基于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的紅外成像制導(dǎo)仿真設(shè)備的方位標(biāo)校及誤差修正

王繼光，白云塔，高文靜，李金亮

（解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066000）

0 引 言

紅外成像制導(dǎo)由于精度高和準(zhǔn)全天候的特點(diǎn)而成為精確打擊的重要手段。成像制導(dǎo)導(dǎo)彈造價(jià)昂貴，測(cè)試成本高，采用模擬導(dǎo)引頭工作的紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試具有重復(fù)性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。仿真系統(tǒng)由紅外熱像儀和伺服機(jī)構(gòu)組成，通過計(jì)算機(jī)控制，模擬紅外導(dǎo)引頭捕獲，跟蹤目標(biāo)的工作機(jī)理。在外場(chǎng)，通常使用車載或艦載平臺(tái)，這樣，靈活性高，尤其對(duì)距離的調(diào)整有巨大優(yōu)勢(shì)。但是，紅外成像制導(dǎo)仿真設(shè)備模擬導(dǎo)引頭的跟蹤過程，其輸出角度為相對(duì)坐標(biāo)。對(duì)于測(cè)試，要實(shí)時(shí)獲取與GPS數(shù)據(jù)一致的方位和俯仰角度［1－2］，所以有必要采用一種簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)地進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換和誤差修正的方法。

基于艦船機(jī)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)于海上目標(biāo)采用海天線基準(zhǔn)進(jìn)行角度修正的方法取得了很好的效果。

1 紅外成像制導(dǎo)仿真設(shè)備工作原理及測(cè)試誤差分析

1.1 紅外成像制導(dǎo)仿真模擬設(shè)備工作機(jī)理

圖1是用于“海爾法”的紅外成像尋的導(dǎo)引頭工作原理圖，其主要由探測(cè)、處理跟蹤、自動(dòng)駕駛和控制器組成。

圖1 用于“海爾法”的紅外成像尋的導(dǎo)引頭

圖2 是紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)原理圖，解算后的偏角要送往伺服系統(tǒng)，使熱像儀始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，紅外成像導(dǎo)引頭與之不同的是偏角是送往彈體，使彈體始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

圖2 紅外成像制導(dǎo)住址模擬系統(tǒng)工作原理

1.2 基于機(jī)動(dòng)平臺(tái)測(cè)試誤差分析

紅外成像制導(dǎo)仿真系統(tǒng)在裝備測(cè)試中需要布設(shè)在固定或機(jī)動(dòng)平臺(tái)上。固定站點(diǎn)布設(shè)可以利用工具嚴(yán)格地進(jìn)行測(cè)試前參數(shù)的標(biāo)校，測(cè)量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。但是為了模擬導(dǎo)引頭對(duì)攻擊目標(biāo)的逼近過程，需要安裝在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量［3－4］。

對(duì)海上測(cè)量，設(shè)備安裝固定在測(cè)量船上，必須有足夠的方位和俯仰作用范圍，對(duì)機(jī)動(dòng)的海面或空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。船搖對(duì)測(cè)量的影響很大，可造成目標(biāo)方位、俯仰測(cè)量值的偏差。一般情況下，船的縱橫搖信息由于接口等因素很難實(shí)時(shí)得到。利用圖像實(shí)時(shí)處理的方法，可以通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方位真值的精確測(cè)量［5］。

設(shè)備方位指示的0刻度與船頭方向一致，設(shè)備豎軸與水平面嚴(yán)格垂直時(shí)，紅外視場(chǎng)中心線與海天線重合，此時(shí)俯仰刻度為0°。測(cè)量方位角和俯仰角分別用A和E表示。設(shè)在某個(gè)時(shí)刻測(cè)得的在海天線上的目標(biāo)圖像如圖3所示。設(shè)備跟蹤目標(biāo)，海天線在視場(chǎng)中顯示為1條實(shí)線，此時(shí)跟蹤方位角和俯仰角分別為A1和E1。

圖3 機(jī)動(dòng)平臺(tái)獲得的瞬時(shí)視場(chǎng)圖像

設(shè)備載體船在海上，近似重心海拔高度不變，船頭隨波浪起伏，船身傾斜。據(jù)此建立坐標(biāo)系如圖4所示，以船重心為原點(diǎn)，設(shè)備坐標(biāo)系為O′－X′Y′Z′，以船頭水平方向?yàn)閤軸建立大地坐標(biāo)系為O－XYZ。為便于計(jì)算，設(shè)這3個(gè)原點(diǎn)重合，則設(shè)備坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系沿Y軸轉(zhuǎn)φ角，再繞自身X′軸旋轉(zhuǎn)θ角構(gòu)成。2個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系為：

