一種提高外測數(shù)字引導(dǎo)準確性的系統(tǒng)工程方法*

朱 丹，秦 剛

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一種提高外測數(shù)字引導(dǎo)準確性的系統(tǒng)工程方法*

朱 丹，秦 剛

（中國人民解放軍91550部隊 大連 116023）

在飛行器試驗過程中，中心機需要實時向測控設(shè)備發(fā)送數(shù)字引導(dǎo)信息，使測控設(shè)備能夠及時捕獲目標并穩(wěn)定跟蹤。簡單介紹目前外測實時數(shù)據(jù)處理中所采用的數(shù)字引導(dǎo)算法，通過分析影響外測設(shè)備數(shù)字引導(dǎo)精度的主要因素，提出一種基于軌跡融合的數(shù)據(jù)精化處理和多級組合濾波方法，可以有效地提高測控設(shè)備數(shù)字引導(dǎo)精度，具有較高的實際應(yīng)用價值。

測控設(shè)備；外測數(shù)據(jù)處理；數(shù)字引導(dǎo)；軌跡融合

引 言

飛行器飛行試驗過程離不開測控系統(tǒng)的支持，測控系統(tǒng)主要由各類測量、控制、數(shù)據(jù)傳輸、實時數(shù)據(jù)處理、通信等設(shè)備構(gòu)成,其主要任務(wù)是完成對飛行器的識別、跟蹤和測量，同時對飛行器實施全過程安全控制[1]。

在測控系統(tǒng)中對飛行器目標實施跟蹤的高精度測量裝備由于波束或視場范圍窄，發(fā)現(xiàn)和捕獲空中高速飛行的目標非常困難，往往需要提供一定的目標提示，通常稱之為設(shè)備引導(dǎo)。引導(dǎo)有兩種方式，其一為同步引導(dǎo)，就是把引導(dǎo)設(shè)備與跟蹤測量設(shè)備直接連接（模擬或數(shù)字的），由引導(dǎo)設(shè)備驅(qū)使被引導(dǎo)設(shè)備與自身作相同的轉(zhuǎn)動；其二為計算機引導(dǎo)（通常稱為數(shù)字引導(dǎo)），是將獲取的目標軌跡信息作站址坐標轉(zhuǎn)換后引導(dǎo)各測控設(shè)備。由于計算機引導(dǎo)主要是信息的綜合利用，無需大的投入，故在飛行器測控中一般都采取這種方式[2]。本測控系統(tǒng)中心計算機系統(tǒng)可用于產(chǎn)生數(shù)字引導(dǎo)的數(shù)據(jù)源有三類，按照選用順序依次為外測數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)。本文僅針對外測數(shù)字引導(dǎo)信息處理方法展開分析。

1 影響外測數(shù)字引導(dǎo)準確性因素分析

測控設(shè)備為了實現(xiàn)對飛行目標的準確、穩(wěn)定跟蹤，要求具備較高的測量數(shù)據(jù)采樣頻率（通常為20Hz），同時要求中心計算機為測控設(shè)備提供飛行目標的準確位置和速度。影響測控設(shè)備外測數(shù)字引導(dǎo)準確性的因素主要有引導(dǎo)外推的初值精度和引導(dǎo)外推模型兩個方面。

1.1 外測實時軌跡解算方法缺陷對引導(dǎo)外推初值精度的影響

引導(dǎo)外推的初值即是飛行目標的外測軌跡參數(shù)。目前外測實時數(shù)據(jù)處理基本還沿用多年來形成的較成熟可靠的傳統(tǒng)處理模型，即測量設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的誤差修正及合理性檢擇，根據(jù)測量設(shè)備精度制定測量方案選優(yōu)順序，進行飛行目標外測軌跡參數(shù)解算，然后再經(jīng)過濾波平滑進一步減小誤差，即得到飛行目標的外測軌跡參數(shù)，作為引導(dǎo)外推的初值，用于數(shù)字引導(dǎo)計算[3]。

1.1.1 測量方案選優(yōu)

