低空慢速小目标拦截系统研究

张建伟，郭会明

（1.北京航天长峰科技工业有限责任公司，北京100854；2.航天长峰股份有限公司，北京100854）

0 引 言

低慢小 （LSST）是指飞行高度在1000m以下、飞行速度小于200kil／h、反射截面小于2m2的目标。其中200m以下的空域出现的低慢小目标，由于体积小、操控简单、可搭载一定重物，且飞行高度低、地物遮挡多，空军和雷达设备无法覆盖，成为侦侧和防范的难点。

目前所能见到的低慢小目标包括航空模型、动力三角翼、动力伞、三角翼、滑翔伞、航天模型、轻型和超轻型飞机、轻型直升机、滑翔机、热气飞艇、热气球、悬挂气球和风筝等十几种。其中管制较难，不易防范的有携带传单或某些危险品的模型飞机、动力三角翼、动力伞、滑翔伞等。滑翔伞和滑翔机升空条件复杂，动力伞获得途径有限，因此这4种目标中又以航空模型因其隐蔽性强、可获得性容易、升空突然、易操控、反射截面小成为防控重点和难点。防范处置低空慢速小目标干扰破坏，是重大安保活动的世界性难题，突出表现为：管控难，侦测难，处置难。

本文将以实际应用系统为背景，分别论述探测系统、指控系统、拦截系统。

1 探测系统

光学探测与雷达探测的选择：

（1）设备的工作环境一般是人口较密集，建筑物较多的地方，目标在几百米至几公里，那么雷达的天线将会受到很多高大建筑物返回的杂波，系统将受到较大干扰。

（2）小目标的雷达反射截面小，而光学探测可以接收目标反射的可见光，以及可能的喷气口等的热红外反射，这样光学探测将比雷达清晰得多。

这样光学探测就是首选了，可以使用激光测斜距，红外搜索跟踪目标，用可见光来方便用户直观的看到目标，进行判别。

现阶段探测目标机动特性越来越强，飞行速度越来越快，而光电设备探测距离一般只有几十公里，这就需要光电系统在较短的时间内进行相应。在实际应用中，对目标的捕获机会一般只有一次，一旦目标丢失再重新搜索是不允许的。

解决好自动跟踪的稳定性和动态精度的矛盾是红外光电探测系统自动跟踪众难题中最大的难题。提高增益，系统动态精度会随着提高，但是会降低系统稳定性，又因为电视波门相对较小，目标很容易逃出波门范围，而使目标丢失；调低增益，系统会更平稳，但这样使系统误差变大，同时也降低了动态精度，甚至有可能丢失目标。由上述可见，参数的选择以及控制好红外进行自动跟踪都非常重要。

转台具有扇形搜索功能，可通过扇扫看到实时图像，但在转台扫描过程中图像不仅会随着转台的转动出现模糊，而且操作人员也不能凝视观察监控画面，系统动目标自动告警也会出现一定的困难，从而会出现监控上的死角。为使监控人员能一目了然地纵观全局，利用转台角度和视频图像的同步信息和图像配准技术，与信号处理组合配合，实现监控区域的全景成像，能大空域自动处理和提取多各目标的实际位置信息，进行目标监视和搜索。

红外跟踪的时时候，系统带宽比较宽，而在搜索目标的时候，系统的带宽比较窄，带宽的宽和窄的环路等效参数非常不同，又红外的跟踪有扰动，加上跟踪波门比较小，使得在跟踪和搜索之间进行切换变得很复杂。

目标接近了以后，速度高时，切换很不容易。而目标在远处，速度比较低的时候，切换相对容易。致使目标丢失的因素包括目标运动速度、方向，光照情况以及遮挡（比如炮弹的烟雾）等因素。为了在目标飞过障碍物后，能够对其再次跟踪和捕获，实现连续的跟踪，就应该使用一些合适的外推算法对目标后面的速度和坐标等进行外推。

2 指挥控制系统

指挥控制系统介于探测系统和拦截系统之间，一个指控可以带多个探测和多个拦截系统，而多个指控接入防控中心。如图1、图2所示。

与探测设备的接口负责接收来自探测设备的可见光，红外视频和目标搜索的红外图片动态拼接图，以及心跳，目标位置数据。而对探测设备的控制是由探测系统自己来完成，这样有利于分工。

图1 防控总体

指控的显示控制子系统负责对探测传来的各个视频的显示。防控态势子系统收到多个目标的位置数据，根据目标类型，目标的航路捷径 （被掩护对象到目标航路水平投影的距离），目标到保护对象所需时间，目标的飞行高度，目标速度，保护对象的重要程度，目标的机动性等进行威胁评估，得到各目标的威胁程度次序提供给操作者决策，操作者使用面板进行火力分配。

而与拦截系统的接口一直在接收各个拦截设备的信息，包括心跳等，收到火力分配命令后，向拦截系统下达跟踪命令，对目标相对于探测设备的坐标转换为相对于相应拦截设备的坐标，然后发送给相应拦截设备，对应拦截设备收到目标位置数据后，网弹指向将与目标随动。

操作员待目标进入有效拦截区，适时按下发射按钮。这就是整个系统的一般过程。

下面对指控系统比较核心的坐标转换，防控信息解算，威胁评估排序三部分进行重点说明.

