红外告警和跟踪设备注入式仿真时空映射方案

吴军辉,王 敏,李 慧,许振领,郭正红,王重阳

(中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003)

1 引 言

光电定向干扰装备的主要作战对象为来袭飞机的光电观瞄设备和光电制导武器的导引头,主要由雷达引导设备、红外侦察告警设备、红外捕获跟踪设备和激光干扰设备组成[1]。作战状态下,经常通过指控设备接收上级/友邻的情报信息。仿真试验是光电定向干扰装备性能考核的手段之一,红外侦察告警和红外捕获跟踪设备仿真试验(包括单体设备试验及告警跟踪一体化试验)主要采用注入式方法。

注入式仿真试验中,红外侦察告警/捕获跟踪设备的红外成像探测分系统被图像仿真与注入设备取代,设备跟踪伺服分系统、操作手等正常参与工作[2-4],红外成像探测器效应在红外场景数字图像仿真中考虑[5]。图像仿真与注入设备需实时采集设备跟踪架测角传感器数据,映射为设备视轴方向,然后进行红外场景数字图像对应的天空背景区域的选取；根据动态战情空中目标位置想定数据,计算设备观测到的目标视线方向,由视轴和目标视线方向差计算目标在红外场景数字图像中的像素位置(简称“图像目标位置”),从而实现红外侦察告警和捕获跟踪设备的闭环仿真。

装备仿真试验是作战域至仿真域的映射活动,时空维及其参量映射是映射活动核心。作战状态下,红外侦察告警/捕获跟踪设备按照作战要求布站；仿真状态下,设备在室内集中摆放,需要人工设置定位、定向、定姿信息,仿真系统仅利用设备跟踪架测角传感器输出信号实现闭环仿真。因此,根据注入式闭环仿真试验原理及特点,设计了一种红外侦察告警/捕获跟踪设备注入式仿真时空映射解决方案,解决了仿真试验的时空一致性,提出的时空映射方案在某型红外捕获跟踪设备多目标处理能力等战技性能考核实验中得到了应用与验证,同时该方案也能够适用于红外侦察告警/捕获跟踪一体化注入式仿真试验。

2 注入式仿真原理

红外侦察告警和捕获跟踪设备注入式仿真试验原理如图1所示。红外侦察告警/捕获跟踪图像仿真与注入单元是注入式仿真系统核心,任务是根据战情想定信息和红外侦察告警/捕获跟踪设备跟踪架测角传感器输出信息,完成目标、背景红外辐射特性、大气辐射传输特性、红外成像器效应仿真,实时仿真生成作战状态下设备红外成像探测器输出的红外场景数字图像,实时注入到设备图像信息处理机,处理得出脱靶量驱动跟踪伺服系统跟踪目标完成闭环试验。上级/友邻情报信息仿真单元用来仿真远方空情(如空情雷达情报信息)。

图1 红外侦察告警与捕获跟踪设备注入式仿真原理Fig.1 Principle of injection simulationfor infrared warning and tracking device

3 空间坐标系和时间定义

3.1 作战域主要空间坐标系

作战域空间坐标系主要包括地球坐标系、大地坐标系、战场坐标系、红外侦察告警设备站点坐标系(简称“侦察坐标系”)、红外捕获跟踪设备站点坐标系(简称“跟踪坐标系”)、情报雷达站点坐标系(简称“雷达坐标系”)。地球坐标系为以地球中心为原点的直角坐标系；大地坐标系一般采用WGS84或CGCS2000坐标系(经度、纬度、大地高度)。战场坐标系的原点取战场地面/海面某点,X轴在水平面内并指向大地北,Y垂直于水平面(向上为正),Z轴按照右手法则确定,即东北天坐标系。侦察坐标系、跟踪坐标系、雷达坐标系的定义同战场坐标系,其坐标原点为设备站点(测量中心),站点坐标由静态战情想定。各坐标系下的坐标可相互转换,试验战情(静态战情和动态战情)中想定的坐标量均采用作战域坐标系。

3.2 作战域时间

作战域主要包括日历绝对时间(Tz0)和作战时间(tz0)。绝对时间为日历时间,以年、月、日、时、分、秒表示。作战时间为以某绝对时间为零时刻(零时间,T0)的相对时间,绝对时间和作战时间转转关系为:

tz0=Tz0-T0

(1)

