紅外成像導引頭抗紅外誘餌彈動態干擾試驗系統構建*

韋 卓,黃建忠

(中國兵器工業試驗測試研究院, 陜西華陰 714200)

0 引言

紅外制導是當今紅外技術的重要軍事應用,是非常有效的精確制導技術。因為紅外成像探測技術具備抗干擾能力更強、目標識別精確度更高、可靠性更高等優勢,已然成為現代紅外制導武器最受青睞的關鍵技術之一[1],比較典型的有美國的AIM-9X、英國的ASRAAM、以色列的Python等[2]。

但是有矛就有盾,紅外干擾手段的廣泛使用,使紅外制導導彈作戰效能面臨嚴重挑戰[3],其中紅外誘餌彈是最早使用的人工干擾手段,至今仍是紅外導彈最重要的威脅,已經發展到了3～5 μm 和8～14 μm波段,對紅外導彈的作戰效能產生巨大威脅[4]。

為了考核紅外成像導引頭抗紅外誘餌彈干擾能力問題,行業內一般采用兩種方法:一種是室內半實物仿真試驗,以軟件模型為基礎,通過光電模擬器生成試驗背景及紅外干擾彈的光電圖像注入給導引頭或者投影到反射幕上[5-6],這種方法的缺陷是由模型生成的試驗背景、紅外靶標及紅外干擾彈的光電圖像和飛行試驗中不一致,對模型精度依賴較大。另一種是靶場實彈飛行試驗方法,在靶場地面或空中布設靶標,在靶標一定范圍內布設紅外誘餌彈,試驗時紅外成像導彈攻擊靶標,紅外干擾系統偵測到來襲導彈后按照預定程序拋灑紅外誘餌彈,對來襲導彈進行干擾,這種方法的缺陷是試驗成本很大,試驗難度高,而且導彈和靶標及紅外誘餌彈接近的過程中,難以獲取導引頭視場中的圖像,對分析導引頭抗紅外誘餌彈干擾能力難以形成直接的分析數據。為了克服現有試驗手段的不足,文中構建了一種采用三軸轉臺結合火箭橇的試驗方法,達到了考核紅外成像導引頭抗紅外誘餌彈動態干擾能力的目的。

1 試驗系統構建

紅外干擾彈實施干擾時,形成與被保護目標相似的空間紅外輻射輪廓及強度分布,仿制一個與被保護目標相似的紅外假目標,使紅外成像制導系統無法分辨出真假目標,達到干擾紅外成像制導導彈的目的[7-8]。

為了較為逼真的模擬紅外成像導引頭和紅外誘餌彈對抗場景,試驗系統采用三軸轉臺和火箭橇相結合的方式。將導引頭安裝在三軸轉臺上,模擬導彈飛行過程中的姿態運動;試驗過程中目標(火箭橇)和干擾物(紅外誘餌彈)置于外場環境中,極大程度地接近了飛行試驗中的試驗背景環境;火箭橇由遠及近接近導引頭,模擬彈目接近過程中的距離和速度變化。紅外誘餌彈安裝在火箭橇上,按照預定速度和位置進行拋灑,模擬飛行試驗中誘餌彈的拋灑位置、拋灑速度和拋灑形狀。

試驗時采用時統裝置,給轉臺和火箭橇同時發送啟動和點火指令?；鸺涟凑疹A定彈道在軌道上運行,轉臺上位計算機根據火箭橇的理論運動彈道,換算成轉臺運動角度,并對轉臺運動角度進行平滑處理,解決轉臺啟動時刻因為振動而自保護的問題。轉臺承載導引頭指向火箭橇并對其實時跟蹤拍攝。紅外誘餌彈在預定地點以預定速度進行拋射,紅外導引頭將試驗過程中所拍攝到的紅外圖像實時存儲到存儲器中。試驗系統原理圖和場景示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 試驗原理圖

圖2 試驗場景示意圖

2 關鍵問題解決方案

該試驗系統在構建過程中,遇到的兩個關鍵技術問題是如何保證轉臺能夠跟蹤火箭橇,以及轉臺在啟動時刻的超調和振動問題。通過火箭橇彈道-轉臺角度航跡轉換算法和自抗擾算法,最終解決這兩個技術難題。

2.1 航跡轉換

為了保證試驗過程中轉臺能夠根據火箭橇的理論彈道,承載導引頭對火箭橇實時跟蹤拍攝,需要使用航跡轉換算法把火箭橇的線運動航跡轉換成轉臺跟蹤的角運動航跡,轉換公式推導如下:

在北京54坐標系下,規定正北方向為x軸正向,垂直于正北方向為y軸,正東方向為正方向,使用高精度差分GPS測得火箭橇軌道終點位置坐標為(x0火,y0火),火箭橇軌道中間位置坐標為(x1火,y1火),轉臺回轉中心坐標(x0轉,y0轉),距轉臺最少兩公里以外的一個標桿坐標(x標,y標),火箭橇軌道與正北方向夾角為θ火,則:

根據反三角函數,可知:

將轉臺從機械零位手動順時針轉到內框軸線正對標桿,將該轉動的角度記為θ,則轉臺從機械零位轉動到內框軸線正對正北方向的角度θ北為:θ北=θ-θ標。

火箭橇的理論彈道是運動距離和時間的關系,根據理論彈道,可以使用火箭橇發射點與軌道終點的距離減去火箭橇在任意時刻運動的理論距離,計算出任意時刻火箭橇距離軌道終點(x0火,y0火)的距離L,則試驗開始后任意時刻火箭橇在轉臺坐標系下的相對坐標為:

轉臺從內框軸線正對正北方向跟蹤火箭橇上運動目標的跟蹤角位移為:

從轉臺機械零位順時針轉到內框軸線正對火箭橇任意位置的角度θ任為:

θ任=θ北+θ轉

則火箭橇運動到軌道上任意一點時,轉臺從機械零位轉動θ任即可跟蹤火箭橇。

2.2 轉臺跟蹤角度平滑

轉臺根據航跡轉換算法解算的理論轉動角運動時,在啟動時經常發生超調和振動問題,導致轉臺無法正常啟動。采用自抗擾算法對理論彈道進行平滑,可以有效解決這一問題。

自抗擾算法采用自抗擾跟蹤微分器對輸入信號進行平滑,微分以滿足控制器的性能指標。根據試驗要求,將經過航跡轉換后的轉臺角航跡作為輸入信號,經過自抗擾跟蹤微分器進行平滑及微分后輸出新的轉臺角航跡,作為控制轉臺動態跟蹤目標的理論航跡。

在經典控制理論中,常需用到輸入信號的微分信號。由于微分器物理不可實現,故常采用一階慣性環節替代:

(1)

(2)

(3)

從式(3)可以看到,輸入的微分信號疊加入隨機噪聲信號,τ值越小,系統輸出信號的隨機噪聲就越被放大。在實際工程應用中無法采用這種信號。為減弱輸出信號的噪聲放大問題,改用另一種微分公式:

(4)

利用慣性環節1/(T1s+1)和1/(T2s+1)來獲取延遲信號v(t-T1)和v(t-T2),則有:

(5)

設二階系統為:

(6)

(7)

此推論過程可以推廣到高階系統,并且其解也要滿足上述條件。這樣可以保證有解并且解能收斂于原點。適當調節參數r的值,x1(r,t)將以一定精度逼近于v(t),參數r的值越大,其跟蹤精度就越高。對應二階積分串聯型系統,數學表達式如下:

(8)

其“快速最優控制系統”綜合系統為:

(9)

sign()為符號函數。

將x1(t)改寫成x1-v(t),得到關于輸入信號v(t)的二階最速跟蹤微分器:

(10)

用跟蹤微分器式(10)進行數值計算,進入“系統穩定”時容易產生“高頻顫振”,為此,可對“跟蹤微分器”離散化,得到離散形式的快速跟蹤微分器如下:

(11)

(12)

式中(12)有兩個可調參數r,h0。r能夠對跟蹤微分器的跟蹤速度產生影響,又稱“速度因子”,r越大跟蹤越快,跟蹤精度越高。h0對噪聲起濾波作用,稱作離散快速最優跟蹤微分器的“濾波因子”,一般是采樣步長的整數倍;h為離散系統的采樣步長。fhan()為最優控制函數。

轉臺理論角航跡θ任作為微分跟蹤器的輸入信號通過式(12)進行平滑濾波后可得出轉臺實際跟蹤目標的運動航跡。沒有經過自抗擾平滑和經過自抗擾平滑后轉臺的加速度仿真圖如圖3所示。圖3(a)是沒有經過平滑的轉臺加速度,其在±2 800°/s2之間振蕩,發生了嚴重的超調和振蕩,轉臺根本無法啟動;圖3(b)是經過自抗擾平滑后的轉臺加速度,最大加速度≤700 °/s2,沒有發生超調和振蕩,而且也在轉臺的加速度指標范圍之內,轉臺可以正常轉動。

圖3 轉臺角加速度對比圖

3 結束語

在傳統測試中,紅外成像導引頭的抗干擾能力靜態測試指標比較容易獲得,但很難準確獲取各種復雜干擾環境下的動態性能指標,而紅外成像導引頭的抗干擾動態性能指標是決定其好壞的重要指標。文中為評價紅外成像導引頭抗紅外誘餌彈干擾能力構建了一種方便易實施的試驗系統,并且該系統已經多次應用到多型紅外成像制導導彈抗紅外誘餌彈干擾試驗中,為紅外制導導彈改進抗干擾設計提供了大量真實數據。