圖像導引頭搜索方案研究*

陳 韻,王 根,苗昊春,常 燕,嚴憲軍

(1 西北工業大學航天學院,西安 710072;2 西安現代控制技術研究所,西安 710065;3 火箭軍工程大學,西安 710025)

0 引言

圖像制導導彈發射后,經過初始段和中制導段飛行,進入目標截獲階段。圖像導引頭對目標的截獲至關重要,為保證射手能發現、跟蹤、鎖定目標,截獲概率應基本接近1,即進入導引頭識別距離后,目標應能出現在圖像視場中。由于導彈在初始段和中制導段飛行過程中存在各種測量誤差、控制精度等因素的影響,實際彈道與理想彈道有較大的偏差,將影響導引頭對目標的截獲,需要設計合理的搜索掃描方案以提高截獲概率。

1 圖像導引頭對目標的截獲

圖像制導導彈發射后一般在幾十米到幾百米高度上平飛,將導引頭拍攝到的地面圖像實時傳回發射平臺,射手在監視器屏幕上尋找目標,當發現目標后,發送指令手動跟蹤目標并鎖定,之后系統轉入自動跟蹤。根據圖像導引頭“人在回路”的工作特點,只有當目標位于導引頭瞬時視場之中,停留足夠長的時間,且與導引頭的距離小于識別距離時,射手才能識別和捕獲目標,導引頭視場大小與識別距離直接影響導引頭對目標的截獲概率。

從搜索截獲的角度來看,既要求導引頭可靠識別距離足夠遠,還希望視場足夠大。但從導引頭設計的方面說,只有減小視場才能提高識別距離。為平衡識別距離與視場大小的矛盾,提高導引頭的截獲概率,可通過增加搜索方案來提高視場的覆蓋率。

圖像導引頭的搜索方案根據其工作特點,設計時需要綜合考慮的因素包括:

1)結合截獲概率要求及導引頭的視場大小和識別距離等性能指標,確定需要搜索的視場寬度。

2)由于圖像導引頭對目標的截獲以“人在回路”為特點,搜索方案設計需要考慮視覺問題,即搜索過程圖像移動、變化對射手識別目標帶來的不利影響。

3)對設計的搜索方案應進行全面的仿真分析,確保目標在視場中有足夠的停留時間,且避免出現搜索盲區。

2 圖像導引頭搜索方案設計

2.1 圖像導引頭搜索方案概述

為保證在中制導段目標能夠出現在導引頭視場范圍內,設計導引頭搜索方案使導引頭能指向目標區域[1-4]。最基本的搜索方案是“凝視”方案,即讓導引頭的光軸始終指向目標,如圖1所示。

圖1中:M為導彈;h為導彈飛行高度;T為目標;Rmt為彈目距離;?s、ψs分別為導引頭俯仰、偏航視場角,期望導引頭光軸沿MT方向。導引頭俯仰方向光軸與基準線夾角為:

qv=arcsin(h/Rmt)

(1)

此時瞬時視場縱深為:

(2)

瞬時視場寬度:

W=|AC|=2×Rmt×tan(ψs/2)

(3)

理想條件下,按照凝視搜索方案,目標始終出現在導引頭的視場中心。

由于飛行過程中存在各種誤差,彈道及目標有一定的散布,會帶來凝視方案指向的偏差。為擴大視場范圍,需要增加掃描方案。對于圖像導引頭,在工程上一般采用側向一維搜索方式,即以凝視為中心,側向進行“一”字型掃描,該方案既保證導引頭指向目標區域,又實現圖像的連續變化,減小掃描過程對射手識別、跟蹤目標的不利影響。

2.2 搜索視場寬度設計

假設導引頭對目標截獲的事件X滿足正態分布,即X～N(μ,σ2),則截獲概率可以表示為[5]:

PX=P{μ-σ≤X≤μ+σ}=

φ(σ)-φ(-σ)=2φ(σ)-1

(4)

結合武器系統的精度分析,可以得到中制導結束時彈目綜合散布:高度方向為Δpitch,方位方向Δyaw。根據式(4)可以分別求得導引頭在俯仰與偏航方向的截獲概率Ppitch、Pyaw:

(5)

式中：Wpitch、Wyaw分別為俯仰、偏航方向的半視場寬度,可由導引頭俯仰視場角?s、偏航視場角ψs及識別距離Rs解算得到:

Wpitch=Rs×tan(?s/2)Wyaw=Rs×tan(ψs/2)

(6)

