制導(dǎo)性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)組成原理如圖1所示，系統(tǒng)構(gòu)成與連接關(guān)系如圖2所示。

圖像末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)各模塊功能與系統(tǒng)工作原理：導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)彈的位置與姿態(tài)[4]，將導(dǎo)彈的姿態(tài)信息發(fā)送到導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊;導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊根據(jù)操控裝置、圖像跟蹤器傳來的指令，綜合導(dǎo)彈的姿態(tài)信息，計(jì)算出導(dǎo)引頭姿態(tài);導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機(jī)接收導(dǎo)彈位置信息、導(dǎo)引頭姿態(tài)信息和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模塊的目標(biāo)位置姿態(tài)信息，生成導(dǎo)引頭當(dāng)前的輸出圖像;導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機(jī)輸出圖像到圖像跟蹤器/監(jiān)視器;圖像跟蹤器計(jì)算跟蹤指令并輸出到導(dǎo)引頭的穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊;射手根據(jù)監(jiān)視器上的圖像，利用操控裝置和圖像跟蹤器對目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)跟蹤;控制系統(tǒng)模塊接收導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤模塊的制導(dǎo)信號(hào)，按照設(shè)計(jì)的制導(dǎo)律，計(jì)算控制指令，控制導(dǎo)彈飛行。

圖1 末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

圖2 人在回路末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成與連接關(guān)系

1.2 末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)建立

構(gòu)建該試驗(yàn)系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容包括：導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與驗(yàn)?zāi)?導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與驗(yàn)?zāi)?彈道計(jì)算與控制系統(tǒng)模型軟件實(shí)現(xiàn);虛擬樣機(jī)、彈道計(jì)算機(jī)(包括彈道計(jì)算與控制模型)與操控裝置和圖像跟蹤器實(shí)體樣機(jī)的集成。其中，高擬真度成像系統(tǒng)虛擬樣機(jī)和導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建模與驗(yàn)?zāi)?、大氣輻射傳輸模型的?yīng)用以及試驗(yàn)系統(tǒng)集成為關(guān)鍵技術(shù)。

要以該試驗(yàn)最大限度地代替飛行試驗(yàn)，前提是試驗(yàn)結(jié)果必須正確。試驗(yàn)結(jié)果的可信性首先取決于描述實(shí)際物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型的擬真度，其次取決于所構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)際工作環(huán)境的逼真度。制導(dǎo)系統(tǒng)基于數(shù)學(xué)模型的虛擬樣機(jī)能否真實(shí)反映其工作特性，即擬真度是否滿足要求，需要尋找合理的內(nèi)外場試驗(yàn)方法，確定擬真度評(píng)價(jià)指標(biāo)，對其進(jìn)行校驗(yàn)，使數(shù)學(xué)模型在最大程度上反映其代表的物理部件的性能特性。

2 基于性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)的人在回路中的末制導(dǎo)系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)

2.1 復(fù)雜背景下的目標(biāo)搜索與識(shí)別

導(dǎo)彈在飛行過程中，射手需要通過觀看導(dǎo)引頭攝取的圖像從背景中檢索出要攻擊的目標(biāo)，目標(biāo)識(shí)別過程如圖3所示，圖中的每一個(gè)環(huán)節(jié)和目標(biāo)在視場中停留的時(shí)間都會(huì)影響識(shí)別結(jié)果[5]。在導(dǎo)引頭瞬時(shí)視場和識(shí)別距離受限的情況下，為了增大目標(biāo)識(shí)別概率，通常采用導(dǎo)引頭按指定規(guī)律掃描的方法，以增大視場或延長目標(biāo)在視場中的停留時(shí)間。

圖3 目標(biāo)電光成像與識(shí)別過程

針對背景項(xiàng)目的作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)使用環(huán)境設(shè)置試驗(yàn)條件和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過觀察導(dǎo)引頭虛擬視景做識(shí)別試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)在不同作戰(zhàn)環(huán)境條件下，采用不同導(dǎo)引頭參數(shù)、掃描規(guī)律和彈道參數(shù)時(shí)，對不同目標(biāo)在規(guī)定識(shí)別距離內(nèi)的識(shí)別概率以及平均識(shí)別距離。為背景項(xiàng)目總體方案和導(dǎo)引頭方案確定提供參考。

2.2 手動(dòng)和自動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)與末制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)估

