光电探测信息在防空导弹武器系统中的应用研究

2019-06-13王中晔

航天控制 2019年2期

郑晟王中晔徐磊

上海机电工程研究所，上海200233

1 武器系统的探测需求

现代防空导弹武器系统一般由探测系统、指挥控制系统、火力控制系统、发射系统和导弹组成，其中探测系统是整个武器系统的“眼睛”，包括各种传感器及相应的信息处理设备，承担着向武器系统提供目标指示、实时传输高精度目标坐标的任务。

现代舰艇上通常装备多种传感器，包括目标指示雷达、光电跟踪设备、红外传感器及电子侦察设备等，其中目标指示雷达能够直接输出目标距离、方位角和俯仰角三维信息，具有探测距离远、多目标跟踪能力强等特点，是绝大多数防空导弹探测系统的首选甚至是唯一目标源。

随着军事技术的不断发展，雷达作为舰载防空导弹武器系统的“眼睛”，逐渐出现了一些无法回避的问题，比如：

1)雷达一旦战损或故障，武器系统将完全丧失工作能力，即单点失效；

2)目标进入雷达盲区，如近界盲区，系统则无法对其跟踪，失去拦截能力；

3)相比其他探测设备，雷达精度及数据率有限，难以提升能力，因此制约了武器系统整体精度的进一步提高。

在此背景下，以光电跟踪器、红外传感器为代表的二维探测器成为分担雷达这只“眼睛”工作压力、提高探测能力的“替补眼睛”或“协同工作眼睛”[1]。

光电跟踪器、红外传感器等传感器之所以被称为二维探测器，是因为它们无法像目标指示雷达那样直接输出目标的三维信息，通常只能对目标的方位角和俯仰角进行测量，因而无法对目标进行精确的三维定位，不满足武器系统的使用需求。[2]

尽管如此，二维探测信息具有的优点仍为我们探寻其潜在的应用方法提供了可能。

1)数据精度高、数据率高

以光电跟踪器为例，其探测精度可以达到方位、俯仰各0.1°以内，数据率16Hz以上，较雷达而言精度高、数据率高。

2)探测空域与雷达互补

雷达拥有更远的探测距离，但通常在非常近的距离内有近界盲区，且对超低空目标探测时受海杂波的影响较大；而光电跟踪、红外跟踪等探测器则正相反，其作用距离有限，但在中近距离以内精度高、基本无盲区，且无海杂波之类的影响。

3)抗电磁干扰能力强

在复杂电磁背景下的现代战争中，雷达往往被有针对性地实施电磁干扰，很难保持正常工作状态，在雷达被致盲的情况下，其它二维探测器理应发挥更重要的作用，尽量弥补探测能力的下降。

本文立足于武器系统的需求，探索了二维探测信息在防空导弹武器系统中的若干应用方向及相应的技术途径，有助于提高武器系统的探测精度、抗干扰能力及适用性。

2 二维探测信息的若干应用

2.1 多点交叉定位

当舰艇上有2个或2个以上的二维传感器工作时，利用分布于舰艇不同位置的多传感器同时对一个目标形成的二维探测数据，可以对目标进行交叉定位，得到较为精确的三维信息。

图1 多点交叉定位示意图

原理示意图如图1所示，x向指向舰艏；O1和O2分别为舰体2台对称分布的二维传感器；M为目标，M1为目标在甲板系的投影。当O1和O2同时发现目标M时，分别测得其相对O1和O2的方位角为A1和A2，俯仰角为E1和E2(这些测量值已经经过了坐标转换，坐标系为测量坐标系，x、y和z轴的正方向分别为北、天和东方向。)。

图1中涉及到的符号定义：

L为2个传感器O1和O2之间的直线距离；L1为传感器O2在基准平面的投影点O3与传感器O1之间的距离；A1为目标在以传感器O1为原点的测量坐标系下的方位角；E1为目标在以传感器O1为原点的测量坐标系下的俯仰角；A2为目标在以传感器O2为原点的测量坐标系下的方位角；E2为目标在以传感器O2为原点的测量坐标系下的俯仰角；A为射线O3O1与z轴正方向的夹角；

