基于紅外量測信息的目標機動估計方法

2019-08-21 08:44:36王炎舜

指揮控制與仿真 2019年4期

栗飛,王炎舜,龔錚

(1.海軍駐洛陽地區軍事代表室，河南洛陽 471009;2.中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

紅外制導導彈由于其測量器件的限制,只能得到彈目視線角及視線角速度測量信息,而現代制導律為了改善制導回路的性能,通常需要目標的機動信息。因此,提高目標機動估計精度,已成為制約紅外制導導彈性能提升的核心問題。

基于角量測量的狀態方程與量測方程存在非線性關系[1]。但若采用擴展Kalman(EKF)與粒子濾波(PF)技術等非線性估計方法,又極大地增加了模型的復雜性與運算量。因此,還需進一步研究以線性模式為基礎的目標機動估計算法[2]。針對上述問題,本文設計了一種遞推的Kalman濾波器，通過構造慣性空間視線角估值殘差,進一步得到彈目相對位置的線偏差,實現對目標機動信息的精確估計,并通過仿真驗證了算法設計的正確性。

圖1 運動模型示意圖

1 卡爾曼濾波器

由于導彈自身的位置、速度、加速度可由捷聯慣導獲得,因此Kalman濾波觀測器中只考慮選取3個狀態[3],即

(1)

系統狀態方程為

(2)

(3)

卡爾曼濾波由增益更新方程和狀態更新方程兩部分構成[4],卡爾曼濾波的相關方程為

協方差預測方程

(4)

狀態預測方程

xk/k-1=Φkxk-1+Gkuk-1

(5)

增益運算方程

Kk=MkHT(HMkHT+Rk)-1

(6)

協方差估值方程

Pk=(I-KkH)Mk

(7)

狀態估值方程

xk=xk/k-1+Kk(zk-zk/k-1)=

Φkxk-1+Gkuk-1+Kk(zk-HΦkxk-1-HGkuk-1)

(8)

進一步展開有

(9)

其中，

2 基于紅外制導的線偏差量測方程

圖2 彈目相對關系示意圖

由圖2,可以得到

(10)

取R≈R*則上式可表示為

(11)

其中,q為導引頭視線角的量測值，可直接得到。

(12)

紅外制導導彈近距格斗場景下,目標速度沿彈目視線方向的變化量較小,進行簡化運算,即

(13)

式(13)中,R*的初值R0、目標沿視線方向速度初值VxT-Los0由載機提供,并設在整個飛行過程中VxT-Los=VxT-Los0,Vxm-Los根據捷聯慣導輸出的導彈速度、姿態以及導引頭輸出的高低、方位角計算,t0為導彈發射初始時間、tf為導彈自主飛行時間。

將式(12)(13)求解結果代入式(11),可得到彈目相對位置yk。

3 仿真驗證

本文建立了包含目標運動及簡化導引頭穩定平臺動力學的制導系統仿真模型，如圖3所示。仿真中設定導彈初始發射速度為Ma=0.8,正尾后攻擊目標,發射時刻彈目距離為3 km,目標速度為Ma=0.8,發射后以aTc=6 g的加速度作常值機動(機動時間常數Tt為1 s)。

圖3 仿真模型示意圖

圖4 導引頭仿真模型

卡爾曼濾波所需的彈目相對位置、相對速度等狀態量由飛行任務裝訂信息獲得;量測量由導引頭輸出的失調角、框架角,彈載捷聯慣性輸出的姿態角,以及彈目距離估值信息等構建,Kalman濾波通過迭代運算,完成對目標機動等狀態的估計[6]。在仿真中,設定加速度初值aT0為零,設定過程噪聲10 000(m/s2)2,量測噪聲0.01 m2,圖5～圖7給出了對目標機動過載、相對速度及相對距離估計結果。