零时间由静态战情设定,试验战情中的时间量(零时间外)一般采用作战时间。

3.3 仿真域空间坐标系

仿真域空间坐标系主要有红外侦察告警设备跟踪架测角传感器坐标系(简称“侦察码盘坐标系”)和红外捕获跟踪设备跟踪架测角传感器坐标系(简称“跟踪码盘坐标系”)。

注入式仿真试验中,红外侦察告警/捕获跟踪设备视轴在侦察/跟踪码盘坐标系下俯仰、方位角度值与相应码盘值转换计算公式如下:

θFQ=(EQ-EQ0)×KQθ×FQE

(2)

φFQ=(AQ-AQ0)×KQφ×FQA

(3)

式中,θFQ、φFQ分别为注入式仿真试验中,红外侦察告警/捕获跟踪设备视轴在侦察/跟踪码盘坐标系下俯仰角度和方位角度值；EQ、AQ为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台俯仰、方位轴码盘值；EQ0、AQ0为注入式仿真试验中,定义侦察/跟踪码盘坐标系所需的红外侦察告警/捕获跟踪设备转台俯仰、方位零点码盘值。其中,方位零点码盘值可以根据需要任意选取,俯仰零点码盘值取设备视轴与转台垂直轴基本垂直时的码盘值；KQθ、KQφ为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台俯仰、方位码盘值方向符号,取1或-1,分别代表码值增大方向与角度值增大方向一致或相反；FQE、FQA为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台俯仰、方位轴码盘单位值对应的角度值。

3.4 仿真域时间、时钟

(1)仿真域时钟

重点关注仿真时钟(CF0)和红外捕获跟踪设备跟踪架测角传感器采样时钟(CF1)。

仿真时钟是一体化仿真试验中唯一基本时钟,由物理设备产生(如时统、时钟设备),用于仿真进程推进,实现仿真系统各装备、各模块时间统一和同步运行。仿真时钟基础周期一般为1 ms,由其派生其他时钟周期。

红外捕获跟踪设备跟踪架测角传感器采样时钟用作红外场景数字图像仿真和注入的触发信号,通过优化设计注入式仿真试验的工作时序[6],确保实现高逼真的红外捕获跟踪闭环仿真。码盘采样时钟周期为红外捕获跟踪设备的成像帧周期。

(2)仿真域时间

仿真域时间量主要有绝对时间(TF0)、相对时间(TF1)、仿真时间(tF0)和逻辑时间(tF1)。TF0是仿真试验实施过程中的日历时间。TF1为仿真试验实施过程中以某绝对时间为零时刻的相对时间。tF0为以物理设备产生的仿真时钟的计数时间,1个计数值对应的时间量为仿真时钟周期。tF1是以仿真时钟计数为基数的时间,1个计数值对应的时间量由人工规定,可以等于、大于或小于仿真时钟周期,对应实时、欠实时、超实时仿真。TF1、tF0和tF1的零点时刻一般均取仿真开始时刻。TF0和TF1的关系为:

TF1=TF0-仿真开始时刻对应的绝对时间

(4)

对于半实物仿真,因为物理设备产生的仿真时钟精度较高,tF0和TF1近似相等,且tF1一般等于TF1:

tF0≈TF1

(5)

tF1=TF1

(6)

因此,半实物仿真中,tF0和tF1的关系为:

tF0≈tF1

(7)

4 作战域、仿真域时空映射方案

4.1 动态战情空中目标坐标映射方案及图像目标位置计算方法

在作战域战场坐标系下,动态战情空中目标直角坐标为(xz0,yz0,zz0),红外侦察告警/捕获跟踪设备站点直角坐标为(xQ,yQ,zQ),则动态战情空中目标在作战域侦察/跟踪坐标系下的直角坐标(xzQ,yzQ,zzQ)和极坐标(θzQ,φzQ,rzQ)为:

xzQ=xz0-ΔxQ;yzQ

=yz0-ΔyQ;zzQ

=zz0-ΔzQ

(8)

在体系或一体化注入式仿真试验中,动态战情中的空中目标在仿真域侦察/跟踪码盘坐标系下的极坐标为(θFP,φFP,rFP)。以作战域红外侦察告警/捕获跟踪设备站点坐标系和仿真域红外侦察告警/捕获跟踪设备码盘坐标系为桥梁,根据式(10)～式(14)建立了动态战情空中目标空间坐标的映射关系:

rFP≡rzQ

(10)

