對陸攻擊導彈人在回路延時誤差修正方法?

張華英 董受全 隋先輝 王少平

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

水面艦艇具備對陸攻擊能力是目前各國海軍發(fā)展的主要趨勢，裝備艦載對陸攻擊巡航導彈是遠海作戰(zhàn)以海制陸實施精確打擊的重要手段。由于艦載對陸攻擊導彈射程遠、要求精度高，采用的制導方式也不斷向高精度、抗干擾、智能化方向發(fā)展。目前各國裝備的對陸攻擊導彈，其巡航段普遍采用實時高精度的慣性導航系統，并采用衛(wèi)星導航、地形匹配、景象匹配及紅外成像等方式對慣導誤差進行修正，目前發(fā)展較為先進、受到各國青睞的末制導方式主要是紅外成像末制導［1］。在紅外成像制導技術中，對目標的識別主要分為人在回路制導和自動目標識別（ATR）兩大方向，隨著相應技術的成熟發(fā)展，研究也越來越廣泛［2］。如楊俊彥、吳建東等分析了紅外成像制導的發(fā)展現狀及趨勢，總結了制導發(fā)展的關鍵技術［3］；宋福志就ATR與人在回路的選擇做出了相關闡述，并分析了各自的優(yōu)缺點［4］；劉冬、鮮勇等建立了彈地人在回路末制導時延補償改進模型［5］。本文對自動目標識別與人在回路對比分析，針對人在回路時間延遲造成的誤差提出一種解決方法。

2 人在回路的工作過程與特點

人在回路制導通過人工參與的方式對接近目標的導彈進行控制，使導彈精確捕捉目標后穩(wěn)定跟蹤，直至命中；自動目標識別技術通過成像傳感器傳回的圖像，經圖像處理軟件準確、迅速地識別目標。自動目標識別技術雖然可實現導彈武器系統的智能化，但對成像質量、戰(zhàn)場環(huán)境和氣候條件等要求較高，對復雜背景下的陸地目標及實施紅外干擾的目標還難以有效識別，而人在回路制導精度高、適應性強、成本低，因此采用人在回路制導方式是目前紅外成像對陸攻擊導彈的首選。人在回路末制導工作過程：導彈進入末制導階段后，導引頭開機，獲取戰(zhàn)場區(qū)域的實時紅外圖像，并通過上行數據鏈將圖像傳輸至發(fā)射平臺，由平臺的數據接收設備接收紅外圖像，操作手通過屏幕搜索、識別目標，對特定的瞄準點鎖定，之后再通過下行數據鏈將導彈控制指令傳送至導彈，驅動導引頭對目標進行跟蹤，逐步減小導引頭視線誤差角，使導引頭光軸最終與目標視線重合，一旦導引頭鎖定目標，彈載計算機圖像處理系統將鎖定的目標紅外圖像作為模板保存起來，接下來通過圖像匹配的方式對目標實施跟蹤，直至精確命中目標。在導彈自動跟蹤目標過程中，一旦目標丟失，還可以通過人在回路的方式重新對目標搜索、識別、跟蹤，并可以對毀傷效果進行評估［6］。

人在回路的優(yōu)勢：識別正確率高，虛警率低；對復雜背景下的目標、偽裝目標、復雜目標的適應性強；可識別非連續(xù)場景中的目標，對圖像的質量要求適中；可并行處理多模成像傳感器的多波段圖像；可攻擊移動目標；對于瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢，具有對任務重新規(guī)劃、重新選擇目標、重新建立打擊的能力；可實時獲取戰(zhàn)場態(tài)勢及毀傷圖像，為進行有效的戰(zhàn)場毀傷評估提供依據［7］。

人在回路的劣勢：人在回路制導方式需要人工干預操作，增加了武器操作員的工作負擔；彈載發(fā)射與接收設備容易受到敵方干擾，特別是對于遠程對陸攻擊巡航導彈；制導、組織指揮過程復雜；數據鏈遠距離傳輸會對制導指令造成一定的時間延遲［8］。

3 人在回路延時修正方法

在對陸攻擊巡航導彈末段采用紅外成像+人在回路末制導實施攻擊時，由于傳感器攝取的紅外圖像經解壓縮、衛(wèi)星數據鏈傳輸、數據加解密、人工操作、控制指令運算等過程，指揮系統向導彈發(fā)送的目標指示信息會有一定的時間延遲，因此，有必要對人在回路時延造成的目標誤差進行修正［9］。人在回路引起的時延包含兩部分，一是人工操作、反應造成的人工捕控時延，二是由紅外圖像、制導指令經數據鏈傳輸而產生的圖像/指令傳輸及處理時延［10］。

