低空慢速小目標(biāo)攔截系統(tǒng)研究

張建偉，郭會明

（1.北京航天長峰科技工業(yè)有限責(zé)任公司，北京100854；2.航天長峰股份有限公司，北京100854）

0 引 言

低慢小 （LSST）是指飛行高度在1000m以下、飛行速度小于200kil／h、反射截面小于2m2的目標(biāo)。其中200m以下的空域出現(xiàn)的低慢小目標(biāo)，由于體積小、操控簡單、可搭載一定重物，且飛行高度低、地物遮擋多，空軍和雷達(dá)設(shè)備無法覆蓋，成為偵側(cè)和防范的難點。

目前所能見到的低慢小目標(biāo)包括航空模型、動力三角翼、動力傘、三角翼、滑翔傘、航天模型、輕型和超輕型飛機(jī)、輕型直升機(jī)、滑翔機(jī)、熱氣飛艇、熱氣球、懸掛氣球和風(fēng)箏等十幾種。其中管制較難，不易防范的有攜帶傳單或某些危險品的模型飛機(jī)、動力三角翼、動力傘、滑翔傘等。滑翔傘和滑翔機(jī)升空條件復(fù)雜，動力傘獲得途徑有限，因此這4種目標(biāo)中又以航空模型因其隱蔽性強(qiáng)、可獲得性容易、升空突然、易操控、反射截面小成為防控重點和難點。防范處置低空慢速小目標(biāo)干擾破壞，是重大安保活動的世界性難題，突出表現(xiàn)為：管控難，偵測難，處置難。

本文將以實際應(yīng)用系統(tǒng)為背景，分別論述探測系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、攔截系統(tǒng)。

1 探測系統(tǒng)

光學(xué)探測與雷達(dá)探測的選擇：

（1）設(shè)備的工作環(huán)境一般是人口較密集，建筑物較多的地方，目標(biāo)在幾百米至幾公里，那么雷達(dá)的天線將會受到很多高大建筑物返回的雜波，系統(tǒng)將受到較大干擾。

（2）小目標(biāo)的雷達(dá)反射截面小，而光學(xué)探測可以接收目標(biāo)反射的可見光，以及可能的噴氣口等的熱紅外反射，這樣光學(xué)探測將比雷達(dá)清晰得多。

這樣光學(xué)探測就是首選了，可以使用激光測斜距，紅外搜索跟蹤目標(biāo)，用可見光來方便用戶直觀的看到目標(biāo)，進(jìn)行判別。

現(xiàn)階段探測目標(biāo)機(jī)動特性越來越強(qiáng)，飛行速度越來越快，而光電設(shè)備探測距離一般只有幾十公里，這就需要光電系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)。在實際應(yīng)用中，對目標(biāo)的捕獲機(jī)會一般只有一次，一旦目標(biāo)丟失再重新搜索是不允許的。

解決好自動跟蹤的穩(wěn)定性和動態(tài)精度的矛盾是紅外光電探測系統(tǒng)自動跟蹤眾難題中最大的難題。提高增益，系統(tǒng)動態(tài)精度會隨著提高，但是會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，又因為電視波門相對較小，目標(biāo)很容易逃出波門范圍，而使目標(biāo)丟失；調(diào)低增益，系統(tǒng)會更平穩(wěn)，但這樣使系統(tǒng)誤差變大，同時也降低了動態(tài)精度，甚至有可能丟失目標(biāo)。由上述可見，參數(shù)的選擇以及控制好紅外進(jìn)行自動跟蹤都非常重要。

轉(zhuǎn)臺具有扇形搜索功能，可通過扇掃看到實時圖像，但在轉(zhuǎn)臺掃描過程中圖像不僅會隨著轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動出現(xiàn)模糊，而且操作人員也不能凝視觀察監(jiān)控畫面，系統(tǒng)動目標(biāo)自動告警也會出現(xiàn)一定的困難，從而會出現(xiàn)監(jiān)控上的死角。為使監(jiān)控人員能一目了然地縱觀全局，利用轉(zhuǎn)臺角度和視頻圖像的同步信息和圖像配準(zhǔn)技術(shù)，與信號處理組合配合，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的全景成像，能大空域自動處理和提取多各目標(biāo)的實際位置信息，進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)視和搜索。

紅外跟蹤的時時候，系統(tǒng)帶寬比較寬，而在搜索目標(biāo)的時候，系統(tǒng)的帶寬比較窄，帶寬的寬和窄的環(huán)路等效參數(shù)非常不同，又紅外的跟蹤有擾動，加上跟蹤波門比較小，使得在跟蹤和搜索之間進(jìn)行切換變得很復(fù)雜。

