主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)設(shè)備模擬方法研究

劉富強(qiáng)

(解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001)

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主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)設(shè)備模擬方法研究

劉富強(qiáng)

(解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001)

摘要：近年來反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭普遍采用了主/被動(dòng)雙模復(fù)合制導(dǎo)方式。對(duì)主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)方式進(jìn)行了分析，根據(jù)現(xiàn)有的單模導(dǎo)引頭特點(diǎn)，研究了如何對(duì)兩部單模導(dǎo)引頭進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、融合識(shí)別、融合跟蹤和時(shí)空校準(zhǔn)等，制成了主/被動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)模擬設(shè)備。

關(guān)鍵詞：主/被動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)；末制導(dǎo)雷達(dá);導(dǎo)引頭

0引言

目前，新型艦艇雷達(dá)對(duì)抗能力顯著提高，具有對(duì)抗復(fù)合體制制導(dǎo)雷達(dá)的手段。主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)被普遍應(yīng)用于反艦導(dǎo)彈上，國(guó)外典型裝備有俄羅斯的“馬斯基特”、“寶石”超音速反艦導(dǎo)彈和日本的XASM-3反輻射型反艦導(dǎo)彈等。本文對(duì)主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)的方式進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)有單模雷達(dá)導(dǎo)引頭和寬帶被動(dòng)導(dǎo)引頭的特點(diǎn)，研究了決策級(jí)和特征級(jí)復(fù)合方法，形成了主/被動(dòng)雷達(dá)雙模復(fù)合制導(dǎo)模擬設(shè)備，用作試驗(yàn)、訓(xùn)練的保障。

1主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合制導(dǎo)方式

主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合導(dǎo)引頭可以充分融合2種制導(dǎo)方式的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾性能較單一制導(dǎo)方式更好。2種制導(dǎo)方式的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1　2種制導(dǎo)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

復(fù)合方式分為決策級(jí)和特征級(jí)2種。決策級(jí)復(fù)合是指依靠各單模導(dǎo)引頭輸出最終探測(cè)信息，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，容錯(cuò)能力強(qiáng)，能進(jìn)行決策層次的處理和數(shù)據(jù)融合。決策級(jí)復(fù)合流程圖如圖1所示。

圖1　決策級(jí)復(fù)合流程圖

由于被動(dòng)雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)且隱蔽性較好，其先截獲目標(biāo)，隨著導(dǎo)彈飛行，當(dāng)彈目距離進(jìn)入主動(dòng)雷達(dá)作用距離范圍，被動(dòng)雷達(dá)交班給主動(dòng)雷達(dá)，采信主動(dòng)雷達(dá)跟蹤結(jié)果，被動(dòng)雷達(dá)保持跟蹤。如主動(dòng)雷達(dá)受到干擾，再交班給被動(dòng)雷達(dá)，采信被動(dòng)雷達(dá)跟蹤結(jié)果，被動(dòng)雷達(dá)持續(xù)引導(dǎo)主動(dòng)雷達(dá)重新搜索跟蹤目標(biāo)。

主/被動(dòng)雷達(dá)復(fù)合導(dǎo)引頭特征級(jí)復(fù)合制導(dǎo)典型裝備如日本的XASM-3反輻射型反艦導(dǎo)彈。特征級(jí)復(fù)合是基于2個(gè)導(dǎo)引頭提取的目標(biāo)特征進(jìn)行復(fù)合處理，完成共同制導(dǎo)的。其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了信息壓縮，比決策級(jí)融合多保留了目標(biāo)信息，減少了信息損失，但實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，數(shù)據(jù)處理占用資源大[1]。特征級(jí)復(fù)合流程圖如圖2所示。

圖2　特征級(jí)復(fù)合流程圖

2主/被動(dòng)雷達(dá)決策級(jí)復(fù)合方法

2.1時(shí)空校準(zhǔn)

(1) 空間校準(zhǔn)

通過結(jié)構(gòu)安裝的方式實(shí)現(xiàn)空間校準(zhǔn)，如圖3所示。主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭同一平臺(tái)架設(shè)，調(diào)整被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭和主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭中心軸線，使其與平臺(tái)中心軸線平行，通過結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定，利用雷達(dá)跟蹤角度值修正系統(tǒng)差和隨機(jī)差實(shí)現(xiàn)空間校準(zhǔn)。

