復(fù)合導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合算法仿真分析

吳玉生，許瑞杰

(1.中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

復(fù)合導(dǎo)引是精確制導(dǎo)武器發(fā)展的重要方向。隨著矛與盾的升級，單模制導(dǎo)導(dǎo)引頭在實戰(zhàn)中面臨的處境愈加困難。對反輻射無人機而言，如何對抗各種有源干擾、壓制干擾、欺騙干擾和輻射源關(guān)機等是反輻射武器必須要解決的問題[1-3]。常規(guī)單模反輻射無人機在受到干擾后可采取的措施主要有2種：① 采用無人機上慣性導(dǎo)航裝置繼續(xù)向當前導(dǎo)引頭給出的目標方向攻擊；② 利用無人機續(xù)航時間長的特點繼續(xù)在目標區(qū)域上空盤旋等待干擾消失或輻射源目標開機后再進行攻擊。復(fù)合導(dǎo)引頭具有2種探測體制，在應(yīng)對攻擊的各種反制措施時，具有更多的信息來源，可以根據(jù)不同的傳感器信息組合得到反輻射無人機需要的制導(dǎo)信息[4-5]，引導(dǎo)反輻射無人機完成攻擊過程。如何有效利用多模導(dǎo)引頭的制導(dǎo)信息是復(fù)合導(dǎo)引頭精確命中目標的關(guān)鍵。

目前，復(fù)合導(dǎo)引頭在末段攻擊階段往往采用轉(zhuǎn)換的方式，即當前傳感器受到外界干擾時，直接摒棄當前傳感器信息并立刻切換到另一種探測器[6]，這種方法工作原理簡單，但轉(zhuǎn)換過程不夠平滑，容易造成較大的制導(dǎo)偏差[7-8]。本文研究同控式融合算法，在末制導(dǎo)階段同時將2種探測器自適應(yīng)分配不同權(quán)值，合理利用復(fù)合導(dǎo)引頭探測器信息，避免轉(zhuǎn)換式算法帶來的抖動問題。

1 雷達紅外反輻射復(fù)合導(dǎo)引頭工作流程

以反輻射無人機平臺為例，在反輻射無人機遠程飛行進入被動雷達作用范圍內(nèi)時，被動導(dǎo)引頭開始工作，按照事先加載雷達數(shù)據(jù)庫進行信號搜索，并向信息融合處理模塊上報各個目標信息，信息融合處理模塊根據(jù)目標信息進行聚類，分選目標，確定威脅等級最大的打擊對象，并針對打擊對象的測向結(jié)果逐步逼近。當無人機飛行到紅外導(dǎo)引頭作用的范圍內(nèi)時，紅外導(dǎo)引頭開始工作，其探測對象為被動導(dǎo)引頭選定的目標對象。此后，信息融合處理根據(jù)目標被動探測結(jié)果和紅外探測結(jié)果判定目標的正確性[9-11]。

可以將紅外/被動復(fù)合導(dǎo)引頭工作過程劃分為3個階段，如圖1所示[12]。

圖1 系統(tǒng)工作階段示意

1.1 被動導(dǎo)引階段

根據(jù)事先裝訂的目標參數(shù)，在距離目標較遠時讓被動導(dǎo)引頭開機，根據(jù)被動導(dǎo)引頭輸出的測角信息引導(dǎo)飛機逐步逼近目標，利用雷達參數(shù)信息確定攻擊目標類型，實現(xiàn)攻擊目標的選擇。

1.2 交接班階段

在進入紅外作用范圍時，依據(jù)被動導(dǎo)引的結(jié)果，紅外導(dǎo)引頭的成像器已能夠較準確地對準目標，因此，紅外導(dǎo)引頭工作后，目標應(yīng)能位于其視場內(nèi)迅速跟蹤目標。信息融合處理分析比對紅外探測信息和被動信息，判斷紅外是否捕獲到指定目標。如果由于誤差過大等原因造成交接班時紅外視場內(nèi)沒有目標，則紅外導(dǎo)引頭也可以在一定的角度范圍內(nèi)自主搜索目標。