圖4 設(shè)備坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系

進(jìn)一步簡(jiǎn)化，設(shè)原點(diǎn)與海平面平齊，則海天線在XOY平面上。在設(shè)備坐標(biāo)系中，瞬時(shí)視場(chǎng)中的海天線為CD，視場(chǎng)中心為M，在X′OZ′平面的投影分別為C′、D′，M′，由幾何關(guān)系知D′在OY′上，OM垂直于CD，OM′垂直于C′D′，DD′垂直于OD′，CD與C′D′相交于B點(diǎn)。根據(jù)圖1所示，∠DBD′＝ψ，B點(diǎn)在設(shè)備坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以確定為（X′B，Y′B，0），根據(jù)B點(diǎn)坐標(biāo)和M點(diǎn)坐標(biāo)，可以確定θ和φ角：

式（2）有6個(gè)方程，6個(gè)未知數(shù)，方程可解。

根據(jù)圖4的幾何關(guān)系，可以確定M在大地坐標(biāo)中的方位角∠COM：

得到：

2 結(jié)果分析

由以上分析知，根據(jù)圖4中海天線的位置和傾斜角度，可以通過計(jì)算確定設(shè)備機(jī)動(dòng)平臺(tái)縱橫搖的偏角，并可確定對(duì)于大地坐標(biāo)系下海天線附近目標(biāo)的位置信息。對(duì)于不在海天線的目標(biāo)位置，可以通過瞬時(shí)視場(chǎng)每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度算出對(duì)海天線的偏角來確定。

圖5 機(jī)動(dòng)平臺(tái)獲得的不在海天線上的目標(biāo)圖像

如圖5所示，設(shè)瞬時(shí)視場(chǎng)的縱向角度為6°，圖像像素為800×600，ΔE對(duì)應(yīng)的像素為N，則：

目標(biāo)俯仰角加海天線偏角為海天線在設(shè)備坐標(biāo)系中的俯仰角E1，其他計(jì)算與以上相同。

船頭方向與正北的偏角通過電子測(cè)量?jī)x器或GPS可以測(cè)得［6－7］，于是可以近似計(jì)算對(duì)正北的目標(biāo)方位角度，從而獲取真實(shí)的導(dǎo)引頭攻擊態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)位置信息。

3 結(jié)束語

基于坐標(biāo)變換和瞬時(shí)視場(chǎng)圖像像素測(cè)量，可以對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)的縱橫搖角度進(jìn)行計(jì)算修正，并對(duì)目標(biāo)在大地坐標(biāo)中的實(shí)際方位角度進(jìn)行校準(zhǔn)修正，為目標(biāo)絕對(duì)位置測(cè)量提供可靠數(shù)據(jù)，為設(shè)備和目標(biāo)的態(tài)勢(shì)演變提供實(shí)時(shí)信息，對(duì)測(cè)量訓(xùn)練有重要意義。

［1］王琦，張繼旭.基于CCD激光經(jīng)緯儀的雷達(dá)標(biāo)校及數(shù)據(jù)處理方法［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009，1（1）：89－92.

［2］薛鴻印.用GPS標(biāo)校平臺(tái)羅經(jīng)方位安裝誤差與艦向精度測(cè)量［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2000，28（6）：47－51.

［3］李向榮，郭平平，喬彥峰，等.動(dòng)基座方位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)海上精度標(biāo)校方法研究［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，18（6）：173－176.

［4］張同雙，李曉勇，鐘德安，等.航天測(cè)量船無限電測(cè)量設(shè)備方位零位標(biāo)校新方法［J］.電訊技術(shù)，2008，48（6）：30－34.

［5］吳冰，秦昆.一種快速實(shí)用方位標(biāo)校方法及軸角變換系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25（9）：36－38.

［6］敬軍.機(jī)動(dòng)平臺(tái)識(shí)別器方位零值的幾種標(biāo)校方法［J］.電訊技術(shù)，2006，46（6）：161－163.

［7］王萬玉，張寶全，陳剛.俯仰／方位座架軸系誤差分析及標(biāo)校［A］.中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第十九次學(xué)術(shù)會(huì)議文集（下冊(cè)）［C］.寧波：中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)，2006：720－723.