飛行器試驗過程中，在航區(qū)周圍布設(shè)大量測控設(shè)備，包括光學測量設(shè)備、連續(xù)波雷達、脈沖雷達和統(tǒng)一測控設(shè)備等。根據(jù)測量體制不同，一臺或者幾臺設(shè)備組合可形成一個完整的測控方案。根據(jù)各個測量方案的精度、作用范圍以及測控設(shè)備的可靠性等因素，事先制定一個固定的測量方案選優(yōu)表，任務(wù)中根據(jù)測控設(shè)備狀態(tài)對實時形成的方案進行飛行目標軌跡解算，然后按照測量方案優(yōu)先順序進行結(jié)果輸出。

當高精度測量方案未形成時，較低精度的測量方案解算出的目標飛行軌跡就會輸出，如果是雷達測量單站方案，還要進行濾波求速，這樣得到的速度參數(shù)就會出現(xiàn)較大抖動。通常測控設(shè)備俯仰角大于5°時，測量數(shù)據(jù)才穩(wěn)定、可靠，但是在試驗任務(wù)中，為了捕捉飛行器低空飛行數(shù)據(jù)，測控設(shè)備通常在低仰角下工作，同時由于測量設(shè)備受本身狀態(tài)及其使用環(huán)境等因素的影響，在任務(wù)中高精度測量方案與低精度測量方案動態(tài)切換不可避免，導(dǎo)致輸出的外測軌跡參數(shù)在理論值附近無規(guī)則跳動，并不能真實地反映飛行器的飛行態(tài)勢。

1.1.2 軌跡解算類型

根據(jù)測量體制的不同，本應(yīng)用中主要有四種方案類型。① GPS測量體制：適用于GPS單臺設(shè)備定位解算目標飛行軌跡參數(shù)；② AER測量體制：適用于單臺雷達測量設(shè)備定位解算目標飛行軌跡參數(shù)；③ 2AE測量體制：適用于兩臺光學設(shè)備的交會定位解算目標飛行軌跡參數(shù)；④ 3RR’測量體制：適用于三臺連續(xù)波雷達定位解算目標飛行軌跡參數(shù)。

可以看出傳統(tǒng)方法得到的飛行目標軌跡參數(shù)來源于單一測量方案的數(shù)據(jù)[4]，沒有對所有測量方案信息加以綜合利用，不利于提高目標飛行軌跡解算精度，進而影響了引導(dǎo)外推的初值精度。

1.2 引導(dǎo)外推模型對設(shè)備數(shù)字引導(dǎo)準確性的影響

由于很難獲取飛行目標的運動特性并建立精確的動力方程，通常應(yīng)用卡爾曼方法的穩(wěn)態(tài)解形式，也稱為α-β-γ濾波器，對實時解算的當前點飛行目標軌跡參數(shù)進行濾波并進行點預(yù)報[4]，的取值根據(jù)測站與中心計算機的距離、計算機的運行速度和計算能力、數(shù)據(jù)傳輸速度等因素來具體決定。

1.2.1 濾波模型

①第1、2點軌跡不進行濾波估值，第3點按式（1）進行估值，其中為數(shù)據(jù)采樣周期0.05s。

計算預(yù)測值

計算濾波估值

α-β-γ濾波估值經(jīng)驗參數(shù)選?。?0.33，=1.3173，=2.6287。濾波收斂時間大約需要1s~2s，因此在2s內(nèi)，濾波值不輸出。

1.2.2 預(yù)報模型

本應(yīng)用的外推模型較簡單，即假設(shè)飛行目標作勻加速運動,采用固定增益的濾波方法進行點預(yù)報。

由于飛行器在每個飛行階段的運動特性復(fù)雜，很難準確描述，所以在預(yù)報過程中就引入了較大的模型誤差，并且這種誤差隨著外推時間的增加會不斷地被放大。

2 提高外測引導(dǎo)準確性的方法探討

2.1 基于融合算法的外測軌跡精化方法

本文并不是從技術(shù)角度來提高精度，而是運用系統(tǒng)工程方法，選擇運算量較小、程序控制簡單、算法效率高的軌跡融合方法，通過提高解算目標軌跡精度，來提高引導(dǎo)外推初值的準確性[5]。

