图像导引头搜索方案研究*

2018-11-13苗昊春严宪军

弹箭与制导学报 2018年1期

陈韵,王根,苗昊春,常燕,严宪军

(1 西北工业大学航天学院,西安 710072;2 西安现代控制技术研究所,西安 710065;3 火箭军工程大学,西安 710025)

0 引言

图像制导导弹发射后,经过初始段和中制导段飞行,进入目标截获阶段。图像导引头对目标的截获至关重要,为保证射手能发现、跟踪、锁定目标,截获概率应基本接近1,即进入导引头识别距离后,目标应能出现在图像视场中。由于导弹在初始段和中制导段飞行过程中存在各种测量误差、控制精度等因素的影响,实际弹道与理想弹道有较大的偏差,将影响导引头对目标的截获,需要设计合理的搜索扫描方案以提高截获概率。

1 图像导引头对目标的截获

图像制导导弹发射后一般在几十米到几百米高度上平飞,将导引头拍摄到的地面图像实时传回发射平台,射手在监视器屏幕上寻找目标,当发现目标后,发送指令手动跟踪目标并锁定,之后系统转入自动跟踪。根据图像导引头“人在回路”的工作特点,只有当目标位于导引头瞬时视场之中,停留足够长的时间,且与导引头的距离小于识别距离时,射手才能识别和捕获目标,导引头视场大小与识别距离直接影响导引头对目标的截获概率。

从搜索截获的角度来看,既要求导引头可靠识别距离足够远,还希望视场足够大。但从导引头设计的方面说,只有减小视场才能提高识别距离。为平衡识别距离与视场大小的矛盾,提高导引头的截获概率,可通过增加搜索方案来提高视场的覆盖率。

图像导引头的搜索方案根据其工作特点,设计时需要综合考虑的因素包括:

1)结合截获概率要求及导引头的视场大小和识别距离等性能指标,确定需要搜索的视场宽度。

2)由于图像导引头对目标的截获以“人在回路”为特点,搜索方案设计需要考虑视觉问题,即搜索过程图像移动、变化对射手识别目标带来的不利影响。

3)对设计的搜索方案应进行全面的仿真分析,确保目标在视场中有足够的停留时间,且避免出现搜索盲区。

2 图像导引头搜索方案设计

2.1 图像导引头搜索方案概述

为保证在中制导段目标能够出现在导引头视场范围内,设计导引头搜索方案使导引头能指向目标区域[1-4]。最基本的搜索方案是“凝视”方案,即让导引头的光轴始终指向目标,如图1所示。

图1中:M为导弹;h为导弹飞行高度;T为目标;Rmt为弹目距离;ϑs、ψs分别为导引头俯仰、偏航视场角,期望导引头光轴沿MT方向。导引头俯仰方向光轴与基准线夹角为:

qv=arcsin(h/Rmt)

(1)

此时瞬时视场纵深为:

(2)

瞬时视场宽度:

W=|AC|=2×Rmt×tan(ψs/2)

(3)

理想条件下,按照凝视搜索方案,目标始终出现在导引头的视场中心。

由于飞行过程中存在各种误差,弹道及目标有一定的散布,会带来凝视方案指向的偏差。为扩大视场范围,需要增加扫描方案。对于图像导引头,在工程上一般采用侧向一维搜索方式,即以凝视为中心,侧向进行“一”字型扫描,该方案既保证导引头指向目标区域,又实现图像的连续变化,减小扫描过程对射手识别、跟踪目标的不利影响。

2.2 搜索视场宽度设计

假设导引头对目标截获的事件X满足正态分布,即X～N(μ,σ2),则截获概率可以表示为[5]:

PX=P{μ-σ≤X≤μ+σ}=

φ(σ)-φ(-σ)=2φ(σ)-1

(4)

结合武器系统的精度分析,可以得到中制导结束时弹目综合散布:高度方向为Δpitch,方位方向Δyaw。根据式(4)可以分别求得导引头在俯仰与偏航方向的截获概率Ppitch、Pyaw:

(5)

式中：Wpitch、Wyaw分别为俯仰、偏航方向的半视场宽度,可由导引头俯仰视场角ϑs、偏航视场角ψs及识别距离Rs解算得到:

Wpitch=Rs×tan(ϑs/2)Wyaw=Rs×tan(ψs/2)

(6)

则导引头对目标的截获概率Pi可以表示为:

Pi=Ppitch×Pyaw

(7)

某图像制导导弹要求截获概率大于99.0%,弹目散布误差为Δpitch=45 m(1σ),Δyaw=80 m(1σ),图像导引头视场大小为6°(俯仰ϑs)×6°(偏航ψs),识别距离为Rs=3 000 m。

根据式(5)～式(7)可以得到不同偏航搜索视场宽度条件下的截获概率,计算结果如表1所示。从表1结果中可以看出,偏航方向视场采用凝视搜索方案,视场宽度±157 m,截获概率为95.0%,不能满足武器系统的指标;需要扫描至±210 m的偏航视场宽度才能满足截获概率大于99.0%的要求。为保证射手对目标的有效识别,希望在视场±210 m停留时间大于1 s,因此需要的扫描视场宽度应大于±210 m,初步设计值为±250 m。

表1 不同偏航搜索视场宽度条件下的截获概率

2.3 扫描开始时刻选择

根据图像导引头的工作原理,在识别距离范围内的目标在图像中才能被射手发现、识别,因此只有进入导引头识别距离后开始扫描才有意义。图像导引头的搜索方案一般在识别距离外采用凝视搜索方案,扫描开始时刻的判据为:

Rmt(t)≤Rs

(8)

2.4 扫描速度设计

对于侧向一维搜索方式,根据扫描速度不同考虑两种扫描方案:等角速度扫描及等线速度扫描。

1)等角速度扫描

|ω(t)|=ω0

(9)

式中:ω(t)为导引头扫描角速度;ω0为选定的扫描角速度。

2)等线速度扫描

|ω(t)|=Vsm/Rmt(t)

(10)

式中Vsm为选定的扫描线速度。

2.5 停留时间

对于图像导引头,需要目标在监视器画面上停留足够的时间才能保证射手能有效分析、判断、识别目标,因此停留时间是评价扫描方案的一项重要指标。

为求停留时间,先讨论地面上不同位置的点在监视器画面上存在的条件。设某时刻导弹在地面坐标系[6]中的位置为(xm,h,zm),目标的坐标为(xt,0,zt),地面上的一点P的坐标为(x,0,z)。则该点与导弹的连线在导引头坐标系中的两个欧拉角(λϑ,λψ)可以表示为:

(11)

(12)

qh=arctan((zt-zm)/(xt-xm))

(13)

当且仅当满足:

(14)

P点在导引头的视场中,即出现在监视器的画面中。以目标侧向散布为例,给定一组侧向位置值:

z∈[-Δz,+Δz]

(15)

根据式(14),在导弹接近目标的每个时刻计算上述散布范围内的各点是否在监视器画面中,将时间累计可以得到各点在监视器画面中的停留时间。

3 仿真验证

以某图像制导导弹为例,对设计的导引头搜索方案进行仿真对比分析。导弹飞行速度约为170 m/s,飞行高度为180 m,从导引头识别距离3 000 m开始扫描。分别对凝视搜索方案、定角速度扫描方案(扫描角速度ω0=1.5°/s)及定线速度扫描方案(扫描线速度Vsm=60 m/s)的扫描角速度、扫描线速度、扫描角度范围、目标侧向误差散布在视场的停留时间进行对比。搜索方案仿真结果对比见表2。扫描特性对比曲线如图2～图6所示。

从仿真结果中可以看出,通过侧向的扫描,可将原凝视方案下±157 m的视场范围扩展至±250 m的范围,在±210 m处的停留时间大于1 s;对于设计的定角速度、定线速度两种不同的扫描速度方案,扫描特性相当,均能满足扫描视场宽度、停留时间等的要求。