1.3 聯(lián)合工作階段

在紅外工作模式啟動后，被動仍舊可以工作，被動信息和紅外信息由信息融合模塊進行處理和關(guān)聯(lián)。當紅外導(dǎo)引頭穩(wěn)定工作后，以紅外導(dǎo)引頭所探測信息為主，被動導(dǎo)引頭探測信息為輔，被動信息作為備份監(jiān)視和冗余的工作方式，以備份紅外導(dǎo)引頭丟失目標時使用。一旦被動、紅外一方受到干擾或發(fā)生故障時，信息融合處理器可進行實時切換，保證攻擊任務(wù)完成的連續(xù)性。

以上被動/紅外復(fù)合工作的流程，采用優(yōu)勢互補的原則，充分發(fā)揮紅外導(dǎo)引頭和被動導(dǎo)引頭的優(yōu)點，克服單模作戰(zhàn)的缺點，極大地提高了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力。

2 光電對抗環(huán)境下導(dǎo)引頭工作模式

2.1 戰(zhàn)場情況下復(fù)合導(dǎo)引頭面臨干擾及對抗措施

在實際戰(zhàn)場復(fù)雜工作環(huán)境下，多模制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)不同的干擾情況、不同的反輻射無人機工作狀況采用不同的工作模式，以適應(yīng)內(nèi)部與外界環(huán)境的變化。主要考慮以下4種不同的干擾模式：目標關(guān)機、電子干擾、紅外干擾和組合干擾[13-14]。

根據(jù)外界干擾情況和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的受擾模式，將雙模制導(dǎo)系統(tǒng)的工作狀態(tài)詳細劃分為：

① 無干擾、導(dǎo)引頭正常情況；

② 紅外干擾、紅外測量裝置被干擾，被動測量裝置正常；

③ 電子干擾、紅外測量裝置正常，被動測量裝置被干擾；

④ 復(fù)合干擾、紅外測量和被動測量裝置都被干擾；

⑤ 目標關(guān)機、紅外測量裝置正常截獲跟蹤目標，被動測量裝置無法工作；

⑥ 目標關(guān)機、紅外測量裝置沒有截獲跟蹤目標，被動測量裝置無法工作。

2.2 戰(zhàn)場情況下復(fù)合導(dǎo)引頭制導(dǎo)系統(tǒng)工作狀態(tài)

針對以上光電對抗環(huán)境模式，可以將制導(dǎo)系統(tǒng)工作模式劃分為以下幾種：

① 紅外/被動導(dǎo)引頭+GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)制導(dǎo)模式；

② 被動導(dǎo)引頭+ GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)制導(dǎo)模式；

③ 紅外頭+GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)制導(dǎo)模式；

④ GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航全程制導(dǎo)模式；

⑤ GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航抗關(guān)機制導(dǎo)模式。

這些工作模式用于不同的光電對抗應(yīng)用場合，以滿足制導(dǎo)武器在不同條件下對目標攻擊的要求。

在光電對抗環(huán)境下，制導(dǎo)信號的生成有3種情況：① 雙模導(dǎo)引頭工作制導(dǎo)信號生成；② 單一導(dǎo)引頭工作制導(dǎo)信號生成；③ 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)制導(dǎo)信號生成。

雙模導(dǎo)引頭工作時，采用復(fù)合跟蹤算法(一般采用同控式)來生成制導(dǎo)信號；單一導(dǎo)引頭工作時，利用可以工作的導(dǎo)引頭信號輸出構(gòu)成制導(dǎo)信號，這種方法對應(yīng)于轉(zhuǎn)換式跟蹤算法；若2個導(dǎo)引頭此時都不能工作，如目標關(guān)機且紅外頭沒有鎖定目標，根據(jù)前一階段飛行過程對目標的位置估計和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出構(gòu)造制導(dǎo)信號；目標位置的估計可以通過導(dǎo)引頭與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的交聯(lián)，利用信號濾波的方法得到。