2.1 坐标转换

坐标转变可以分为信息处理坐标转换和信息显示坐标转换两类。信息处理坐标转换模块主要负责确定目标与探测设备和拦截设备的相对位置关系，将目标相对于探测的坐标转换为目标相对于拦截设备的坐标。信息显示坐标转换主要是负责将目标与探测设备和拦截设备建立一个统一的量测标准，把三者的坐标转换到一个显示界面，比如地图上。

对于第一种坐标转换，本系统主要是空间直角坐标系统与球坐标系统之间的转换。具体模型如图3所示。

球－直坐标系的转换公式如下

对于目标、探测设备和拦截设备，他们的直角坐标分别是 （Xt，Yt，Zt）， （Xd，Yd，Z－d）和 （Xt，Yt，Zt），目标相对探测设备的俯仰、方位和距离为αd，βd和Dd。目标相对拦截设备俯仰、方位和距离分别是αl，βl和Dl如下关系

图2 防控单元

图3 坐标转换

即可求出αl，βl和Dl，发送给拦截设备。

对于第二种坐标转换，我们是已知探测设备和拦截设备的大地坐标，主要是将目标相对于探测的坐标转换到大地坐标。这个与上面类似，不再赘诉。

2.2 防控信息解算

防控信息解算主要负责解算目标进入防控区域后的属性特征，包括目标的速度、目标的高度、目标航迹捷径、目标的相对方位、目标的可拦截时间等。防控数据是目标威胁估计和排序、火力分配和发射决策重要依据。同时，防控数据以不同的形式展现给指挥员，辅助指挥员进行综合决策。一般，防控数据以二维态势、三维态势和雷达图的形式展现。

目标的速度是指目标单位时间内空间航迹变换大小。主要反应目标三维空间的运动快慢。如果目标的高度变化不大，我们可以简化速度模型，一种是通过目标在时间T内的移动的距离 （斜距或者水平位移）除以时间T求得；另一种是通过相邻点迹的距离除以周期，然后对时间T内的速度求平均值。两种方法都需要对数据进行平滑滤波处理。

目标的相对高度是指目标相对于某一参考平面的高度，参考点可以是理论参考平面，拦截设备所在的水平面或者探测设备所在的平面。根据其它模块的数据请求，提供不同类型的高度。高度计算模型比较简单，一般通过目标相对于参考点的斜距和俯仰角的正弦值的乘积求得。

目标的航迹捷径是指参考点到目标航迹的垂直距离。目标的航迹捷径是目标威胁估计和排序、目标火力分配以及目标发射决策的重要依据。目标的航迹捷径模型建立在目标航迹的基础上，一般当前时刻的目标航迹捷径通过目标的历史若干个点迹插值出目标的运动轨迹 （假设目标匀速直线运动）和参考点的相对距离表述，即参考点到目标运动直线的距离。

目标的相对方位是指参考点与当前点迹所在的直线与目标航迹的夹角，是目标威胁估计和排序、目标火力分配以及目标发射决策的重要依据。目标相对方位的模型与目标航迹捷径相似，不再叙述。

目标的可拦截时间是指目标相对与拦截设备的可拦截时间。在得到目标的速度后，我们可以通过目标相对于拦截设备的斜距除以目标的速度简单描述目标的可拦截时间。

2.3 目标威胁估计和排序模块

目标威胁估计和排序是指敌对目标对防控区域内的保护目标进行攻击的可能性以及攻击成功后的破坏程度。如何准确的估计目标的威胁程度需要考虑很多因素，比如目标的特性、保护目标的重要程度等。目标的特性包括目标的类型 （航空模型、三角翼、气球、动力伞等），目标的速度、目标的距离等。一般，目标的速度越小、距离越远，威胁程度越小。不同类型的目标，我们可以赋给不同的威胁权重。

目标威胁估计和排序的模型一般有时间到达判断模型、相对距离判断模型、相对方位判断模型、线性加权判断模型等。因为实际作战环境的复杂性，以一种因素进行威胁估计往往很难，必须考虑多种因素。这些因素包括到达时间、目标的性能、相对距离、相对方位以及保护地区的重要程度等。然后，对这些因素统筹考虑和综合评价，也就是进行线性加权。线性加权模型的具体步骤如下：

