舰炮武器机动目标跟踪和攻击技术分析＊

2013-10-16王立红

舰船电子工程 2013年2期

王立红郭鑫

（92941部队葫芦岛 125001）

1 引言

由于机动目标难以跟踪，任何海上军用平台一旦发现自己被跟踪，一般都会选择进行机动，以增加对方的跟踪和攻击难度。那种以目标等速直航为基础的按部就班的攻击模式已经难以应付现代海战复杂多变的情况，机动目标攻击将成为未来舰炮攻击的普遍模式。然而机动目标攻击涉及许多棘手问题，在实际攻击中，要在目标机动的条件下仍能做到“测得准、攻得上”并非易事。为此有必要对机动目标攻击相关问题进行更加全面深入研究。

2 目标机动的原因

2.1 为摆脱跟踪和攻击机动

舰炮武器系统的打击目标一般分为对空、对海和对岸目标：对空主要是敌方来袭的反舰导弹和飞机等；对海主要是敌方舰艇；对岸主要是敌方的岸防火力点等［1］。这些目标不但类型复杂，而且有的目标如导弹飞行速度快，高度低，机动性强。机动是相对匀速直线（等速直航）运动的一个概念，任何加速度不为零的运动都是机动。目标发现被跟踪和攻击，也就意味着双方都已感知到对方的存在，因此双方的行动就具有了对抗的性质。这一性质决定了目标机动是复杂、频繁和持续的，因此也难以对付。机动的战术目的是设法摆脱跟踪和攻击；技术目的是设法让各种跟踪解算方法失效。

2.2 所载设备要求目标机动

目标有时因其所载传感器、武器等设备的特殊要求而进行机动。雷达和光电等传感器受探测范围和方式的限制，可能要求舰艇平台调整运动形态，以便获得更好的观测效果［2］。此外许多传感器和武器使用中对平台速度也有限制，一般不能太高。武器的使用对平台的运动姿态有要求。如有些型号的舰炮转角有限或当转角太大时射击误差增大，因此为了满足转角要求，可能需要平台转向，在发射时需要平台必须调整到要求的运动姿态。

2.3 战术技术需要目标机动

目标因某个战术技术环节和环境的需要进行机动。比如，进行目标跟踪时有些跟踪算法对本身的运动有特殊要求。在特定海域或特定航路按某种规则进行机动，意在掩盖其航行的战术意图。在攻击阶段，为了占领某一特定的射击阵位或避开碍航物，也可能要求平台进行某种变速变向运动。

3 机动目标运动模型

对机动目标的攻防，首先是当目标发生机动时要能及时判断出来。客观上讲，并不是所有的机动都是可判断的。首先需要在目标未进行机动时观测时间足够长，即有足够的信息用来稳定地表达目标的非机动状态。这样一旦目标进行机动就会表现出与上述非机动状态不同的状态，从而判断目标机动。其次要对目标运动模型及航迹有足够的了解，才能在目标进行机动时进行准确判断，采取有效应对措施。机动目标模型的建立应打破传统的等时间间隔、线性、时常、平稳过程的限制。在跟踪目标、估计目标运动状态及趋势时，通常将目标当作点目标，尤其在目标动态建模中。

3.1 飞机类机动目标运动模型

飞机运动方式一般包括水平运动、俯冲运动和环形运动等，其中俯冲运动是飞机常用的一种对水面舰艇实施攻击运动方式，包括直线俯冲、跃升俯冲和折转俯冲。下面是一种以解析方式表达的典型目标航迹［3～5］，包括等高匀速直线运动，倾斜匀速直线运动，等高匀加速直线运动，匀加速俯冲直线运动和水平匀速进入，加速直线俯冲运动五种目标运动方式。目标运动航迹见图1所示。

图1 机类典型目标运动轨迹示意图

图1中，AB为目标匀速直线飞行；BC为目标匀速圆弧飞行；CD为目标匀加速直线俯冲飞行；DE为俯冲拉起飞行。

当确定了 H0、V、ωλ、Q、A、t＝0、t1和t2－t1，便唯一地表述了上面五种目标运动方式中的一种。例如，当H0、V、Q和A取不同值，λ＝0、ωλ＝0时，它代表目标等高匀加速直线运动，因此它们是描述不同运动方式的示性数。根据统计结果可知五种运动方式的示性数如表1所示。

表1 示性数变化范围表

图2 双平面比例导引运动示意图

3.2 导弹类比例导引运动模型

导弹作为机动目标，一般采用比例导引的运动方式［6］。即在制导过程中，导弹的速度矢量转动角速度与导弹和目标连线转动角速度成比例的方法。反舰导弹是打击水面舰艇的主要武器，它可以从空中、岸上、舰上和水下不同的平台发射。这里考虑“水平面和铅垂面双平面比例导引运动”。如图2所示，O为我舰艇，M为导弹，导弹在侧向（或方位）上以导引系数nβ作比例导引运动，在俯仰（或高低）上以比例导引系数nε作比例导引运动的运动方程分别为