3 復(fù)合導(dǎo)引數(shù)據(jù)融合算法

在進入末制導(dǎo)階段，反輻射無人機被動雷達探測和紅外探測均處在工作狀態(tài)，二者獲取的信息具有很強的互補性，二者融合完成末制導(dǎo)信息的輸出。

雙模導(dǎo)引頭信息融合方法主要有2種：

① 同控式：2種探測器信息同時控制一個受控對象，完成自動導(dǎo)引。

② 轉(zhuǎn)換式：2種導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)換工作，當一種導(dǎo)引頭受干擾、出現(xiàn)故障或受局限時，自動轉(zhuǎn)換到另一種導(dǎo)引方式工作[15-17]。

轉(zhuǎn)換式技術(shù)實現(xiàn)簡單，能夠增強導(dǎo)彈的抗干擾能力，但制導(dǎo)精度和單模制導(dǎo)相當，本文重點考慮復(fù)合制導(dǎo)同控式融合算法。

3.1 同控式融合算法

在導(dǎo)引頭跟蹤融合層次，利用2個導(dǎo)引頭的失調(diào)角測量值，通過決策產(chǎn)生唯一的失調(diào)角，并利用該指令生成電機控制指令，完成導(dǎo)引頭回路的穩(wěn)定與控制。該方法確保導(dǎo)引頭生成了唯一的、改進的用于制導(dǎo)和控制的跟蹤指令，同時分別改善了導(dǎo)引頭的跟蹤性能。通過引入自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法解決數(shù)據(jù)融合算法對光電對抗環(huán)境和傳感器工作特性限制條件的適應(yīng)性問題，真正在工程上提高了整個制導(dǎo)系統(tǒng)的使用性能。

3.2 同控式融合算法步驟

3.2.1 導(dǎo)引頭失調(diào)角數(shù)據(jù)校準

由于從被動雷達傳感器和紅外傳感器得到的失調(diào)角信息不是同時的，所以必須進行時間上的同步。時間同步通常采用內(nèi)插或外推的方法[18-20]。假設(shè)x1為被動雷達傳感器在t1時刻得到的失調(diào)角測量值，x2為紅外傳感器在t2時刻得到的失調(diào)角測量值，x3為紅外傳感器在t3時刻得到的測量值。并且有

t2

則通過對x2和x3進行插值，可得到紅外傳感器在t1時刻的測量值。因為t2時刻和t3時刻相隔時間很短，可以認為變化是線性的，計算公式為：

3.2.2 紅外/被動測量裝置失調(diào)角測量誤差估計

對導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合來說，常用的融合算法為最小方差全局最優(yōu)融合算法，但這種方法需要知道測量裝置的測量誤差特性，實際中測量誤差特性并不總是能提前獲取的，尤其在干擾對抗環(huán)境下，所以需要引入失調(diào)角測量誤差估計算法。

這里借鑒滑動平均窗的思想來完成測量誤差的均方差估計。

(1) 失調(diào)角預(yù)處理

預(yù)處理的目的是去掉常數(shù)項，在真實的視線角速度變化不大的情況下可得到零均值的測量誤差，用失調(diào)角本身減去低頻分量來近似獲得，公式表示如下：

(2) 測量誤差均方差估計

選取滑動平均窗的長度，記為L，采樣周期假定為T，則k·T時刻的均方差估計公式如下：

采用零階保持來實現(xiàn)2個采樣時刻之間的均方差估值，這樣就可以得到任意時刻的均方差估值。

3.2.3 紅外/被動測量裝置失調(diào)角融合

采用最小方差全局最優(yōu)融合算法來融合紅外測量裝置與被動雷達測量裝置輸出的失調(diào)角，由此生成唯一的失調(diào)角估計值，并由此產(chǎn)生指令用于導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤控制和導(dǎo)彈制導(dǎo)控制中，計算公式如下：