计算目标的到达时间t、相对距离s和相对方位a； 分别计算上面3种因素的威胁等级τ，λ，δ；

获取目标的类型威胁等级φ和防护区域的重要程度等级μ；

根据各种因素的重要程度确定加权系数；

线性加权等到目标的威胁程度

根据各个目标的威胁程度进行威胁排序，选择最有可能造成威胁的目标进行火力分配。

3 拦截系统

目标拦截系统的功能是接受指控系统的目标位置信息，进行弹道解算，对目标实施拦截。网弹飞至目标后打出网，网将目标罩住，使目标失去动力而坠落，弹打开降落伞落下。拦截系统拦截过程如图4所示。

图4 拦截系统工作过程

把网弹准确送到交汇点附近，是目标拦截最重要的环节，由于网弹飞行过程是无控状态，因此网弹出筒的速度、指向等就成了决定性因素。本项目采用的网弹，在未改进时一直是指向目标的，在网弹出筒前转台进行一个机械掉转，转到指向理论遭遇点，然后以较高的初速度抛射而出，飞向目标，如下图在遭遇点1相遇。为减少掉转过程所引起的时间延时和动态抖动，我们提出一个改进方案，就是在跟踪过程中，网弹直指目标理论遭遇点，指挥员按下发射按钮后，网弹直接飞向理论遭遇点，如下图，在发射时弹筒就指向了理论遭遇点2，这样就减少了再去掉转的时间，提高了精度。在图5演示了对同一目标，同一时刻，同一位置，两种方式的不同。按照未改进方式，在目标飞向遭遇点1的过程中，弹筒进行了转向，然后飞向目标。改进后网弹直接飞向目标，必会提早相遇，如在遭遇点2相遇。这样减少了目标的机动时间，定然提高了命中概率。

图5 拦截系统工作原理简

下面是求发射的角度。

下面是平面上的方程组，如图5所示那样的基本方位。在下面方程组中，弹出弹筒为零时刻，te为相遇时刻，v为网弹的任意时刻速度，θ是速度与水平的夹角，L位弹筒与目标的水平距离，H为目标高度，f为弹的阻力，g为重力加速度。将已知的参数 Vt，L，H，m，g，k代入，用Matlab进行数值迭代，可以求出下面的方程的解

第一式子是从零时刻到相遇，目标和弹走的水平位移之和为L，第二个式子，弹的垂直速度分量对时间的积分为H，第三个式子，弹速度方向的牛顿第二定律，第四个式子是网弹的法向过载，第五个式子是阻力公式。

通过上面平面的算法可以求出三维的实际情况。将发射架到目标的连线为交线，建立两个平面，一个是经过这条线且垂直地面的面S1，另外一个是经过这个交线且垂直于S1的面S2，将目标和网弹的各个参数投影到这两个面上，依次使用上面的5个方程组，求出网弹发射时俯仰和水平偏角。

4 实验与分析

试验态势如图6所示。

图6 试验态势

本系统本着边开发、边试验、边使用的原则，共进行了3次打靶，一次实战。

第一次试验时，由于天气晴朗，探测设备跟踪比较好，试验的结果很成功，凤凰网等媒体对此进行了报道。

第二次试验天空下着小雨，探测得不好，时间紧，实弹打时 “擦肩而过”。

第三次试验是和另一家激光拦截系统一起的 “比武”式打靶，由于我国激光武器还有很多技术难点没有突破，激光拦截系统远没有本系统来的利落，彻底。本次打靶受到客户的肯定。

在保卫亚运开闭幕式上，本系统出色的完成了低空保卫任务，受到用户好评。

5 结束语

对于LSST的防空，我们的处置办法大致有：

（1）战士在地面或直升机上，用枪直接将目标击落。这样的问题首先是枪声带来的不好影响，其次直升机分到目标那需要一定时间，目标距核心区只有300m，时间不一定够，如果地面直接射击，无法保证命中。

（2）使用激光武器，可是美国激光武器的关键技术对外一直是封锁的，而国内此方面的技术，虽有但很多方面还不成熟，成功击落的把握并不大。

（3）将地空拦截导弹的技术用上，发射时微声微光微烟，打出网弹，将目标罩小来。看似 “杀鸡用宰牛刀”的办法，成功击落的概率比前两种要高的多。

国内有第二种办法的研究，其中一些诸如激光功率等问题是存在的。我们采取的第三种办法，事实证明是明智的。

本文以实际应用系统为背景，介绍了用网弹拦截低慢小目标的一般架构和一般原理，讨论了使用光学探测的原因，探测系统的基本组成，指控的架构及其主要技术，网弹的拦截过程，推出了拦截系统的拦截公式，另外对拦截系统中网弹的指向提出了一种改进。

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