光電探測(cè)信息在防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鄭 晟 王中曄 徐 磊

上海機(jī)電工程研究所，上海200233

1 武器系統(tǒng)的探測(cè)需求

現(xiàn)代防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)一般由探測(cè)系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和導(dǎo)彈組成，其中探測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)武器系統(tǒng)的“眼睛”，包括各種傳感器及相應(yīng)的信息處理設(shè)備，承擔(dān)著向武器系統(tǒng)提供目標(biāo)指示、實(shí)時(shí)傳輸高精度目標(biāo)坐標(biāo)的任務(wù)。

現(xiàn)代艦艇上通常裝備多種傳感器，包括目標(biāo)指示雷達(dá)、光電跟蹤設(shè)備、紅外傳感器及電子偵察設(shè)備等，其中目標(biāo)指示雷達(dá)能夠直接輸出目標(biāo)距離、方位角和俯仰角三維信息，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、多目標(biāo)跟蹤能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是絕大多數(shù)防空導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)的首選甚至是唯一目標(biāo)源。

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)作為艦載防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的“眼睛”，逐漸出現(xiàn)了一些無法回避的問題，比如：

1)雷達(dá)一旦戰(zhàn)損或故障，武器系統(tǒng)將完全喪失工作能力，即單點(diǎn)失效；

2)目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)盲區(qū)，如近界盲區(qū)，系統(tǒng)則無法對(duì)其跟蹤，失去攔截能力；

3)相比其他探測(cè)設(shè)備，雷達(dá)精度及數(shù)據(jù)率有限，難以提升能力，因此制約了武器系統(tǒng)整體精度的進(jìn)一步提高。

在此背景下，以光電跟蹤器、紅外傳感器為代表的二維探測(cè)器成為分擔(dān)雷達(dá)這只“眼睛”工作壓力、提高探測(cè)能力的“替補(bǔ)眼睛”或“協(xié)同工作眼睛”[1]。

光電跟蹤器、紅外傳感器等傳感器之所以被稱為二維探測(cè)器，是因?yàn)樗鼈儫o法像目標(biāo)指示雷達(dá)那樣直接輸出目標(biāo)的三維信息，通常只能對(duì)目標(biāo)的方位角和俯仰角進(jìn)行測(cè)量，因而無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的三維定位，不滿足武器系統(tǒng)的使用需求。[2]

盡管如此，二維探測(cè)信息具有的優(yōu)點(diǎn)仍為我們探尋其潛在的應(yīng)用方法提供了可能。

1)數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)率高

以光電跟蹤器為例，其探測(cè)精度可以達(dá)到方位、俯仰各0.1°以內(nèi)，數(shù)據(jù)率16Hz以上，較雷達(dá)而言精度高、數(shù)據(jù)率高。

2)探測(cè)空域與雷達(dá)互補(bǔ)

雷達(dá)擁有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但通常在非常近的距離內(nèi)有近界盲區(qū)，且對(duì)超低空目標(biāo)探測(cè)時(shí)受海雜波的影響較大；而光電跟蹤、紅外跟蹤等探測(cè)器則正相反，其作用距離有限，但在中近距離以內(nèi)精度高、基本無盲區(qū)，且無海雜波之類的影響。

3)抗電磁干擾能力強(qiáng)

在復(fù)雜電磁背景下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)往往被有針對(duì)性地實(shí)施電磁干擾，很難保持正常工作狀態(tài)，在雷達(dá)被致盲的情況下，其它二維探測(cè)器理應(yīng)發(fā)揮更重要的作用，盡量彌補(bǔ)探測(cè)能力的下降。

本文立足于武器系統(tǒng)的需求，探索了二維探測(cè)信息在防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的若干應(yīng)用方向及相應(yīng)的技術(shù)途徑，有助于提高武器系統(tǒng)的探測(cè)精度、抗干擾能力及適用性。