E(V1·V2)=0，

式中，ε1，ε2分別為紅外測量裝置和被動測量裝置的失調(diào)角測量值；ε為真實失調(diào)角；V1為紅外測量裝置失調(diào)角測量噪聲；V2為被動測量裝置失調(diào)角測量噪聲。

失調(diào)角ε的最佳線性估計為：

式中，最佳線性估計的組合增益計算為：

4 基于同控式跟蹤算法的導(dǎo)引頭仿真分析

在現(xiàn)有硬件能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿真，采用簡化的導(dǎo)彈飛控模型，完成導(dǎo)引頭末制導(dǎo)攻擊過程的仿真。

4.1 仿真條件

4.1.1 紅外探測器

取紅外探測器指標為：瞬時視場為4°× 3°，即±2°×±1.5°，測量噪聲正常情況均值為0，均方差為0.03°。干擾考慮2種情況：

① 噪聲均方差增大10倍，即均值為0，均方差為0.3°；

② 假定紅外受到嚴重干擾或者被紅外誘餌誘偏，此時假定紅外測量裝置無法工作。采樣周期根據(jù)指標選為50 Hz。

4.1.2 被動測量裝置

雷達無源探測指標：瞬時視場為±45°，測量噪聲正常情況均值為0，均方差為1°。干擾情況考慮2種情況：

① 受電子干擾，噪聲增大3倍，即均值為0，均方差為3°；

② 假定目標關(guān)機，被動測量裝置無法正常工作。采樣周期根據(jù)指標選為50 Hz。

4.1.3 飛控參數(shù)

以俯仰通道為例，俯仰飛控一階等效時間常數(shù)取0.4 s，采用比例導(dǎo)引縱向制導(dǎo)律系數(shù)取4，法向過載限幅取±7 g。

4.2 無干擾情況下仿真

暫不考慮天線罩折射率，視線角輸入初值為0、斜率為1的斜坡信號，視線角曲線如圖2所示。

圖2 無干擾下視線角曲線

從圖2可以看出，無干擾時復(fù)合導(dǎo)引頭可以較準確地跟蹤視線角變化，證明了本報告提出的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法在視線角速度變化較小且無干擾情況下性能良好。

4.3 紅外受干擾情況下仿真

假定紅外裝置在仿真時刻2 s時受到干擾，失調(diào)角測量誤差增大10倍，均方差變?yōu)?.3°，其余條件與無干擾時相同，視線角仿真曲線如圖3所示。

圖3 紅外受干擾下視線角曲線

從圖3可以看出，紅外模式受擾時跟蹤精度有所下降。

4.4 雷達受干擾情況下仿真

假定仿真時刻2 s時雷達無源探測受到干擾，失調(diào)角測量誤差增大3倍，均方差變?yōu)?°，其余條件與無干擾時相同，主要仿真曲線如圖4所示。

圖4 雷達受干擾下視線角曲線

從圖4可以看出，雷達模式受擾時復(fù)合導(dǎo)引頭可以較準確地跟蹤視線角變化，此時測量精度與測量誤差已知時的理論結(jié)果吻合，即雷達頭受干擾時，同控式融合方法得到的結(jié)果相當于紅外頭單獨工作。證明了本文提出的自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法在視線角速度變化較小且雷達模式受擾情況下性能良好。

5 結(jié)束語

本文對反輻射無人機復(fù)合導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合算法進行了論述，對轉(zhuǎn)化式和同控式數(shù)據(jù)融合算法在原理上進行了比較，得到同控式融合算法可以綜合利用2種探測器得到的制導(dǎo)信息，克服轉(zhuǎn)換式算法帶來的末制導(dǎo)信息抖動問題。同控式融合算法需要對紅外和雷達測量裝置的失調(diào)角測量誤差特性進行估計，根據(jù)估計的方差進行權(quán)值計算。本文對同控式融合算法進行了數(shù)字仿真，驗證了同控式融合算法的性能，對工程實踐有一定的指導(dǎo)意義。