常規(guī)試驗(yàn)靶場多站協(xié)同測試三段式接力引控方法

王祖良 王少飛 張 婷

（西京學(xué)院，信息工程學(xué)院，陜西西安710123）

1 引 言

常規(guī)試驗(yàn)靶場承擔(dān)大量中、短程導(dǎo)彈試驗(yàn)任務(wù)，通常由跟蹤雷達(dá)、光電設(shè)備和遙測設(shè)備等承擔(dān)彈道跟蹤測試任務(wù)。雷達(dá)具有跟蹤能力強(qiáng)，快速捕獲目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。光電設(shè)備作為一種高精度的測量設(shè)備，具有測量精度高、直觀性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是飛行器外測的重要手段［1］。目前這三類測試設(shè)備大多各自作為獨(dú)立測試單元參與測試，沒有充分發(fā)揮協(xié)同測試的優(yōu)勢。而在實(shí)際試驗(yàn)中，常常同時布設(shè)這三類設(shè)備對同一彈道進(jìn)行跟蹤測試［2，3］。由于測站布設(shè)、地形地貌等的影響，對于導(dǎo)彈等快速飛行目標(biāo)，往往會發(fā)生某一臺或多臺設(shè)備捕獲不到目標(biāo)，或者雖然捕獲到，但由于受到遮擋或者干擾而導(dǎo)致丟失目標(biāo)的情況，造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致測試失敗。多站協(xié)同測試可以大大提高測試成功概率［4，5］。

在數(shù)百公里中程彈道測量中，常常采用三段式接力全覆蓋測試，即發(fā)射首區(qū)、彈道中間段、彈道末段分別布設(shè)多個測試站，對彈道飛行全程進(jìn)行接力測試。三段式多站協(xié)同測試技術(shù)可以在引導(dǎo)和測量數(shù)據(jù)所覆蓋的彈道段互為補(bǔ)充，測試參數(shù)互為備份和參考，合理利用各測量系統(tǒng)的特長，使各測量系統(tǒng)在最能發(fā)揮作用的彈道段完成測試任務(wù)，顯著提高單套設(shè)備的數(shù)據(jù)采集率［6-10］。文獻(xiàn)［8］通過以太網(wǎng)組建測試網(wǎng)絡(luò)，建立了統(tǒng)一的時間和空間基準(zhǔn)，并給出了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等相關(guān)算法。文獻(xiàn)［11］針對彈道中段目標(biāo)測量跟蹤問題，將卡爾曼濾波應(yīng)用于目標(biāo)檢測平滑和預(yù)測處理，建立了狀態(tài)方程和量測方程。外彈道測量通常同時利用雷達(dá)、光電設(shè)備、遙測等測量設(shè)備進(jìn)行綜合測量，數(shù)據(jù)可以互相校驗(yàn)，設(shè)備可以互相引導(dǎo)，利用網(wǎng)絡(luò)化測量可以充分發(fā)揮各種設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互引導(dǎo)以及數(shù)據(jù)融合。光電彈道測量系統(tǒng)由于其測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前導(dǎo)彈等飛行目標(biāo)測量的主要手段，與雷達(dá)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)外彈道測量［12］。本課題組申請并授權(quán)的發(fā)明專利提供了一種三段式接力引控方法［13］。

本文根據(jù)常規(guī)靶場測試任務(wù)布站的實(shí)際情況，提出一種三段式接力測試引控方法，設(shè)計了實(shí)時引導(dǎo)控制邏輯及引導(dǎo)源優(yōu)選方法，并給出坐標(biāo)變換算法。利用本文設(shè)計方案在西北地區(qū)某常規(guī)靶場進(jìn)行了實(shí)測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計的多站協(xié)同測試方法能夠顯著提升設(shè)備跟蹤概率，縮短光電設(shè)備再捕獲時間。

2 測試設(shè)備特性及引控需求

光電設(shè)備本身具有目標(biāo)捕獲能力，目前常用的光電設(shè)備對目標(biāo)的捕獲時間為0.5s 左右，即目標(biāo)進(jìn)入其視場的時間需大于0.5s 才能完成目標(biāo)初次捕獲，或丟失目標(biāo)后再捕獲。這對于初速較快的目標(biāo)以及進(jìn)入光電設(shè)備視場前飛行較快的目標(biāo)，僅僅依靠其自主捕獲跟蹤，難以避免發(fā)生捕獲失敗的情況。此外，光電設(shè)備采用光學(xué)原理跟蹤目標(biāo)，對于中程導(dǎo)彈目標(biāo)的跟蹤測試，背景對跟蹤有較強(qiáng)的干擾和影響，常常造成目標(biāo)中途丟失，導(dǎo)致測試失敗。而常用的外彈道測試?yán)走_(dá)，例如韋伯雷達(dá)，具有主從工作方式，除了可以進(jìn)行正常的測試外，還可利用第二個輸出端口將測試的彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時廣播以引導(dǎo)其他的測試設(shè)備。反之，在光學(xué)條件良好的測試條件下，光電設(shè)備跟蹤性能大為提高，而現(xiàn)代靶場電磁環(huán)境極其復(fù)雜，雷達(dá)設(shè)備難免會發(fā)生被干擾而造成跟蹤性能下降的情況。此時，同樣可以利用光電設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)對雷達(dá)進(jìn)行引導(dǎo)，使其快速捕獲目標(biāo)。因此，采用多站協(xié)同測試，充分利用雷達(dá)的引導(dǎo)控制，輔助完成捕獲，以形成全彈道穩(wěn)定跟蹤具有重要意義。