2 二維探測(cè)信息的若干應(yīng)用

2.1 多點(diǎn)交叉定位

當(dāng)艦艇上有2個(gè)或2個(gè)以上的二維傳感器工作時(shí)，利用分布于艦艇不同位置的多傳感器同時(shí)對(duì)一個(gè)目標(biāo)形成的二維探測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行交叉定位，得到較為精確的三維信息。

圖1 多點(diǎn)交叉定位示意圖

原理示意圖如圖1所示，x向指向艦艏；O1和O2分別為艦體2臺(tái)對(duì)稱分布的二維傳感器；M為目標(biāo)，M1為目標(biāo)在甲板系的投影。當(dāng)O1和O2同時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)M時(shí)，分別測(cè)得其相對(duì)O1和O2的方位角為A1和A2，俯仰角為E1和E2(這些測(cè)量值已經(jīng)經(jīng)過了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)系為測(cè)量坐標(biāo)系，x、y和z軸的正方向分別為北、天和東方向。)。

圖1中涉及到的符號(hào)定義：

L為2個(gè)傳感器O1和O2之間的直線距離；L1為傳感器O2在基準(zhǔn)平面的投影點(diǎn)O3與傳感器O1之間的距離；A1為目標(biāo)在以傳感器O1為原點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系下的方位角；E1為目標(biāo)在以傳感器O1為原點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系下的俯仰角；A2為目標(biāo)在以傳感器O2為原點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系下的方位角；E2為目標(biāo)在以傳感器O2為原點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系下的俯仰角；A為射線O3O1與z軸正方向的夾角；

目標(biāo)M在以O(shè)1為坐標(biāo)原點(diǎn)的北天東坐標(biāo)系中的位置計(jì)算公式為：

目標(biāo)M在以O(shè)2為坐標(biāo)原點(diǎn)的北天東坐標(biāo)系中的位置計(jì)算公式為：

仿真計(jì)算過程如下：

根據(jù)上文計(jì)算公式可知，對(duì)目標(biāo)x、y、z求全微分可反映真實(shí)誤差情況。對(duì)已有公式求導(dǎo)可得各坐標(biāo)定位的均方根誤差為:

式中：

通過上述公式的誤差分析，可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)精度與探測(cè)器的方位有很大關(guān)系：當(dāng)目標(biāo)沿著垂直于兩傳感器所在直線的方向進(jìn)來時(shí)，誤差最?。划?dāng)目標(biāo)沿著兩傳感器所在直線的方向進(jìn)來時(shí)，誤差趨于無窮大。

2.2 單點(diǎn)移動(dòng)定位

當(dāng)艦艇上只有一個(gè)二維探測(cè)器進(jìn)行有效探測(cè)時(shí)，利用艦艇自身的運(yùn)動(dòng)，使其在不同時(shí)刻對(duì)目標(biāo)的多次探測(cè)，形成一個(gè)連續(xù)變化的探測(cè)源及相應(yīng)的探測(cè)結(jié)果，綜合對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的估計(jì)，能夠粗略判斷出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方式及方位[3]。

圖2 單點(diǎn)移動(dòng)定位示意圖

單點(diǎn)移動(dòng)定位原理較為復(fù)雜，對(duì)探測(cè)器載體的運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方式都有一定的限制要求：1)探測(cè)器載體做勻速直線運(yùn)動(dòng)則目標(biāo)不可測(cè)，因此要求載體必須以變速或變向行駛；2)此方法在探測(cè)器載體速度快、目標(biāo)速度慢的情況下效果較好，否則解算出的目標(biāo)位置及速度精度將大大下降。綜上可以發(fā)現(xiàn)，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用情況往往不滿足以上2個(gè)條件，因而最多作為一種輔助探測(cè)手段，難以為導(dǎo)彈的發(fā)射提供目標(biāo)指示。

2.3 與三維信息融合

當(dāng)雷達(dá)與二維傳感器同時(shí)工作時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)融合的技術(shù)利用高精度的二維探測(cè)信息提高目標(biāo)的三維信息精度。