則導引頭對目標的截獲概率Pi可以表示為:

Pi=Ppitch×Pyaw

(7)

某圖像制導導彈要求截獲概率大于99.0%,彈目散布誤差為Δpitch=45 m(1σ),Δyaw=80 m(1σ),圖像導引頭視場大小為6°(俯仰?s)×6°(偏航ψs),識別距離為Rs=3 000 m。

根據式(5)～式(7)可以得到不同偏航搜索視場寬度條件下的截獲概率,計算結果如表1所示。從表1結果中可以看出,偏航方向視場采用凝視搜索方案,視場寬度±157 m,截獲概率為95.0%,不能滿足武器系統的指標;需要掃描至±210 m的偏航視場寬度才能滿足截獲概率大于99.0%的要求。為保證射手對目標的有效識別,希望在視場±210 m停留時間大于1 s,因此需要的掃描視場寬度應大于±210 m,初步設計值為±250 m。

表1 不同偏航搜索視場寬度條件下的截獲概率

2.3 掃描開始時刻選擇

根據圖像導引頭的工作原理,在識別距離范圍內的目標在圖像中才能被射手發現、識別,因此只有進入導引頭識別距離后開始掃描才有意義。圖像導引頭的搜索方案一般在識別距離外采用凝視搜索方案,掃描開始時刻的判據為:

Rmt(t)≤Rs

(8)

2.4 掃描速度設計

對于側向一維搜索方式,根據掃描速度不同考慮兩種掃描方案:等角速度掃描及等線速度掃描。

1)等角速度掃描

|ω(t)|=ω0

(9)

式中:ω(t)為導引頭掃描角速度;ω0為選定的掃描角速度。

2)等線速度掃描

|ω(t)|=Vsm/Rmt(t)

(10)

式中Vsm為選定的掃描線速度。

2.5 停留時間

對于圖像導引頭,需要目標在監視器畫面上停留足夠的時間才能保證射手能有效分析、判斷、識別目標,因此停留時間是評價掃描方案的一項重要指標。

為求停留時間,先討論地面上不同位置的點在監視器畫面上存在的條件。設某時刻導彈在地面坐標系[6]中的位置為(xm,h,zm),目標的坐標為(xt,0,zt),地面上的一點P的坐標為(x,0,z)。則該點與導彈的連線在導引頭坐標系中的兩個歐拉角(λ?,λψ)可以表示為:

(11)

(12)

qh=arctan((zt-zm)/(xt-xm))

(13)

當且僅當滿足:

(14)

P點在導引頭的視場中,即出現在監視器的畫面中。以目標側向散布為例,給定一組側向位置值:

z∈[-Δz,+Δz]

(15)

根據式(14),在導彈接近目標的每個時刻計算上述散布范圍內的各點是否在監視器畫面中,將時間累計可以得到各點在監視器畫面中的停留時間。

3 仿真驗證

以某圖像制導導彈為例,對設計的導引頭搜索方案進行仿真對比分析。導彈飛行速度約為170 m/s,飛行高度為180 m,從導引頭識別距離3 000 m開始掃描。分別對凝視搜索方案、定角速度掃描方案(掃描角速度ω0=1.5°/s)及定線速度掃描方案(掃描線速度Vsm=60 m/s)的掃描角速度、掃描線速度、掃描角度范圍、目標側向誤差散布在視場的停留時間進行對比。搜索方案仿真結果對比見表2。掃描特性對比曲線如圖2～圖6所示。

從仿真結果中可以看出,通過側向的掃描,可將原凝視方案下±157 m的視場范圍擴展至±250 m的范圍,在±210 m處的停留時間大于1 s;對于設計的定角速度、定線速度兩種不同的掃描速度方案,掃描特性相當,均能滿足掃描視場寬度、停留時間等的要求。

表2 搜索方案仿真結果對比

4 結論

為提高圖像導引頭對目標的截獲概率,文中對導引頭搜索方案進行研究。

1)根據武器系統的截獲概率要求,分析解算需要掃描的視場寬度。

2)確定搜索方案掃描開始時刻。

3)選擇合適的掃描速度方案,包括等角速度掃描方案和等線速度掃描方案。

4)分析地面上目標散布點在視場中停留時間判據。

對設計的兩種掃描方案進行仿真,并與凝視搜索方案進行對比分析,仿真結果表明兩種方案的特性相當,均能滿足導引頭搜索視場及停留時間的性能指標要求,可通過半實物仿真試驗或飛行試驗進一步驗證射手對掃描速率的適應性。