一种基于遥测跟踪信息的自引导方法

2022-07-14马方远王西泉李鹏勃薛林鹏

弹箭与制导学报 2022年3期

马方远，王西泉，李鹏勃，薛林鹏

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西华阴 714200)

0 引言

在武器系统靶场飞行试验过程中，如果在试验靶场网络建设不全面，也无法实时解析遥测数据中目标时空位置信息的情况下，航落区遥测站只能采取自主捕获跟踪，通常其跟踪测试方法有两种：一是程控引导，发现目标后切换自跟踪模式，丢失目标后再切换程控引导模式，该方法的测试风险主要来自程控飞行弹道与目标实际飞行弹道的差距以及程控启动的时间误差，当目标飞行时空位置偏离理论时空位置过大时，丢失目标后很难依靠程控引导二次捕获目标；二是定点等待目标，待发现目标后切换自动跟踪模式，这样虽然可以解决目标飞行位置在时间上的差距带来的不能捕获目标的问题，但是舍弃了程控引导，如果跟踪过程中丢失目标，将会失去二次捕获目标的能力。

针对上述问题，文献[1-5]所提供的设备引导测试方法多是依靠指控网络，将其他外测设备的测试信息发送给需要引导的测试设备，或是使用同站址的测试设备的天线指向信息进行引导跟踪，均不适用于遥测站独立跟踪目标的情况。文中以遥测地面站自主跟踪测试为出发点，提出了一种基于遥测跟踪信息的同站自引导方法，该方法使用遥测跟踪信息与理论弹道空间位置信息，反算目标实际飞行时空位置，采用卡尔曼滤波算法，对目标飞行时空位置进行预测，引导遥测天线跟踪测试目标，提高遥测地面站丢失目标后的二次捕获能力。

1 自引导实现思路

在实际应用中，考虑到遥测地面站的系统组成，增加一台引导计算机，遥测数据解调计算机与天控组合计算机分别向引导计算机提供遥测数据锁定情况与实时的遥测天线测角数据，引导计算机对数据进行处理，向天控组合计算机发送预测的天线指向角度信息。

遥测天线自引导方法使用前提是遥测地面站成功捕获目标，并稳定跟踪目标一段时间，当目标在遥测站理论作用范围内因姿态调整等原因丢失后，使用引导数据，使其能快速捕获目标，引导数据的主要误差源包括天线跟踪系统的随机误差、系统误差、引导数据收发延时误差、天线伺服滞后误差，其都可以通过数学统计方法或事前标校的方法给与修正。遥测天线自引导流程如图1所示。

图1 遥测天线自引导处理流程

2 遥测天线自引导方案关键算法

2.1 遥测设备天线跟踪误差标定与消除算法

遥测天线跟踪误差标定和误差分离是提高测角精度必不可少的过程，遥测设备的天线跟踪角度的方位与俯仰误差模型由式(1)、式(2)表示：

=++sin(-)×tan+

(1)

=++sin(-)++

(2)

式中:，为方位、俯仰跟踪角度理论值；，为方位、俯仰跟踪角度测量值；，为方位、俯仰设备天线零位误差；为天线底盘最大不水平角；为天线俯仰恶化方位轴的不正交度；，为光电失配引起的方位误差与俯仰误差；Δ，Δ为天线跟踪目标时方位、俯仰误差电压；，为方位、俯仰角误差电压灵敏度；为天线重力变形引起的俯仰误差系数；为电波折射误差。

该遥测天线跟踪角度误差修正模型能够较正设备原因带来的系统误差，使修正后的角度更加准确，可以更准确的计算目标的空间位置。

2.2 目标空间位置的计算

遥测天线在跟踪目标时，其测量信息主要包括方位角度和俯仰角度，因为遥测地面站不具备测距能力，无法实时获得目标距离遥测地面站的距离，因此假设目标可以按照理论弹道的空间位置进行飞行，即目标飞行过程中时空位置的偏差只来自时间偏差，通过理论跟踪角度信息对应的理论目标空间位置与遥测站点的距离代替实际距离，在飞行过程中目标在发射坐标系的空间位置由式(3)表示。

(3)

其中：=[,,]为目标在发射坐标系下的坐标；为发射系的射向；(,,)为发射点的WGS-84大地坐标系坐标；(,,)为站点的WGS-84大地坐标系坐标。

2.3 目标空间位置预测

由于很难获取飞行目标的运动特性，因此可以假设目标飞行过程中做匀加速运动，可以采用固定增益的滤波方法进行点预测，这里采用了卡尔曼方法的稳定解滤波(--滤波)，对实时解算的空间位置进行滤波，并进行点预报。的取值主要和遥测站丢失目标的时间以及数据的刷新率有关，一般外推数据的刷新率可设为20 Hz，其滤波预测过程如图2所示。

图2 预测滤波过程

(4)

(5)

初始计算时，根据经验，可以取(,,)=(033,13173,26287)。

步骤3：当遥测地面站丢失目标后，使用最后的3点实测目标位置，按照步骤1中的公式进行目标位置预测，滤波参数(,,)取(-3,-3,-3)的均值，遥测地面站按照预测的目标位置引导天线跟踪，直到遥测地面站发现目标，并成功自主跟踪，按照步骤1重启滤波预测过程。

2.4 自引导模型改进

由于目标在试验过程中运动状态较为复杂，不可能一直匀加速运动，在关键弹道段会做一些较大的机动动作，如果在这时，遥测地面站丢失目标，使用机动动作前的数据预测机动动作后的目标位置，当遥测地面站不能重新捕获目标，滤波器的输出将发散，自引导模式失败。因此，在遥测地面站采用自引导跟踪方法时，当其丢失目标后，应加入目标机动判断，适时改变滤波器的参数，使其能快速收敛到理论目标位置上，具体工作原理如图3所示。

图3 改进的滤波算法

首先假设目标可以按照理论弹道的空间位置进行飞行，即目标飞行过程中时空位置的偏差只来自时间偏差。当遥测地面站丢失目标后，切换自引导跟踪模式，使用预测滤波器F的预测值继续搜索目标，将预测的位置与理论机动位置进行对比，如果预测位置到达理论机动位置附近，则根据机动时刻，更换滤波器。滤波器F～F的构建，可以使用初次构建预测滤波器F的方法进行，初始输入参数代入机动时刻相应的理论位置。

3 仿真与试验结果分析

取来自某型火箭弹飞行试验测试过程中位于试验航区遥测站的跟踪数据进行分析。理论飞行弹道与实际飞行弹道在发射坐标系3个坐标轴的对比如图4所示，遥测站对目标实际跟踪的角度信息与理论跟踪角度误差如图5所示，可以看出，试验过程中，150～220 s附近，实际跟踪角度与理论跟踪角度误差较大，方位角最大误差为6°，俯仰角最大误差为8°，使用程控跟踪，将丢失目标。