一般而言，需要額外利用二維信息的情況多為雷達(dá)探測(cè)精度比二維探測(cè)信息精度低得較多甚至1個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)候。在工程應(yīng)用上常常將雷達(dá)的三維目標(biāo)信息進(jìn)行濾波后生成航跡，與高精度二維探測(cè)信息時(shí)空配準(zhǔn)后，直接用高精度二維信息替換掉三維信息中的相應(yīng)值，得到新的修正點(diǎn)，將其代入雷達(dá)目標(biāo)航跡中，修正航跡及目標(biāo)速度值[4]。

2.4 為雷達(dá)探測(cè)補(bǔ)盲

雷達(dá)往往存在探測(cè)盲區(qū)，目標(biāo)一旦進(jìn)入該區(qū)域，則無法保持跟蹤，目前的數(shù)據(jù)處理方式往往是利用最后時(shí)刻的目標(biāo)位置及速度繼續(xù)外推，在沒有新的信息加入的情況下，隨著外推時(shí)間的增加，目標(biāo)位置誤差呈快速放大趨勢(shì)，意味著系統(tǒng)基本失去了盲區(qū)內(nèi)的打擊能力。在此情況下，提出“投影法”，利用近距離的二維探測(cè)信息輔助目標(biāo)信息的外推，使其精度保持在一定范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)發(fā)射導(dǎo)彈攔截的需要。

圖3 投影法原理示意圖

投影法的原理是：二維傳感器在某一時(shí)刻探測(cè)得到的是目標(biāo)的方位角和仰角，即是空間的一條直線。連續(xù)探測(cè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)時(shí)，我們可以得到由一條條直線形成的直線簇。設(shè)定時(shí)間滑窗將某一時(shí)間段內(nèi)的直線簇?cái)M合成一個(gè)曲面，則該時(shí)間段內(nèi)目標(biāo)的真實(shí)軌跡便應(yīng)該是這曲面上的一條曲線。從目標(biāo)進(jìn)入盲區(qū)開始，我們不斷生成這樣的曲面，只要時(shí)間滑窗取得較小，這個(gè)曲面就近似為一個(gè)平面。將根據(jù)雷達(dá)外推生成的目標(biāo)預(yù)測(cè)航跡投影在這個(gè)曲面上，就可以得到一定時(shí)間段內(nèi)的修正航跡。修正航跡提高了目標(biāo)的位置精度，同時(shí)根據(jù)修正后的目標(biāo)位置可以修正目標(biāo)的速度，以此得到新的下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)航跡。簡(jiǎn)而言之，就是不斷地將預(yù)測(cè)航跡向由二維探測(cè)信息生成的曲面上投影，得到修正后的航跡和速度。

仿真中我們?cè)O(shè)定目標(biāo)以300m/s的飛行速度靠近艦艇，雷達(dá)探測(cè)精度為距離80m，角度0.3°，至4km處進(jìn)入雷達(dá)盲區(qū)后，按照以往簡(jiǎn)單外推的方法，目標(biāo)至攔截近界800m時(shí)，位置誤差將達(dá)200m以上。采用上文多點(diǎn)定位方法，保證輸出角度誤差不大于0.1°的目標(biāo)方位角和俯仰角。采用投影法處理數(shù)據(jù)后，能夠保證目標(biāo)在800m處時(shí)位置誤差不超過120m，大大提高了系統(tǒng)的攔截能力。

3 小結(jié)

隨著軍事對(duì)抗技術(shù)的不斷突破，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)將承擔(dān)越來越重的任務(wù)使命，需要不斷深入探討如何利用艦艇上有限的探測(cè)資源，提取更多有價(jià)值的信息為系統(tǒng)服務(wù)。本文介紹了一些相關(guān)的理論與方法，部分已在工程上實(shí)現(xiàn)，并在裝備中發(fā)揮了相應(yīng)的作用。