θFP=θzQ-ΔθQC+(ΔEQC-EQ0)×KQθ×FQE

(11)

φFP=φzQ-ΔφQC+(ΔAQC-AQ0)×KQφ×FQA

(12)

ΔθQC=IQHcos(φzQ-αQH)

(13)

ΔφQC=IQHsin(φzQ-αQH)tanθzQ

(14)

式中,IQH、αQH为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台垂直轴误差和垂直轴倾斜方向(大地方位角),由静态战情想定；ΔAQC、ΔEQC为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台定向误差(转台调平并光轴指向大地北时的方位码盘值)和零位误差(转台调平并光轴与水平面水平时的俯仰码盘值),由静态战情想定；由于红外侦察告警、捕获跟踪设备的视轴误差和水平轴误差较小,上面映射公式忽略这两项轴系误差。ΔφQC、ΔθQC为垂直轴误差对方位角和俯仰角的修正量。

开展红外侦察告警、捕获跟踪单体设备注入式仿真试验时,可以把IQH想定为零,ΔAQC、ΔEQC想定值分别为AQ0、EQ0,则(θFP,φFP,rFP)与(θzQ,φzQ,rzQ)的映射关系可简化为下式:

θFP≡θzQ;φFP≡φzQ;rFP≡rzQ

(15)

注入式仿真试验中,图像目标位置计算公式如下所示:

pθP=(θFQ-θFP)/wθQ

(16)

pφP=(φFQ-φFP)/wφQ

(17)

式中,pθP、pφP分别为注入式仿真试验中,空中目标在仿真生成的红外场景数字图像中的俯仰、方位位置,即图像目标位置,单位像素；wθQ、wφQ分别为红外侦察告警/捕获跟踪设备俯仰、方位角度分辨率。

4.2 红外侦察告警/捕获跟踪设备定位、定向、定姿数据模拟方法

在作战过程中,红外侦察告警/捕获跟踪设备一般同时接收指控设备发送的空中目标位置情报信息,然后生成空情信息并上报指控设备。设备接收情报信息进行目标引导和生成空情信息数据处理过程中,均需要利用设备自身的定位、定向、定姿测量数据。而在注入式仿真试验中,各设备与作战状态下设备布站不对应,其定位、定向、定姿测量装置不工作,因此不能使用设备自身的定位、定向、定姿测量装置的测量数据,而采用模拟测量值,模拟测量值为战情想定值与测量误差模拟值之和,即:

xz0Y=ΔxQ+δx;yz0Y=ΔyQ+δy;zz0Y=ΔzQ+δz

(18)

IYH=IQH+δI;αYH=αQH+δα

(19)

ΔAYC=ΔAQC+δA;ΔEYC=ΔEQC+δE

(20)

式中,xz0Y、yz0Y、zz0Y为战场坐标系下红外侦察告警/捕获跟踪设备站点定位模拟值；IYH、αYH为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台垂直轴误差和垂直轴倾斜方向(大地方位角)模拟测量值；ΔAYC、ΔEYC为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台定向误差和零位误差模拟测量值；δx、δy、δz为红外侦察告警/捕获跟踪设备站点定位误差模拟值；δI、δα为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台垂直轴误差和垂直轴倾斜方向(大地方位角)测量误差模拟值；δA、δE为红外侦察告警/捕获跟踪设备转台定向误差和零位误差测量误差模拟值。

在空情信息生成过程中,红外侦察告警/捕获跟踪设备根据图像目标位置提取值(pθY,pφY)和跟踪架测角传感器数据(EQ,AQ),一般按照(21)～(25)式解算作战域侦察/跟踪坐标系下的目标位置(θzY,φzY),并转换为大地坐标系或地球坐标系下坐标值(转换公式略)后上传给指控设备。

θzY=pθYwθQ+ΔθWC+(EQ-ΔEYC)KQθFQE

(21)

φzY=pφYwφQ+ΔφWC+(AQ-ΔAYC)KQφFQA

(22)

ΔθWC=IYHcos(φzD-αYH)

(23)

ΔφWC=IYHsin(φzD-αYH)

(24)

φzD=(AQ-ΔAYC)KQφFQA+pφYwφQ

(25)

红外侦察告警/捕获跟踪设备接收指控设备下发的作战域大地坐标系或地球坐标系下的目标位置情报信息,先转换为侦察/跟踪坐标系下的目标位置情报信息(θzY,φzY)(转换公式略)后,一般再按照(26)～(29)式解算设备跟踪架测角传感器值(EQ,AQ),实现引导功能。