目标M在以O1为坐标原点的北天东坐标系中的位置计算公式为：

目标M在以O2为坐标原点的北天东坐标系中的位置计算公式为：

仿真计算过程如下：

根据上文计算公式可知，对目标x、y、z求全微分可反映真实误差情况。对已有公式求导可得各坐标定位的均方根误差为:

式中：

通过上述公式的误差分析，可以发现目标的探测精度与探测器的方位有很大关系：当目标沿着垂直于两传感器所在直线的方向进来时，误差最小；当目标沿着两传感器所在直线的方向进来时，误差趋于无穷大。

2.2 单点移动定位

当舰艇上只有一个二维探测器进行有效探测时，利用舰艇自身的运动，使其在不同时刻对目标的多次探测，形成一个连续变化的探测源及相应的探测结果，综合对目标运动特性的估计，能够粗略判断出目标的运动方式及方位[3]。

图2 单点移动定位示意图

单点移动定位原理较为复杂，对探测器载体的运动和目标的运动方式都有一定的限制要求：1)探测器载体做匀速直线运动则目标不可测，因此要求载体必须以变速或变向行驶；2)此方法在探测器载体速度快、目标速度慢的情况下效果较好，否则解算出的目标位置及速度精度将大大下降。综上可以发现，防空导弹武器系统的使用情况往往不满足以上2个条件，因而最多作为一种辅助探测手段，难以为导弹的发射提供目标指示。

2.3 与三维信息融合

当雷达与二维传感器同时工作时，可以通过数据融合的技术利用高精度的二维探测信息提高目标的三维信息精度。

一般而言，需要额外利用二维信息的情况多为雷达探测精度比二维探测信息精度低得较多甚至1个数量级的时候。在工程应用上常常将雷达的三维目标信息进行滤波后生成航迹，与高精度二维探测信息时空配准后，直接用高精度二维信息替换掉三维信息中的相应值，得到新的修正点，将其代入雷达目标航迹中，修正航迹及目标速度值[4]。

2.4 为雷达探测补盲

雷达往往存在探测盲区，目标一旦进入该区域，则无法保持跟踪，目前的数据处理方式往往是利用最后时刻的目标位置及速度继续外推，在没有新的信息加入的情况下，随着外推时间的增加，目标位置误差呈快速放大趋势，意味着系统基本失去了盲区内的打击能力。在此情况下，提出“投影法”，利用近距离的二维探测信息辅助目标信息的外推，使其精度保持在一定范围内，满足系统发射导弹拦截的需要。

图3 投影法原理示意图

投影法的原理是：二维传感器在某一时刻探测得到的是目标的方位角和仰角，即是空间的一条直线。连续探测运动的目标时，我们可以得到由一条条直线形成的直线簇。设定时间滑窗将某一时间段内的直线簇拟合成一个曲面，则该时间段内目标的真实轨迹便应该是这曲面上的一条曲线。从目标进入盲区开始，我们不断生成这样的曲面，只要时间滑窗取得较小，这个曲面就近似为一个平面。将根据雷达外推生成的目标预测航迹投影在这个曲面上，就可以得到一定时间段内的修正航迹。修正航迹提高了目标的位置精度，同时根据修正后的目标位置可以修正目标的速度，以此得到新的下一时刻的预测航迹。简而言之，就是不断地将预测航迹向由二维探测信息生成的曲面上投影，得到修正后的航迹和速度。

仿真中我们设定目标以300m/s的飞行速度靠近舰艇，雷达探测精度为距离80m，角度0.3°，至4km处进入雷达盲区后，按照以往简单外推的方法，目标至拦截近界800m时，位置误差将达200m以上。采用上文多点定位方法，保证输出角度误差不大于0.1°的目标方位角和俯仰角。采用投影法处理数据后，能够保证目标在800m处时位置误差不超过120m，大大提高了系统的拦截能力。