紅外成像導(dǎo)引頭抗紅外誘餌彈動(dòng)態(tài)干擾試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建*

韋 卓,黃建忠

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院, 陜西華陰 714200)

0 引言

紅外制導(dǎo)是當(dāng)今紅外技術(shù)的重要軍事應(yīng)用,是非常有效的精確制導(dǎo)技術(shù)。因?yàn)榧t外成像探測(cè)技術(shù)具備抗干擾能力更強(qiáng)、目標(biāo)識(shí)別精確度更高、可靠性更高等優(yōu)勢(shì),已然成為現(xiàn)代紅外制導(dǎo)武器最受青睞的關(guān)鍵技術(shù)之一[1],比較典型的有美國(guó)的AIM-9X、英國(guó)的ASRAAM、以色列的Python等[2]。

但是有矛就有盾,紅外干擾手段的廣泛使用,使紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3],其中紅外誘餌彈是最早使用的人工干擾手段,至今仍是紅外導(dǎo)彈最重要的威脅,已經(jīng)發(fā)展到了3～5 μm 和8～14 μm波段,對(duì)紅外導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能產(chǎn)生巨大威脅[4]。

為了考核紅外成像導(dǎo)引頭抗紅外誘餌彈干擾能力問(wèn)題,行業(yè)內(nèi)一般采用兩種方法:一種是室內(nèi)半實(shí)物仿真試驗(yàn),以軟件模型為基礎(chǔ),通過(guò)光電模擬器生成試驗(yàn)背景及紅外干擾彈的光電圖像注入給導(dǎo)引頭或者投影到反射幕上[5-6],這種方法的缺陷是由模型生成的試驗(yàn)背景、紅外靶標(biāo)及紅外干擾彈的光電圖像和飛行試驗(yàn)中不一致,對(duì)模型精度依賴較大。另一種是靶場(chǎng)實(shí)彈飛行試驗(yàn)方法,在靶場(chǎng)地面或空中布設(shè)靶標(biāo),在靶標(biāo)一定范圍內(nèi)布設(shè)紅外誘餌彈,試驗(yàn)時(shí)紅外成像導(dǎo)彈攻擊靶標(biāo),紅外干擾系統(tǒng)偵測(cè)到來(lái)襲導(dǎo)彈后按照預(yù)定程序拋灑紅外誘餌彈,對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈進(jìn)行干擾,這種方法的缺陷是試驗(yàn)成本很大,試驗(yàn)難度高,而且導(dǎo)彈和靶標(biāo)及紅外誘餌彈接近的過(guò)程中,難以獲取導(dǎo)引頭視場(chǎng)中的圖像,對(duì)分析導(dǎo)引頭抗紅外誘餌彈干擾能力難以形成直接的分析數(shù)據(jù)。為了克服現(xiàn)有試驗(yàn)手段的不足,文中構(gòu)建了一種采用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)合火箭橇的試驗(yàn)方法,達(dá)到了考核紅外成像導(dǎo)引頭抗紅外誘餌彈動(dòng)態(tài)干擾能力的目的。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

紅外干擾彈實(shí)施干擾時(shí),形成與被保護(hù)目標(biāo)相似的空間紅外輻射輪廓及強(qiáng)度分布,仿制一個(gè)與被保護(hù)目標(biāo)相似的紅外假目標(biāo),使紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法分辨出真假目標(biāo),達(dá)到干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的目的[7-8]。

為了較為逼真的模擬紅外成像導(dǎo)引頭和紅外誘餌彈對(duì)抗場(chǎng)景,試驗(yàn)系統(tǒng)采用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和火箭橇相結(jié)合的方式。將導(dǎo)引頭安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上,模擬導(dǎo)彈飛行過(guò)程中的姿態(tài)運(yùn)動(dòng);試驗(yàn)過(guò)程中目標(biāo)(火箭橇)和干擾物(紅外誘餌彈)置于外場(chǎng)環(huán)境中,極大程度地接近了飛行試驗(yàn)中的試驗(yàn)背景環(huán)境;火箭橇由遠(yuǎn)及近接近導(dǎo)引頭,模擬彈目接近過(guò)程中的距離和速度變化。紅外誘餌彈安裝在火箭橇上,按照預(yù)定速度和位置進(jìn)行拋灑,模擬飛行試驗(yàn)中誘餌彈的拋灑位置、拋灑速度和拋灑形狀。

