輻射控制條件下直升機多機傳感器協(xié)同探測方法

張宏斌，鞠艷秋，齊 馳，張少杰

(陸軍航空兵學院，北京 101123)

0 引言

機載雷達作為現(xiàn)代直升機主要探測傳感器之一，可遠距離的對目標精確定位、跟蹤，從而實現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊。然而，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的日趨復雜，各種反雷達措施使得機載雷達的生存環(huán)境受到了嚴重的威脅和挑戰(zhàn)。當雷達關閉后，直升機探測性能大幅下降。為此，許多學者針對輻射控制條件下雷達的控制和使用進行了卓有成效的研究。文獻[1]基于協(xié)方差控制的思想，提出了一種自適應功率分級控制的目標跟蹤算法，該算法可以根據(jù)目標距離的遠近自適應地設計輻射的功率，進一步提高雷達的射頻隱身性能。文獻[2]建立了以雷達輻射峰值功率和駐留時間為控制參數(shù)，以檢測概率和截獲概率為目標的多目標優(yōu)化模型，并設計了改進非支配排序遺傳算法進行優(yōu)化求解。上述方法雖然對機載雷達的射頻隱身性能優(yōu)化，但是未考慮多機傳感器協(xié)同條件下的目標探測，具有一定的局限性。文獻[3—5]提出了雷達-紅外協(xié)同探測方法，該方法能夠滿足多機協(xié)同下，在雷達能夠進行探測情況下多傳感器協(xié)同使用；但需保證雷達工作在高精度探測模式，即如果該雷達進入敵方電子戰(zhàn)探測范圍，則只能通過控制雷達發(fā)射功率降低被截獲概率，因此其效能將大大下降。文獻[6—8]又提出了雙機紅外協(xié)同探測方法，該方法基本上實現(xiàn)了“無線電靜默”，被截獲概率會大大降低；但由于紅外探測傳感器本身特性，其使用有一定的限制條件，即當雙機與目標相對位置滿足一定要求時，才能實現(xiàn)對目標的準確跟蹤定位。

以上輻射控制條件下多傳感器協(xié)同探測方法各自具有其單一性和局限性，無法隨戰(zhàn)場態(tài)勢變化實現(xiàn)既降低被截獲概率又達到目標探測精度要求。針對此問題，本文提出了一種輻射控制條件下直升機多機傳感器協(xié)同探測方法。

1 協(xié)同探測流程及方法

實際作戰(zhàn)過程中，作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)任務、目標條件等時刻發(fā)生改變，當任何一個因素發(fā)生改變就有可能觸發(fā)輻射控制。但不同條件觸發(fā)的輻射控制類型不同，具有各自的特點，需要采取相應的方法以滿足簡單、高效地完成輻射控制條件下多機傳感器協(xié)同探測。因此，需基于實際作戰(zhàn)需求提出輻射控制條件下多機傳感器協(xié)同探測流程。該流程根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，以探測精度和傳感器位置作為約束條件，當觸發(fā)不同約束條件后進入不同的協(xié)同探測模式。具體流程如圖1所示。

圖1 輻射控制條件下多機傳感器協(xié)同探測流程Fig.1 Helicopters sensors coordination detection process in the case of radiation control

由圖1可見，在該流程中首先對他機傳感器工作狀態(tài)進行判定。由于是在輻射控制條件下，且在本機雷達關閉情況下，將他機雷達作為主要探測傳感器。因此，首先對他機雷達是否處于被探測范圍之外進行判定，若滿足條件則進入他機雷達-本機紅外協(xié)同探測模式，并對探測精度進行判定，精度不滿足需求則重新進行他機雷達選取，直至無探測范圍外的他機雷達。此時，進入雙機紅外協(xié)同探測模式。在該模式中，雙機位置對探測精度影響較大，因此需對協(xié)同探測結果進行判斷，若精度不滿足要求則重新選擇他機紅外傳感器。若無滿足條件的他機紅外傳感器，則退出協(xié)同模式。

在他機雷達-本機紅外協(xié)同探測模式下，若有多架他機滿足協(xié)同要求，則需進行排序。主要依據(jù)為他機對目標可靠跟蹤效果。文獻[9]指出，雷達對目標跟蹤效果可用濾波誤差協(xié)方差描述：

(1)