多站協(xié)同測試要求具備數(shù)據(jù)接入校驗(yàn)，單路數(shù)據(jù)預(yù)處理、光測數(shù)據(jù)精確交匯、動態(tài)權(quán)值數(shù)據(jù)融合、引導(dǎo)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)記錄、遙測數(shù)據(jù)處理等功能，按照試驗(yàn)任務(wù)要求。系統(tǒng)具備如下能力:可接入韋伯雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、光電經(jīng)緯儀、遙測等測量設(shè)備的數(shù)據(jù)，并完成各測量設(shè)備的引導(dǎo)控制；具備對單路數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的異常值剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)外推和精度分析功能；通過有效標(biāo)志位進(jìn)行測量設(shè)備數(shù)據(jù)的有效性判斷，剔除無效數(shù)據(jù)；多臺光電經(jīng)緯儀參加任務(wù)時，任選兩臺經(jīng)緯儀進(jìn)行兩兩交匯得到多條實(shí)時彈道，可根據(jù)交匯計算方法實(shí)時計算交匯數(shù)據(jù)精度，便于后續(xù)引導(dǎo)源數(shù)據(jù)選擇和動態(tài)數(shù)據(jù)融合處理；利用外彈道預(yù)處理信息進(jìn)行航跡預(yù)測，采用動態(tài)權(quán)值算法進(jìn)行多源信息融合，獲得不同目標(biāo)的連續(xù)、穩(wěn)定的目標(biāo)運(yùn)動信息，形成實(shí)時融合航跡；按照試驗(yàn)方案劃分若干階段，分別指定各階段引導(dǎo)源的優(yōu)先順序，按照引導(dǎo)順序進(jìn)行引導(dǎo)數(shù)據(jù)解算，優(yōu)先級高的引導(dǎo)源數(shù)據(jù)若無效，則按照約定順序自動采用后續(xù)數(shù)據(jù)作為當(dāng)前引導(dǎo)源數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)引導(dǎo)時延計算方式能適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)時估算網(wǎng)絡(luò)情況，具備根據(jù)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)時延外推引導(dǎo)數(shù)據(jù)的功能；能準(zhǔn)確記錄各測量設(shè)備原始數(shù)據(jù)、單路數(shù)據(jù)結(jié)果、融合處理結(jié)果、引導(dǎo)數(shù)據(jù)、送顯數(shù)據(jù)的記錄。

3 三段式接力引控方法

3.1 引控處理邏輯

根據(jù)中短程導(dǎo)彈測試試驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計引導(dǎo)控制邏輯。引控中心接收各測試設(shè)備發(fā)來的彈道數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的有效性檢驗(yàn)和航跡平滑處理，接收完所有測試設(shè)備數(shù)據(jù)后進(jìn)入實(shí)時引導(dǎo)程序。在彈道測試試驗(yàn)中，如果通過人工能辨別出彈道優(yōu)劣，并有條件采取人工介入方式，則人工實(shí)時指定引導(dǎo)源為最高優(yōu)先級，利用人工實(shí)時指定引導(dǎo)源進(jìn)行引導(dǎo)。如果沒有人工指定引導(dǎo)源，則利用預(yù)設(shè)引導(dǎo)源引導(dǎo)。預(yù)設(shè)引導(dǎo)源通常根據(jù)先驗(yàn)知識和經(jīng)驗(yàn)，在不同段選擇不同測試設(shè)備數(shù)據(jù)作為預(yù)設(shè)引導(dǎo)源。多引導(dǎo)源中優(yōu)選一個引導(dǎo)源，按照盡早接力和可靠性優(yōu)先的原則進(jìn)行優(yōu)選。如果預(yù)設(shè)引導(dǎo)源均無效，則進(jìn)入非預(yù)設(shè)引導(dǎo)模式。優(yōu)選邏輯和處理流程程如圖1 所示。

圖1 引導(dǎo)控制邏輯及處理流程圖Fig.1 Guide control logic and processing flow

3.2 非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源優(yōu)選

圖1 中預(yù)設(shè)引導(dǎo)源中只要有一個有效，則按照圖中所示邏輯進(jìn)行引導(dǎo)源選擇，并將優(yōu)選引導(dǎo)源數(shù)據(jù)向所有測試設(shè)備廣播。如果預(yù)設(shè)引導(dǎo)源均無效，并且找到非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源，則進(jìn)入非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源優(yōu)選程序。非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源優(yōu)選流程如圖2 所示。