式中CM为导弹航向；β为目标方位角；λ为导弹俯仰角，向上为正；ε为目标高低角。

如果取n＝1时为追击法—轨迹的曲率半径随着导弹飞行目标而减小（n＝nβ或nε）。

n＝2时为圆弧运动。

n≥2.5，则随着导弹飞近舰艇轨迹变直。

n≥3.5，一般不用，因为这时导弹变得对波动干扰非常敏感，稳定性较差。同样当n值较大时，轨迹的伸直发生得过快，在射击区作直线运动。

下面以在水平面作比例导引运动为例进行说明，n为相应的导引系数。在积分上述反舰导弹比例导引运动方程基础上，确定其运动可近似地用以下微分方程组来描述。

对在铅垂面h方向上作比例导引运动的模型与x方向上一样考虑，只需要将式中x变成h。

对于y方向上，则考虑为匀速运动，其运动方程为

式中ωyi（t）是高斯白噪声，σyi为噪声系数（i＝1，2）。

3.3 目标运动噪音模型

目标运动模型是机动目标跟踪的核心问题之一，一个好的目标运动模型将有利于从有限的观测信息中更准确地获取目标运动状态信息，一般建立的机动目标模型既要便于数学处理，又要符合机动实际［7］。由于驾驶员主观操作上的差错和周围环境的变化，目标运动总是受到非零均值时间相关机动加速度有色噪音的影响而偏离预定运动。所以为科学模拟机动目标运动，还要对目标运动噪声进行模拟，再把噪声序列叠加在目标运动模型上，实现目标运动方式（比例导引运动、水平圆弧运动、俯冲运动）的模拟。模拟目标运动模型噪音，从根本上讲应模拟目标的机动加速度，但先验知识缺乏而实现起来有困难，因此，我们通过考虑几种较典型的目标运动方式，计算它们相对于理想运动方式的位置偏差量，实现对目标运动模型噪音的模拟。

我们用水平面内及垂直面内的正弦扰动来模拟目标运动噪声，水平面的扰动模型：

式中：Vm为目标运动速度，φ水平面内目标速度与x轴的夹角，λ为目标俯冲角，A为振幅，ω为角频率，B为常数。

4 机动目标跟踪和攻击关键技术

为适应机动目标跟踪和攻击的需要，舰炮系统和有关设备应增加和强化相应功能。尤其是作为跟踪和攻击核心设备的火控系统，当正在跟踪或攻击的目标进行机动后，能尽快判断出这种变化，并能在辅助指挥决策、目标运动分析、武器射击组织等各个环节迅速做出合理反应，保证满足指挥员情况判断和指挥决策以及攻击成功率的要求。

4.1 有效的机动判断手段

有效的机动判断手段应综合利用各种来源的目标机动征候，保证能有效检测出具有一定幅度的各种机动模式。此外要尽可能判断出机动开始，结束时间及具体的机动模式，为后续处理提供便利。目标机动的判断手段第一个环节就是设法直接通过雷达和光电等是观测设备判断目标是否进行机动。第二个环节就是火控系统根据观测设备探测的目标信息进行处理后的结果判断。机动判断手段有人工判断、机器自动判断和人工结合机器判断三种。机器自动判断方式有赖于有关设备如机动目标跟踪数据分析系统等具备这样的功能，同时还要有令人满意的判断效果。

火控系统可依据目标方位——时间的表页显示进行机动判断。火控判断目标机动的优势在于该战位可以结合解算目标运动参数的情况来判断。如若目标运动参数长时间不收敛，或收敛以后又发散，就可能是目标进行了机动。目前主要依赖人工手段，人工判断有其独到的地方。

4.2 恰当处理原有信息和目标运动参数的手段

一旦检测目标机动，应有手段处理原有信息和目标运动参数而不是简单丢弃。同时，还应有措施启动新的目标运动分析方案，尽快恢复目标运动参数的提供。在得到新目标运动参数的同时应迅速更新设备中各种有赖这些参数的内容，如各种决策方案等。判断出目标机动后，还要对目标的具体机动形式进行判断。后续目标机动参数的快速估计、开始机动时刻和持续时间都很重要。由于从目标开始机动到机动被检测或判断出来需要经过一段时间，因此存在一个开始机动时刻的估计问题。同单纯机动判断相比，具体的机动形式、机动开始时刻和持续时间的判断要更加困难。目标机动后的处理，快速性显得更重要，能够判断出目标机动就应迅速采取措施，而不要一味等待更具体的机动信息。

目标机动意味着所有的基于目标匀速直线条件的解算目标运动参数的方法失效。但原有的解算参数如果已经基本收敛，则可以加以利用。比如目标刚机动时距离不会发生大变化，因此对于比较准确的距离参数理应充分利用。此时，如果使用的武器对目标运动参数精度要求不高，则只要认为该距离合适就可立即进行攻击。如果需要继续解算新的目标运动参数，则应迅速记下距离和相应时间，并在后续测量三个目标方位，采用三方位一距离法快速解算新的目标运动参数，且利用新参数计算射击参数，控制武器发射。

4.3 火控“全面”自适应滤波手段

对匀速直线运动目标，kalman是最优滤波器，目标机动kalman滤波器就会出现发散现象，即目标飞行状态经过一个变化不大的过程后，突然机动，滤波器将丧失对突变状态的跟踪能力。由于目标运动假定和观测数据的不确定性，所以一般采用自适应滤波过程来实现对机动目标的跟踪。实时辨识自适应滤波比较好地反映机动范围和强度的变化，机动的跟踪效果好，但非机动时性能稍有下降；而机动检测自适应滤波在非机动时跟踪精度比较高，机动时较差。可以采用“机动检测＋检测后调整解算”的思路。使用概率密度检测法和加权平方检测法进行机动检测，一旦检测到目标发生机动，就对滤波器的参数或结构进行调整，达到自适应滤波目的。

“全面”自适应滤波综合了实时辨识自适应滤波和机动检测自适应滤波两类方法的优点，典型的算法是交互式模型IMM算法［8～9］，有多种模型并行工作，目标状态估计是多个滤波器交互作用的结果。算法可不进行机动检测，能同时达到全面自适应的能力。