2.1.1 軌跡融合的條件

在某個測量時段的某一點，至少形成兩個有效測量方案才能進行軌跡融合處理。

若要剔除“連續(xù)異常值”的測量方案，第一次融合后要進行數(shù)據(jù)檢擇，再對余下測量方案進行再次軌跡融合，所以要求某個測量時段的某一點，至少要形成三個有效測量方案才能進行軌跡融合處理，否則不做融合處理[5]。

2.1.2 測量方案分類原則

測控系統(tǒng)中所有測控設(shè)備精度是不同的，通常分為高、中、低精度三類。軌跡融合要求將相同精度測量方案的數(shù)據(jù)進行融合，有效提高軌跡解算精度，所以在軌跡參數(shù)融合之前必須進行測量方案分類。測量方案分類不宜過細，否則會導(dǎo)致有效測量方案少而無法進行數(shù)據(jù)融合，而分類過粗又會降低數(shù)據(jù)融合精度，失去數(shù)據(jù)融合的意義。

實際應(yīng)用中測量方案精度分三類：①高精度，包括GPS方案、3RR’多站方案；②中精度，如2AE光測交匯方案；③低精度，如AER雷達單站方案。

2.1.3 軌跡融合算法

假設(shè)時刻，有條解算出來的軌跡參數(shù)參與融合處理，可以按照式（5）進行加權(quán)融合，得到時刻的融合軌跡[6]：

可以看出，噪聲較大的軌跡具有較小的權(quán)重，而噪聲較小的軌跡具有較大的權(quán)重，這樣得到的融合軌跡既能真實地反映飛行器的飛行態(tài)勢，又能最大限度抑制每條軌跡的噪聲干擾[8]。

2.2 濾波預(yù)報方法改進

在試驗中目標跟蹤丟失較頻繁或目標機動性較大時，單一濾波器難以同時滿足快速收斂和濾波精度，本文采用多級組合濾波器，將多個不同收斂速度和濾波精度的α-β-γ濾波器根據(jù)一定的準則組合起來，達到既快速收斂、又能獲得較高濾波精度的目的。

根據(jù)飛行目標運動和跟蹤的先驗信息，以及任務(wù)的跟蹤要求，選取組合濾波器的級數(shù)。首先根據(jù)目標機動情況和設(shè)備測量精度，確定第1級濾波參數(shù)，保證快速收斂；然后根據(jù)跟蹤任務(wù)的精度要求，確定最高級濾波器參數(shù)。通過仿真構(gòu)造了級組合濾波器F1~F，它們能夠適應(yīng)任務(wù)中的機動變化、異常觀測、目標丟失后重新捕獲等各種情況下的目標跟蹤。

在目標跟蹤開始階段，采用快速收斂的F1濾波器，收斂后，根據(jù)機動檢測切換濾波器；如果跟蹤異?；蛑匦虏东@目標，則從F1重新開始啟動；如此通過機動檢測與切換，構(gòu)建成一個級組合濾波器。工作流程見圖1。

圖1 組合濾波器工作流程

3 仿真結(jié)果分析

3.1 引導(dǎo)數(shù)據(jù)結(jié)果比較

采用Matlab軟件進行仿真計算，實時數(shù)據(jù)處理頻率為20Hz，參考試驗任務(wù)測量設(shè)備數(shù)據(jù)進行仿真模擬。選取飛行器發(fā)射初段90個點的設(shè)備數(shù)據(jù)，選用中等精度的測量方案（2AE）進行飛行軌跡參數(shù)解算，比較采用軌跡融合方法和組合濾波器前、后的數(shù)字引導(dǎo)信息，組合濾波器個數(shù)取7。