在射手識(shí)別目標(biāo)后，需要通過操縱手柄使導(dǎo)引頭光軸指向目標(biāo)，隨后可選擇轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤方式由圖像跟蹤器產(chǎn)生跟蹤指令使光軸指向目標(biāo)。利用性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)通過試驗(yàn)測試的方法評(píng)估導(dǎo)彈在不同速度、不同導(dǎo)引率、不同數(shù)據(jù)鏈路延遲情況下對不同運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)規(guī)律目標(biāo)的手動(dòng)與自動(dòng)跟蹤性能。手動(dòng)與自動(dòng)跟蹤目標(biāo)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

2.2.1 手動(dòng)跟蹤試驗(yàn)

對初步設(shè)計(jì)的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)跟蹤試驗(yàn)，通過射手的實(shí)際觀察評(píng)測導(dǎo)彈對目標(biāo)的跟蹤性能。不同的導(dǎo)引頭跟蹤回路參數(shù)和大回路參數(shù)引起的視線誤差角、過載和彈體姿態(tài)角如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可以看出，射手能夠快速地使視線誤差角減小，但不能將目標(biāo)穩(wěn)定在視場中心，視線角誤差震蕩，經(jīng)分析是由于導(dǎo)引頭跟蹤回路增益過大，通過減小導(dǎo)引頭跟蹤回路增益、降低導(dǎo)引頭回路帶寬來解決導(dǎo)引頭的穩(wěn)定問題。

圖4 手動(dòng)與自動(dòng)目標(biāo)跟蹤試驗(yàn)

圖5 導(dǎo)引回路增益過大時(shí)的視線誤差角與過載

圖6 大回路增益過大時(shí)的視線誤差角、彈體姿態(tài)角和過載

由圖6可以看出，在導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入比例導(dǎo)引之前，射手能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，轉(zhuǎn)比之后，彈體控制不穩(wěn)定導(dǎo)致導(dǎo)引頭不能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，以致脫靶。經(jīng)分析是由于大回路增益過大引起的，應(yīng)該通過減小大回路增益解決此問題。

造成脫靶量較大的原因在于視線誤差角較早的超過導(dǎo)引頭半視場。而此時(shí)的橫向過載并未超過可用過載，應(yīng)該通過調(diào)整導(dǎo)引頭參數(shù)和跟蹤大回路參數(shù)的方法優(yōu)化導(dǎo)引頭和彈體的響應(yīng)。導(dǎo)引頭跟蹤回路與大回路綜合調(diào)整后的手動(dòng)跟蹤曲線見圖7。

2.2.2 針對大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的手動(dòng)與自動(dòng)跟蹤對比試驗(yàn)

在圖像跟蹤器能夠穩(wěn)定的跟蹤大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的情況下，進(jìn)行相同條件下的手動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤回路參數(shù)不適用于手動(dòng)跟蹤。相同的跟蹤回路參數(shù)條件下手動(dòng)與自動(dòng)跟蹤大機(jī)動(dòng)目標(biāo)對比試驗(yàn)曲線如圖8所示。

圖7 參數(shù)綜合調(diào)整后的視線誤差角、彈體姿態(tài)角和過載

圖8 相同跟蹤回路參數(shù)時(shí)的手動(dòng)與自動(dòng)跟蹤大機(jī)動(dòng)目標(biāo)

由此可見，自動(dòng)跟蹤回路與手動(dòng)跟蹤回路必須分別設(shè)計(jì)。對手動(dòng)跟蹤回路進(jìn)行了重新調(diào)整，調(diào)整后，手動(dòng)可穩(wěn)定的跟蹤蛇形機(jī)動(dòng)目標(biāo)，調(diào)整前后手動(dòng)跟蹤曲線對比如圖9所示。

圖9 手動(dòng)跟蹤回路調(diào)整前后的試驗(yàn)曲線對比

3 結(jié)論

由于人的不確定性和非線性，在制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對人的特性必須進(jìn)行充分的試驗(yàn)和分析。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立末制導(dǎo)性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)，將人的作用以與實(shí)際系統(tǒng)相同的方式引入制導(dǎo)回路，通過人在回路中的閉環(huán)試驗(yàn)，使得末制導(dǎo)系統(tǒng)的性能評(píng)估結(jié)果更具有可信性，制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更符合實(shí)際。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對不同設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤性能進(jìn)行直觀高效的評(píng)估與驗(yàn)證，并有針對性的及時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化參數(shù)，具有其它試驗(yàn)不可比擬的方便性和經(jīng)濟(jì)性。為研究圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)搜索、識(shí)別、跟蹤和人在回路中的行為特性以及與制導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)的匹配性等關(guān)鍵技術(shù)問題提供了一個(gè)有效途徑。

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