試驗(yàn)時(shí)采用時(shí)統(tǒng)裝置,給轉(zhuǎn)臺(tái)和火箭橇同時(shí)發(fā)送啟動(dòng)和點(diǎn)火指令?；鸺涟凑疹A(yù)定彈道在軌道上運(yùn)行,轉(zhuǎn)臺(tái)上位計(jì)算機(jī)根據(jù)火箭橇的理論運(yùn)動(dòng)彈道,換算成轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)角度,并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行平滑處理,解決轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)時(shí)刻因?yàn)檎駝?dòng)而自保護(hù)的問(wèn)題。轉(zhuǎn)臺(tái)承載導(dǎo)引頭指向火箭橇并對(duì)其實(shí)時(shí)跟蹤拍攝。紅外誘餌彈在預(yù)定地點(diǎn)以預(yù)定速度進(jìn)行拋射,紅外導(dǎo)引頭將試驗(yàn)過(guò)程中所拍攝到的紅外圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖和場(chǎng)景示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 試驗(yàn)原理圖

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)景示意圖

2 關(guān)鍵問(wèn)題解決方案

該試驗(yàn)系統(tǒng)在構(gòu)建過(guò)程中,遇到的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是如何保證轉(zhuǎn)臺(tái)能夠跟蹤火箭橇,以及轉(zhuǎn)臺(tái)在啟動(dòng)時(shí)刻的超調(diào)和振動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)火箭橇彈道-轉(zhuǎn)臺(tái)角度航跡轉(zhuǎn)換算法和自抗擾算法,最終解決這兩個(gè)技術(shù)難題。

2.1 航跡轉(zhuǎn)換

為了保證試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)臺(tái)能夠根據(jù)火箭橇的理論彈道,承載導(dǎo)引頭對(duì)火箭橇實(shí)時(shí)跟蹤拍攝,需要使用航跡轉(zhuǎn)換算法把火箭橇的線運(yùn)動(dòng)航跡轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤的角運(yùn)動(dòng)航跡,轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)如下:

在北京54坐標(biāo)系下,規(guī)定正北方向?yàn)閤軸正向,垂直于正北方向?yàn)閥軸,正東方向?yàn)檎较?使用高精度差分GPS測(cè)得火箭橇軌道終點(diǎn)位置坐標(biāo)為(x0火,y0火),火箭橇軌道中間位置坐標(biāo)為(x1火,y1火),轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)(x0轉(zhuǎn),y0轉(zhuǎn)),距轉(zhuǎn)臺(tái)最少兩公里以外的一個(gè)標(biāo)桿坐標(biāo)(x標(biāo),y標(biāo)),火箭橇軌道與正北方向夾角為θ火,則:

根據(jù)反三角函數(shù),可知:

將轉(zhuǎn)臺(tái)從機(jī)械零位手動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)到內(nèi)框軸線正對(duì)標(biāo)桿,將該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度記為θ,則轉(zhuǎn)臺(tái)從機(jī)械零位轉(zhuǎn)動(dòng)到內(nèi)框軸線正對(duì)正北方向的角度θ北為:θ北=θ-θ標(biāo)。

火箭橇的理論彈道是運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間的關(guān)系,根據(jù)理論彈道,可以使用火箭橇發(fā)射點(diǎn)與軌道終點(diǎn)的距離減去火箭橇在任意時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的理論距離,計(jì)算出任意時(shí)刻火箭橇距離軌道終點(diǎn)(x0火,y0火)的距離L,則試驗(yàn)開(kāi)始后任意時(shí)刻火箭橇在轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)為:

轉(zhuǎn)臺(tái)從內(nèi)框軸線正對(duì)正北方向跟蹤火箭橇上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤角位移為:

從轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械零位順時(shí)針轉(zhuǎn)到內(nèi)框軸線正對(duì)火箭橇任意位置的角度θ任為:

θ任=θ北+θ轉(zhuǎn)

則火箭橇運(yùn)動(dòng)到軌道上任意一點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)從機(jī)械零位轉(zhuǎn)動(dòng)θ任即可跟蹤火箭橇。

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤角度平滑

轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)航跡轉(zhuǎn)換算法解算的理論轉(zhuǎn)動(dòng)角運(yùn)動(dòng)時(shí),在啟動(dòng)時(shí)經(jīng)常發(fā)生超調(diào)和振動(dòng)問(wèn)題,導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)法正常啟動(dòng)。采用自抗擾算法對(duì)理論彈道進(jìn)行平滑,可以有效解決這一問(wèn)題。