圖3　空間校準(zhǔn)示意圖

(2) 時(shí)間校準(zhǔn)

造成時(shí)間不同步的原因是不同設(shè)備的采樣周期、處理速度等不同，在進(jìn)行復(fù)合處理之前，必須對(duì)其進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。時(shí)間校準(zhǔn)示意圖如圖4所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，以數(shù)據(jù)周期小的主動(dòng)雷達(dá)數(shù)據(jù)為時(shí)間基準(zhǔn)，T1和T2分別為主動(dòng)雷達(dá)和被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭輸出的數(shù)據(jù)周期，T1

圖4　時(shí)間校準(zhǔn)示意圖

利用分段線性插值法可以得到被動(dòng)雷達(dá)在t時(shí)刻對(duì)目標(biāo)的測(cè)量值為：

(1)

2.2數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

ψ1為主動(dòng)雷達(dá)航向角，其標(biāo)準(zhǔn)差為δ1； ψ2為被動(dòng)雷達(dá)航向角，其標(biāo)準(zhǔn)差為δ2。若2部導(dǎo)引頭跟蹤一個(gè)目標(biāo)，按照3δ概率論準(zhǔn)則，2部導(dǎo)引頭探測(cè)的目標(biāo)航向角的一次差不大于3(δ1+δ2)+δ(δ為空間校準(zhǔn)誤差)的機(jī)率約為0.998，即：

(2)

為提高判斷的準(zhǔn)確性，依據(jù)3/3法準(zhǔn)則，即連續(xù)比較3次，如果上式3次成立則判定2部雷達(dá)均未受到干擾，跟蹤的是同一目標(biāo)，否則認(rèn)為受到了干擾。因被動(dòng)雷達(dá)不易受到干擾，則可判定主動(dòng)雷達(dá)跟蹤的是干擾，主動(dòng)雷達(dá)重新搜索跟蹤目標(biāo)后，再和被動(dòng)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，一直到3次滿足上述公式。

2.3融合決策

除了一般復(fù)合原則外，本文根據(jù)D-S證據(jù)理論進(jìn)行決策級(jí)復(fù)合的融合識(shí)別，D-S證據(jù)理論中最基本的概念是識(shí)別框架U，U為變量A的所有可能的窮舉集合，且框架中的各個(gè)元素互不相容。U的冪集(2U)構(gòu)成了命題的集合。在2U上定義基本概率賦值函數(shù)m：2U→[0，1]，且滿足：

(3)

命題的信任函數(shù)bel和似然函數(shù)pls分別定義為：

(4)

(5)

式中：bel(A)表示對(duì)A的總的信任；pls(A)表示不否認(rèn)A的程度。

[bel(A)，pls(A)]構(gòu)成命題A的不確定區(qū)間。

D-S證據(jù)理論的融合法則是反映證據(jù)聯(lián)合作用的一個(gè)法則，融合法則為：

設(shè)bel1和bel2為同一識(shí)別框架上的2個(gè)信任函數(shù)，m1和m2分別是對(duì)應(yīng)的概率賦值函數(shù)，焦元分別為A1，…，Ak,B1，…，Br，又設(shè)：

(6)

則：

(7)

3主/被動(dòng)雷達(dá)特征級(jí)復(fù)合方法

特征級(jí)復(fù)合方式與決策級(jí)復(fù)合基本相同，不同之處在于特征級(jí)復(fù)合能夠利用主動(dòng)和被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的探測(cè)信息進(jìn)行融合識(shí)別和融合跟蹤，2部雷達(dá)輸出信息經(jīng)過融合后即為特征級(jí)復(fù)合后的輸出信息。