以采用人在回路制導方式的紅外成像對陸攻擊導彈為背景，對人在回路造成的時間延遲進行研究，并引入二次時間延遲修正方法：由于艦載對陸攻擊巡航導彈在巡航段飛經海面、陸地多種地形，航路規(guī)劃較為復雜，因此慣性導航系統隨時間的累計誤差逐漸增大，導引頭光軸與目標視線偏離逐漸增大，需要對初始導引量進行一次延時修正，預測經時間Δt后導引頭光軸與目標視線夾角并修正，為達到充分減小延時誤差的目的，以一次修正后的誤差角為初始導引量進行二次修正，并通過三角函數計算修正后的彈著點與目標之間的誤差。在一維情況下，分別對水平誤差ssw和高度誤差sgw計算，可得到導彈命中誤差sw。在此種修正方法中，做出如下兩點假設：

第一，當導彈進入末制導階段后，導彈在收到導引指令前與執(zhí)行完指令后將沿直線飛行；

第二，由于慣導短時精度高，所以慣導測出Δt時間內的導彈相對位置距離等于導彈真實的相對位置距離。

導彈自位置A傳回紅外圖像，經時間Δt目標指示信息傳回導彈數據接收設備并控制執(zhí)行機構，導彈飛至位置B。AD為導引頭視場中心線，DE為視場在目標平面內的半寬，A?為導彈初始時刻慣導測量位置，B?為經Δt后慣導測量位置。φ1為導彈在位置A時刻的導引量，φ2為導彈在位置B時刻的導引量，s1為位置A與位置B之間的相對距離，s2為在位置B時導彈在導引頭視場中心線上的位置與經過目標的縱平面的垂直距離，s3即DM為導引頭視場中心線與目標間的水平距離（即導彈落點的橫向誤差）； s4與s5分別為導彈在位置B與位置A時刻距目標的距離，如圖1所示。

導彈在位置A回傳信息至發(fā)射平臺與在位置B收到目標的指示信息之間的延遲時間大約為0.1s～1.0s之間，所以可以將α?看成小量，從而得到=α［11］。如圖 1 所示，可得到近似公式如下：?= φ1，=s1

由圖中三角關系解算，可得導彈在位置B的導引量為

其中s5、φ1可直接測得，s1可根據導彈速度與Δt求得。

經一次誤差修正后導彈落點距目標的水平誤差為

在一次修正的基礎上，以修正后的導引量為初始導引量，進行二次修正：

求得目標水平誤差ssw，以提高人在回路控制的精度。采用本延時修正方法計算出導彈在高度上的誤差，并進行二次修正得到目標高度誤差sgw，然后通過下式得到導彈落點距目標的誤差：

4 人在回路誤差修正仿真

用Matlab進行了仿真。仿真條件如下：導彈初始導引量=3°，速度 v=250m/s，導彈在末端的加速度為3g，時間延遲Δt=1s，給定初始導彈慣導測量位置離目標的距離為0km～20km。［12］

4.1 初始導引量對誤差的影響

當導彈距目標的真實距離不變時，初始導引量與目標水平誤差關系如圖2所示。

由圖2可知，在水平方向上的初始導引量越大，目標水平誤差越大，而經過二次延時修正后，目標水平誤差基本為零。同理可知目標高度誤差及目標命中誤差經二次延時修正后，誤差基本為零，二次延時修正方法對不同初始導引量下的目標命中誤差有較好的修正效果。

4.2 彈目真實距離對誤差的影響

當導彈與目標距離小于1km時，二次延時修正方法隨著距離的減小，慣導測量誤差對精度的影響比重會越來越大，從而導致目標橫向偏差增大。

當導目真實距離在1000m以下時，不再進行二次延時修正方法修正，主要考慮以下原因：二次延時修正在仿真計算中至少需要2s以上的時間，即大約需要560m的方法解算距離，且根據仿真結果距離小于850m時誤差有突變趨勢，所以在1000m以下時使用延時修正方法解算目標命中誤差已經沒有實際意義，如圖3所示。

當初始導引量不變時，導彈距目標真實距離s5與目標水平誤差關系如圖4、5所示。

由圖4、圖5可以看出，隨著導彈與目標真實距離的增大，未加延時修正時目標水平誤差隨著導彈與目標距離的增大由0m～1000m以上，經一次延時修正后，誤差小于3m并保持穩(wěn)定，經二次延時修正后，目標水平誤差基本為0。由此可見，經二次延時修正法修正后，目標命中誤差明顯變小，導彈的命中精度顯著提高。

5 結語

本文以艦載對陸攻擊導彈為研究背景，分析紅外成像條件下的人在回路制導工作過程，針對人在回路數據傳輸及處理存在時間延遲的問題提出了二次延時誤差修正方法，使用Matlab對此方法進行仿真，得到修正后初始導引量與目標命中誤差的關系，以及彈目距離與導彈命中誤差的關系，并將一次修正與二次修正對比分析，一次修正后誤差小于3m，二次修正后誤差基本為0，可見該方法在距目標一定范圍之外能夠對時延誤差有效補償。本文在仿真模型假設條件方面與實際武器裝備性能還存在一定差別，需要進一步驗證，但二次時間延遲修正方法對提高艦載對陸攻擊導彈命中概率具有一定借鑒意義。

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