自抗擾算法采用自抗擾跟蹤微分器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平滑,微分以滿足控制器的性能指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)要求,將經(jīng)過(guò)航跡轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)臺(tái)角航跡作為輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)自抗擾跟蹤微分器進(jìn)行平滑及微分后輸出新的轉(zhuǎn)臺(tái)角航跡,作為控制轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)的理論航跡。

在經(jīng)典控制理論中,常需用到輸入信號(hào)的微分信號(hào)。由于微分器物理不可實(shí)現(xiàn),故常采用一階慣性環(huán)節(jié)替代:

(1)

(2)

(3)

從式(3)可以看到,輸入的微分信號(hào)疊加入隨機(jī)噪聲信號(hào),τ值越小,系統(tǒng)輸出信號(hào)的隨機(jī)噪聲就越被放大。在實(shí)際工程應(yīng)用中無(wú)法采用這種信號(hào)。為減弱輸出信號(hào)的噪聲放大問(wèn)題,改用另一種微分公式:

(4)

利用慣性環(huán)節(jié)1/(T1s+1)和1/(T2s+1)來(lái)獲取延遲信號(hào)v(t-T1)和v(t-T2),則有:

(5)

設(shè)二階系統(tǒng)為:

(6)

(7)

此推論過(guò)程可以推廣到高階系統(tǒng),并且其解也要滿足上述條件。這樣可以保證有解并且解能收斂于原點(diǎn)。適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)r的值,x1(r,t)將以一定精度逼近于v(t),參數(shù)r的值越大,其跟蹤精度就越高。對(duì)應(yīng)二階積分串聯(lián)型系統(tǒng),數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(8)

其“快速最優(yōu)控制系統(tǒng)”綜合系統(tǒng)為:

(9)

sign()為符號(hào)函數(shù)。

將x1(t)改寫成x1-v(t),得到關(guān)于輸入信號(hào)v(t)的二階最速跟蹤微分器:

(10)

用跟蹤微分器式(10)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,進(jìn)入“系統(tǒng)穩(wěn)定”時(shí)容易產(chǎn)生“高頻顫振”,為此,可對(duì)“跟蹤微分器”離散化,得到離散形式的快速跟蹤微分器如下:

(11)

(12)

式中(12)有兩個(gè)可調(diào)參數(shù)r,h0。r能夠?qū)Ω櫸⒎制鞯母櫵俣犬a(chǎn)生影響,又稱“速度因子”,r越大跟蹤越快,跟蹤精度越高。h0對(duì)噪聲起濾波作用,稱作離散快速最優(yōu)跟蹤微分器的“濾波因子”,一般是采樣步長(zhǎng)的整數(shù)倍;h為離散系統(tǒng)的采樣步長(zhǎng)。fhan()為最優(yōu)控制函數(shù)。

轉(zhuǎn)臺(tái)理論角航跡θ任作為微分跟蹤器的輸入信號(hào)通過(guò)式(12)進(jìn)行平滑濾波后可得出轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)航跡。沒(méi)有經(jīng)過(guò)自抗擾平滑和經(jīng)過(guò)自抗擾平滑后轉(zhuǎn)臺(tái)的加速度仿真圖如圖3所示。圖3(a)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)平滑的轉(zhuǎn)臺(tái)加速度,其在±2 800°/s2之間振蕩,發(fā)生了嚴(yán)重的超調(diào)和振蕩,轉(zhuǎn)臺(tái)根本無(wú)法啟動(dòng);圖3(b)是經(jīng)過(guò)自抗擾平滑后的轉(zhuǎn)臺(tái)加速度,最大加速度≤700 °/s2,沒(méi)有發(fā)生超調(diào)和振蕩,而且也在轉(zhuǎn)臺(tái)的加速度指標(biāo)范圍之內(nèi),轉(zhuǎn)臺(tái)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)角加速度對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)測(cè)試中,紅外成像導(dǎo)引頭的抗干擾能力靜態(tài)測(cè)試指標(biāo)比較容易獲得,但很難準(zhǔn)確獲取各種復(fù)雜干擾環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),而紅外成像導(dǎo)引頭的抗干擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是決定其好壞的重要指標(biāo)。文中為評(píng)價(jià)紅外成像導(dǎo)引頭抗紅外誘餌彈干擾能力構(gòu)建了一種方便易實(shí)施的試驗(yàn)系統(tǒng),并且該系統(tǒng)已經(jīng)多次應(yīng)用到多型紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈抗紅外誘餌彈干擾試驗(yàn)中,為紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈改進(jìn)抗干擾設(shè)計(jì)提供了大量真實(shí)數(shù)據(jù)。