EQ=(θzY-ΔθYC)/KQθ/FQE+ΔEYC

(26)

AQ=(φzY-ΔφYC)/KQφ/FQA+ΔAYC

(27)

ΔθYC=IYHcos(φzY-αYH)

(28)

ΔφYC=IYHsin(φzY-αYH)

(29)

4.3 上级/友邻情报信息仿真

注入式仿真试验中,仿真系统需要通过数学仿真手段来模拟生成上级或友邻发送空中目标位置情报信息(一般来源于空情雷达)。空中目标位置情报信息基于动态战情空中目标位置信息和空情雷达测量误差进行仿真,如图2所示。

图2 雷达情报引导信息仿真流程图Fig.2 Simulation flow of radar guide information

基本步骤是:将动态战情空中目标位置坐标转换空情雷达站点坐标系下的坐标值(简称“目标坐标真值”),此处坐标转换采用空情雷达站点坐标真值(静态战情想定值)；进行空情雷达测量误差仿真；将目标坐标真值叠加空情雷达测量误差,即为目标位置雷达测量值；最后,将目标位置雷达测量值转换为作战域大地坐标系或地球坐标系下的坐标值,即为空中目标位置情报信息,此处坐标转换采用空情雷达站点坐标测量值(静态战情想定值+雷达站点定位误差)。如图2所示在雷达情报引导仿真时,同时考虑了雷达定位误差与雷达角度探测误差因素,可采用基于实测数据的方式对雷达角度探测误差进行仿真,保证了引导信息仿真逼真度。

4.4 作战域、仿真域时间映射方案

选择作战域作战时间(tz0)和仿真域逻辑时间(tF1)作为桥梁来实现作战域、仿真域时间映射,tz0和tF1的映射关系为:

tF1≡tz0-T1

(30)

式中,T1为时间映射偏差量,亦即逻辑时间零时刻映射对应的作战时间,由仿真系统参数配置确定。

5 映射方案实验验证

开展注入式仿真实验时,首先进行战情设计,分别想定情报雷达、红外侦查告警和红外捕获跟踪设备以及目标、干扰的空间位置在战场坐标系的大地坐标；然后进行映射处理,具体处理方式有两种:一是手动输入各装备车站点大地坐标,二是各装备车大地坐标采用其定位设备实测值,在映射过程中,利用上述时空映射方案保证了各个装备车之间以及目标相对于红外侦察告警和跟踪装备车的相对位置不变。

通过研究作战域、仿真域的时空坐标系及两域间映射机制,下面采用红外数字图像闭环注入式仿真试验方法进行某型红外捕获跟踪设备多目标处理能力实验为例进行映射方案的验证。设计了两种战情,战情1为敌军4机编队F-16飞机水平匀速逼近飞行,航速0.9 Ma,航高为7 km,航捷为0,气象条件为温度15 ℃,相对湿度20%,能见度23 km。战情2为5架F-16飞机编队飞行,其余条件同战情1。实验结果分别如表1和图3所示。

结果表明:红外捕获跟踪设备能够同时捕获4个目标,能够在不同目标之间进行切换跟踪,实验结果也从侧面验证了文中提出的时空映射方案的正确性。

表1 红外捕获跟踪设备多目标处理能力实验结果Tab.1 Result of multi-target processing test for infrared capturing and tracking device

备注:战情想定时间:中午12时。

图3 红外捕获跟踪设备多目标处理能力实验截图Fig.3 Screen result of multi-target processing test for infrared capturing and tracking device

6 结束语

基于注入式闭环仿真试验需求,提出了红外侦察告警和捕获跟踪设备仿真时空映射方案,解决了时空一致性问题并在实际任务中得到了应用和验证。提出的时空映射方案同样适用于体系对抗环境下的红外侦察告警/捕获跟踪设备注入式仿真试验。采用提出的时空映射方案可保证在设备误差仿真和情报信息仿真等方面满足注入式仿真试验时空一致性需求。

在此基础上通过完成数字图像实时仿真与注入、被试设备与注入式仿真系统连接后跟踪伺服回路性能一致性分析控制等关键技术,最终实现了红外侦察告警和捕获跟踪设备多种战技性能,如作用距离、威胁等级排序、多目标处理能力、机弹切换能力、跟瞄精度等的注入式闭环仿真测试。