圖2 非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源流程圖Fig.2 The flow chart of non-default Guide source

首先利用最近5 個點(diǎn)引導(dǎo)源數(shù)據(jù)進(jìn)行外推得到當(dāng)前點(diǎn)彈道值，同時通過判斷非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源的有效性標(biāo)識篩選出有效引導(dǎo)源，選擇與外推值距離最近的非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源作為優(yōu)選引導(dǎo)源。另一方面，為了判斷突發(fā)彈道，利用萊特準(zhǔn)則從所有有效引導(dǎo)源中挑選出殘差最大的非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源，將其與優(yōu)選引導(dǎo)源進(jìn)行比對，如果優(yōu)選引導(dǎo)源即為殘差最大的引導(dǎo)源則按照突變彈道處理，利用萊特準(zhǔn)則選出的最大殘差值作為非預(yù)設(shè)優(yōu)選引導(dǎo)源，否則將利用外推法選出的引導(dǎo)源作為最終優(yōu)選引導(dǎo)源。

3.2 非預(yù)設(shè)引導(dǎo)源優(yōu)選

以雷達(dá)跟蹤測量彈道數(shù)據(jù)和光電經(jīng)緯坐標(biāo)變換為例，示意圖如圖3 所示。

圖3 雷達(dá)-經(jīng)緯儀坐標(biāo)變換示意圖Fig.3 Schematic diagram of radar theodolite coordinate transformation

在圖3 所示的坐標(biāo)系中，光電經(jīng)緯儀與雷達(dá)坐標(biāo)變換為［13］

式中:α，λ——光電經(jīng)緯儀的目標(biāo)方位角和高低角；r——雷達(dá)測距值。

對式（1）求解得

其中，

將式（2）代入式（1）可以求出目標(biāo)的y和z，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4 試驗(yàn)結(jié)果

由于導(dǎo)彈試驗(yàn)成本高代價大，無法專門組織測試實(shí)驗(yàn)考核測試系統(tǒng)，只能采用跟隨任務(wù)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。按照本文提出的三段式接力引控方法改造升級了西北某試驗(yàn)靶場，該靶場為長形主靶導(dǎo)，長300km，寬20km。改造系統(tǒng)引導(dǎo)頻率為50 幀/s，即引導(dǎo)間隔為20ms。能夠接收處理各種跟蹤雷達(dá)、搜索雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、遙測地面站的測量數(shù)據(jù)路數(shù)為32 路，數(shù)據(jù)融合處理最小周期為100ms，單路測量數(shù)據(jù)平均處理時間小于1ms，引導(dǎo)數(shù)據(jù)平均處理時間小于2ms。為保證測試試驗(yàn)萬無一失，并便于對比，改造升級后的測控系統(tǒng)執(zhí)行前5 次實(shí)驗(yàn)任務(wù)期間，原測試系統(tǒng)進(jìn)行同時測量，互為備份。

首區(qū)布設(shè)1 套連續(xù)波雷達(dá)、4 臺光電經(jīng)緯儀，1套遙測設(shè)備擔(dān)負(fù)主動段彈道和部分后續(xù)彈道的測試任務(wù)，并為彈道中間段測試設(shè)備提供引導(dǎo)數(shù)據(jù)。彈道中間段布設(shè)1 套連續(xù)波雷達(dá)、1 套相控陣?yán)走_(dá)、4 臺光電經(jīng)緯儀，擔(dān)負(fù)中間段彈道的測試任務(wù)，兼顧部分首段彈道和末段彈道的測試，并為末段測試設(shè)備提供引導(dǎo)數(shù)據(jù)。彈道末段布設(shè)1 套連續(xù)波雷達(dá)，1 套遙測擔(dān)負(fù)末段彈道的測試任務(wù)。布站示意如圖4 所示。

定義測試設(shè)備成功跟蹤目標(biāo)并正確測試彈道數(shù)據(jù)的彈道長度與總彈道長度的比值為跟蹤率，對5 次試驗(yàn)各種測試設(shè)備跟蹤率結(jié)果取平均，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖4 三段式接力引控彈道測量布站示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-stage relay trajectory measurement and layout

圖5 三段式接力彈道測試方法與原測試方法試驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of test results between three-stage relay ballistic test method and original test method

5 結(jié)束語

本文針對常規(guī)靶場多站協(xié)同測試彈道組網(wǎng)測量設(shè)計了三段式接力引導(dǎo)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、光電設(shè)別、遙測設(shè)備之間互引導(dǎo)，并根據(jù)實(shí)際測量情況提出了彈道優(yōu)選方法，利用優(yōu)選彈道數(shù)據(jù)對所有測試設(shè)備進(jìn)行實(shí)時互引導(dǎo)。利用本文設(shè)計方案對西北某常規(guī)靶場測試系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化升級改造，改造后的系統(tǒng)跟蹤能力得到了顯著提升。