雙機紅外協(xié)同探測過程中，一般以最優(yōu)交會角精度理論衡量其協(xié)同探測效果，主要方法有三種，分別是基于圓概率誤差的定位配置、基于定位模糊區(qū)的定位配置以及基于相對誤差的定位配置。其中，圓概率誤差定位主要適用于雙機交叉定位，其前提條件是雙機與目標成近似等腰三角形分布，雙機與目標距離比：D1/D2在1～1.2附近，且交會角β絕對值處于90°～θ/2和90°之間[7]。當進行他機選擇時，他機與本機和目標相對位置進行選擇，其選擇條件為三者盡量構成近似等腰三角形，交會角不大于90°。他機選擇方法同樣通過設置約束條件，使用遍歷算法進行選擇。

2 協(xié)同探測中傳感器融合算法

本文中涉及到雷達-紅外協(xié)同和雙紅外協(xié)同兩種不同的傳感器協(xié)同探測模式，因此有必要選擇不同的融合算法解決傳感器的信息融合問題。

2.1 雷達-紅外協(xié)同探測信息融合

由于機載紅外傳感器提供目標的角度信息，而雷達提供目標的徑向距離和角度信息。有了與雷達觀測同步的紅外傳感器觀測信息之后，便可以進一步將該信息與雷達的目標方位信息進行融合。

(2)

(3)

(4)

(5)

rIR(k)=rR(k)

(6)

(7)

2.2 雙紅外協(xié)同信息融合

設有兩個傳感器S1和S2,它們同時跟蹤同一目標，傳感器與目標的相對位置如圖2所示。

圖2 目標的三角定位圖Fig.2 Triangulation location diagram of targets

圖2中，坐標系為笛卡兒坐標系，x、y、z軸的正方向分別為東、北、天方向。O1、O2分別為S1和S2所處位置,T為目標的位置。d、d1分別表示兩傳感器之間距離和水平距離，R1、R2為目標相對于兩傳感器的斜距，θ1、θ2和ρ1、ρ2分別表示兩傳感器的方位角和仰角。其中方位角的定義為：在水平面內(nèi)，由x軸的正方向沿逆時針方向旋轉到目標斜距在水平面內(nèi)的投影線所形成的角度。設S2的海拔高度比S1高，以S1所在的水平面為基準平面，由O2向基準平面做投影O3，再由T向基準平面做投影T1，且O2B⊥TT1，θ為射線O3O1與x軸正方向的夾角。由于O1，O2在系統(tǒng)坐標中的坐標已知，所以d1和θ為已知。

夏日里，蔣海峰回老家，帶水仙芝一起游雙峰山，放飛心情，向山谷大聲呼喚，向藍天白云傾吐了愛意。他倆手牽著手，穿過茂密的竹林，并肩躺在青山之上。

在ΔT1O3O1中，∠T1O3O1=θ2-θ，∠O3O1T1=180°-θ1+θ，∠O1T1O3=θ1-θ2。

根據(jù)正弦定理有：

(8)

進而可得：

(9)

可見，T對于S1、S2的距離信息得到了補償。

通過三角定位，T在分別以O1、O2為坐標原點的笛卡兒坐標系中的坐標為：

(10)

則容易求出T在系統(tǒng)坐標中的坐標值。

(11)

這樣得到的定位結果可通過坐標旋轉和坐標平移即可變換到系統(tǒng)坐標系中。最后通過融合兩個位置數(shù)據(jù)，得到更為準確的目標定位信息。

3 仿真驗證

3.1 仿真場景

多架直升機對同一目標執(zhí)行探測任務，直升機和目標的視距與視角的幾何位置關系圖如圖3所示。

圖3 直升機與目標的位置關系圖Fig.3 Position diagram of helicopters and targets

直升機群由直升機A、直升機B、直升機C組成。直升機A、B上的機載傳感器為雷達、紅外，直升機C上的機載傳感器為紅外。同時，設定對目標探測精度閾值為RMSE<200。

3.2 模型參數(shù)設置

機載傳感器類型分別為雷達傳感器、紅外傳感器、激光傳感器。仿真中，雷達、紅外和激光傳感器的工作參數(shù)如表1所示，不同探測距離范圍內(nèi)的控制周期如表2所示。