3.1融合識(shí)別

主動(dòng)雷達(dá)提供的距離和方位精度高，被動(dòng)雷達(dá)提供的方位精度低。要實(shí)現(xiàn)高精度識(shí)別，只能依靠主動(dòng)雷達(dá)。但對(duì)于反艦導(dǎo)彈而言，主動(dòng)雷達(dá)面臨的干擾較多，被動(dòng)雷達(dá)面臨的干擾較少且隱蔽性好，通過雙模復(fù)合可提高抗干擾性能。本文簡(jiǎn)單介紹2種融合識(shí)別方案[3-4]。

(1) 基于主動(dòng)雷達(dá)回波信號(hào)和被動(dòng)輻射源的干擾識(shí)別

采集主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭視頻回波和被動(dòng)雷達(dá)跟蹤信號(hào)源脈沖描述字(頻率、脈寬、重頻、波形、幅度)，利用艦船和干擾(箔條、角反和有源誘餌)的回波特性差異進(jìn)行抗干擾識(shí)別，箔條和艦船回波特性如表2所示。

干擾和艦船回波存在差異，但僅靠回波特性進(jìn)行抗干擾成功率并不是特別高。尤其是無源質(zhì)心干擾，利用被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭不受箔條、角反射體、有源誘餌影響的特性，可以根據(jù)信息裝訂威脅目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，融合識(shí)別干擾與艦船目標(biāo)，能夠顯著提高識(shí)別概率。

表2　干擾和艦船回波特性對(duì)照表

(2) 基于主動(dòng)和被動(dòng)雷達(dá)探測(cè)信息的干擾識(shí)別

由于干擾被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的措施(誘餌)對(duì)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭無干擾效果，而干擾主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的措施(箔條、角反、有源誘餌等)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭無干擾效果，如圖5所示。圖中的3個(gè)目標(biāo)檢測(cè)示意圖分別表示檢測(cè)后的“主動(dòng)雷達(dá)檢測(cè)圖像”、“被動(dòng)雷達(dá)檢測(cè)圖像”和“融合識(shí)別后圖像”，這些示意圖中的檢測(cè)目標(biāo)分別用“X”，“○”和“▲”表示，經(jīng)過融合檢測(cè)后，大部分的干擾能夠被濾除。

圖5　對(duì)比后消除干擾示意圖

3.2融合跟蹤

融合跟蹤的功能是通過主動(dòng)雷達(dá)和被動(dòng)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的測(cè)量結(jié)果，提高對(duì)目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性和精度。雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)量數(shù)據(jù)包括r(距離)、ψ1(方位角)信息。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)量數(shù)據(jù)只有ψ2(方位角)。設(shè)Y為觀測(cè)向量，Z為狀態(tài)向量，H為觀測(cè)矩陣，V為觀測(cè)誤差(零均值高斯白噪聲)，R為觀測(cè)誤差的自協(xié)方差矩陣。則觀測(cè)方程為：

Y=HZ+V

(8)

(9)

(10)

(11)

由加權(quán)最小二乘法估計(jì)得：

(12)

則：

(13)

融合后的誤差協(xié)方差矩陣為：

(14)

由上式[5]可見，融合后誤差協(xié)方差矩陣的方位角誤差小于單模導(dǎo)引頭的方位角誤差。

4結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備接口改造的方式，應(yīng)用本文提出的復(fù)合邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)單模導(dǎo)引頭兩兩復(fù)合，形成復(fù)合制導(dǎo)設(shè)備，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是，由于主動(dòng)和被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭體制不同，測(cè)量信息交集很少，這里所提到的特征級(jí)融合處理算法也是基于單模導(dǎo)引頭自身測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，目前還遠(yuǎn)沒有達(dá)到信號(hào)級(jí)復(fù)合，這也將是今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)研究探索的方向。

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Research into Simulation Method of Active/Passive Radar Composite Guidance Device

LIU Fu-qiang

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Active/passive dual-mode composite guidance mode is commonly applied to anti-ship missile seeker at present.This paper analyzes the active/passive radar composite guidance mode,according to the characteristics of existing single-mode seeker,studies into how to perform the data association,fusion recognition,fusion tracking and space and time calibration,etc.to two single-mode seekers,makes a simulative device of active/passive composite guidance.

Key words:active/passive composite guidance;terminal guidance radar；seeker

收稿日期:2015-11-05

中圖分類號(hào)：TN959.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0034-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.009