圖2、圖3給出了中等精度測量方案（2AE）解算出的數(shù)字引導(dǎo)結(jié)果。從圖中可以看出，常規(guī)方法解算出的發(fā)射系數(shù)字引導(dǎo)參數(shù)中包含了大量噪聲，經(jīng)過軌跡融合及組合濾波處理后，消除了參數(shù)計算中的大部分噪聲影響，有效地提高了數(shù)字引導(dǎo)信息的準確性；位置和速度曲線均較為平滑，很好地反映了飛行目標的飛行態(tài)勢，與實際情況更為相符?？梢姡胲壽E融合和組合濾波方法可以顯著地提高中心計算機對測控設(shè)備的數(shù)字引導(dǎo)效果。

圖2 位置測量結(jié)果

圖3 速度測量結(jié)果

3.2 改進方法對軟件系統(tǒng)實時性的影響

在實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中增加軌跡融合及組合濾波，必然會增加系統(tǒng)開銷，但是卻顯著降低了設(shè)備異常數(shù)據(jù)對外測數(shù)字引導(dǎo)信息準確性的影響，對實時數(shù)據(jù)處理會有較大價值。本算法簡單有效，整個過程精練緊湊，在最大計算復(fù)雜度的情況下，每周期計算時間不超過5ms，完全滿足實時任務(wù)的要求。同時，隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機CPU處理速度、內(nèi)存容量、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度均大大增強，簡化的融合處理技術(shù)已經(jīng)具備在實時數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用的條件[11]，經(jīng)過實際檢驗其完全能夠滿足測控軟件實時性的要求。

4 結(jié)束語

本文提出采用系統(tǒng)工程方法進行實時數(shù)字引導(dǎo)精化處理，可以快速得到較高精度的測量設(shè)備引導(dǎo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過模型試算、計算方法比對以及結(jié)果分析，該方法切合實際、簡單、實用，且容易實現(xiàn)，能夠滿足實時系統(tǒng)要求，現(xiàn)準備在最新研制的高可用性集群實時數(shù)據(jù)處理軟件中嘗試使用。

目前的測控系統(tǒng)為了適應(yīng)飛行器試驗發(fā)展的需要，已從最初僅跟蹤單一目標發(fā)展到現(xiàn)如今具備多目標精確跟蹤處理數(shù)據(jù)的能力，同時隨著試、訓、演結(jié)合的進一步發(fā)展，實時數(shù)據(jù)處理可以依托跟蹤制導(dǎo)雷達直接跟蹤武器系統(tǒng)，引導(dǎo)武器系統(tǒng)去打擊目標，所以對中心計算機實時數(shù)據(jù)的精度及可靠性要求會越來越高[12]。本文提出的基于軌跡融合的實時數(shù)據(jù)處理方法能夠有效地提高飛行目標軌跡解算精度，減少用于引導(dǎo)計算的初值誤差對外推結(jié)果的影響，有效地提高了測控設(shè)備引導(dǎo)外推的準確性，應(yīng)用前景廣闊。

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Engineering methods to improve the accuracy of digital guidance in trajectory tracking

ZHU Dan, QIN Gang

（Unit 91550 of PLA, Dalian 116023, China）

In the process of aircraft test, the center computer needs to send digital guidance information to the TT&C equipment in real-time, so that the TT&C equipment can catch the target in time and track it stably. In this paper, the digital guidance algorithm for real time data processing of trajectory tracking is introduced, the main reasons influencing the digital guidance precision are analyzed, and the data refinement processing method based on trajectory fusion and the multi-stage combined filtering method are proposed, which can effectively improve the digital guidance accuracy for TT&C equipment and has high practical application value.

TT&C equipment; Trajectory tracking data processing; Digital guidance; Trajectory fusion

V557

A

CN11-1780(2019)02-0057-06

基金項目：國家自然科學基金（41374018）

2018-12-14

2019-01-17

朱 丹 1966年生，碩士，高級工程師，主要從事實時測控軟件研制工作。

秦 剛 1985年生，本科，助理工程師，主要從事試驗指揮組織管理工作。