表1 雷達、紅外傳感器的工作參數(shù)表Tab.1 Working parameters of radar and infrared sensors

表2 雷達、紅外傳感器控制周期設置Tab.2 Control cycle setting of radar and infrared sensors

3.3 仿真結果

雷達-紅外協(xié)同：直升機A使用機載雷達和紅外傳感器進行協(xié)同探測，協(xié)同探測前后的RMSE如圖4所示。

圖4 量測值上的RMSEFig.4 RMSE of detection value

由圖4可見，未進行協(xié)同探測前，在x、y、z三個軸向上的RMSE(圖中虛線所示)最大值均超過200(探測精度設定閾值)，因此不能滿足探測需求。通過雷達協(xié)同探測后，對目標的定位精度在三個軸向上均有不同提升，其中，x、y軸向上的RMSE最大值降至180，z軸向RMSE最大值降至140，各軸向探測精度均滿足探測閾值要求。同時，由于雷達能夠提供徑向距離信息，因此在z軸上的探測精度提高更為明顯。該結果與2.1節(jié)分析一致，說明在多機協(xié)同探測過程中，機載紅外傳感器只能測量目標的俯仰角、偏移角信息，因此存在信息缺失，此時利用異類傳感器融合策略定位目標，通過多傳感器信息融合，彌補了目標的量測缺失信息，較大地減少量測誤差，實現(xiàn)了對目標的較精確定位。

雙紅外協(xié)同：直升機A進入雷達輻射控制階段，此時由機載雷達和紅外傳感器切換完成對目標的跟蹤，選定直升機C的機載傳感器為紅外傳感器，此時多機融合前后的RMSE如圖5所示。

由圖5可見，探測過程中直升機A通過輻射控制策略使用本機雷達和機載紅外傳感器協(xié)同探測。控制策略為：根據(jù)期望誤差協(xié)方差求出滿足跟蹤精度的雷達最小功率等級，且為確保該等級功率不會被敵方所探測到，求出敵方探測系統(tǒng)的功率截獲概率，當截獲概率超過直升機A所允許閾值，則立即關閉機載雷達，繼續(xù)使用機載紅外傳感器。由于受雷達間歇關閉影響，x、y、z三個軸向上的RMSE(圖中虛線所示)最大值均大于200，超過了所設定的探測精度閾值，即跟蹤精度無法滿足探測需求。

圖5 量測值上的RMSEFig.5 RMSE of detection value

因此，轉入雙紅外協(xié)同探測階段，即直升機A使用機載紅外傳感器對目標進行探測時，由直升機C的紅外傳感器進行協(xié)同，協(xié)同過程中采用改進三角定位的方法對目標的位置進行精確定位。協(xié)同探測后目標定位精度如圖5實線所示，x、y、z三個軸向上的探測精度均有提升，RMSE最大值均小于200，滿足探測需求。該結果與2.2節(jié)分析一致。由此可見，通過雙紅外協(xié)同探測彌補了缺失信息，提高了對目標的跟蹤能力。

分別對雷達-紅外協(xié)同和雙紅外協(xié)同兩種方法在各方向定位偏差RMSE進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 兩種方法定位精度對照表Tab.3 Position accuracy comparison of the two methods

由表3可見，采取不同的協(xié)同探測方法，其定位精度結果會有所偏差。異類傳感器協(xié)同探測三個方向平均RMSE為164，同類傳感器協(xié)同探測三個方向平均RMSE為158，可見同類傳感器在信息融合過程中略占優(yōu)勢。但由于雷達和紅外在探測信息上能夠互補，因此雷達-紅外協(xié)同過程中，z軸精度提升較大。在實際探測過程中，可根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境及對目標探測需求進行相應選擇。

4 結論

本文提出了輻射控制條件下直升機多機傳感器協(xié)同探測方法。該方法以探測精度和被截獲概率為約束條件，建立了直升機多機傳感器協(xié)同探測流程。根據(jù)約束條件分別采用雷達-紅外協(xié)同探測和雙紅外協(xié)同探測，并分別給出了雷達-紅外信息融合算法和雙紅外信息融合算法。仿真驗證表明，該方法在戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)生變化的情況下，根據(jù)約束條件選擇相應的協(xié)同探測手段，既能降低被截獲概率，又能滿足目標探測精度要求。對于協(xié)同作戰(zhàn)背景下，直升機多機傳感器協(xié)同管理與控制具有一定的參考價值。但是，由于戰(zhàn)場態(tài)勢的復雜性和多變性，本文設置的約束條件尚存在一定不足，有待進一步研究。