目標(biāo)接近了以后，速度高時，切換很不容易。而目標(biāo)在遠(yuǎn)處，速度比較低的時候，切換相對容易。致使目標(biāo)丟失的因素包括目標(biāo)運(yùn)動速度、方向，光照情況以及遮擋（比如炮彈的煙霧）等因素。為了在目標(biāo)飛過障礙物后，能夠?qū)ζ湓俅胃櫤筒东@，實現(xiàn)連續(xù)的跟蹤，就應(yīng)該使用一些合適的外推算法對目標(biāo)后面的速度和坐標(biāo)等進(jìn)行外推。

2 指揮控制系統(tǒng)

指揮控制系統(tǒng)介于探測系統(tǒng)和攔截系統(tǒng)之間，一個指控可以帶多個探測和多個攔截系統(tǒng)，而多個指控接入防控中心。如圖1、圖2所示。

與探測設(shè)備的接口負(fù)責(zé)接收來自探測設(shè)備的可見光，紅外視頻和目標(biāo)搜索的紅外圖片動態(tài)拼接圖，以及心跳，目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。而對探測設(shè)備的控制是由探測系統(tǒng)自己來完成，這樣有利于分工。

圖1 防控總體

指控的顯示控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對探測傳來的各個視頻的顯示。防控態(tài)勢子系統(tǒng)收到多個目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)目標(biāo)類型，目標(biāo)的航路捷徑 （被掩護(hù)對象到目標(biāo)航路水平投影的距離），目標(biāo)到保護(hù)對象所需時間，目標(biāo)的飛行高度，目標(biāo)速度，保護(hù)對象的重要程度，目標(biāo)的機(jī)動性等進(jìn)行威脅評估，得到各目標(biāo)的威脅程度次序提供給操作者決策，操作者使用面板進(jìn)行火力分配。

而與攔截系統(tǒng)的接口一直在接收各個攔截設(shè)備的信息，包括心跳等，收到火力分配命令后，向攔截系統(tǒng)下達(dá)跟蹤命令，對目標(biāo)相對于探測設(shè)備的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對于相應(yīng)攔截設(shè)備的坐標(biāo)，然后發(fā)送給相應(yīng)攔截設(shè)備，對應(yīng)攔截設(shè)備收到目標(biāo)位置數(shù)據(jù)后，網(wǎng)彈指向?qū)⑴c目標(biāo)隨動。

操作員待目標(biāo)進(jìn)入有效攔截區(qū)，適時按下發(fā)射按鈕。這就是整個系統(tǒng)的一般過程。

下面對指控系統(tǒng)比較核心的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，防控信息解算，威脅評估排序三部分進(jìn)行重點說明.

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)變可以分為信息處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和信息顯示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換兩類。信息處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)確定目標(biāo)與探測設(shè)備和攔截設(shè)備的相對位置關(guān)系，將目標(biāo)相對于探測的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)相對于攔截設(shè)備的坐標(biāo)。信息顯示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是負(fù)責(zé)將目標(biāo)與探測設(shè)備和攔截設(shè)備建立一個統(tǒng)一的量測標(biāo)準(zhǔn)，把三者的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到一個顯示界面，比如地圖上。

對于第一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)主要是空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)與球坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。具體模型如圖3所示。

球－直坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式如下

對于目標(biāo)、探測設(shè)備和攔截設(shè)備，他們的直角坐標(biāo)分別是 （Xt，Yt，Zt）， （Xd，Yd，Z－d）和 （Xt，Yt，Zt），目標(biāo)相對探測設(shè)備的俯仰、方位和距離為αd，βd和Dd。目標(biāo)相對攔截設(shè)備俯仰、方位和距離分別是αl，βl和Dl如下關(guān)系

圖2 防控單元

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

即可求出αl，βl和Dl，發(fā)送給攔截設(shè)備。

對于第二種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，我們是已知探測設(shè)備和攔截設(shè)備的大地坐標(biāo)，主要是將目標(biāo)相對于探測的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)。這個與上面類似，不再贅訴。

2.2 防控信息解算

防控信息解算主要負(fù)責(zé)解算目標(biāo)進(jìn)入防控區(qū)域后的屬性特征，包括目標(biāo)的速度、目標(biāo)的高度、目標(biāo)航跡捷徑、目標(biāo)的相對方位、目標(biāo)的可攔截時間等。防控數(shù)據(jù)是目標(biāo)威脅估計和排序、火力分配和發(fā)射決策重要依據(jù)。同時，防控數(shù)據(jù)以不同的形式展現(xiàn)給指揮員，輔助指揮員進(jìn)行綜合決策。一般，防控數(shù)據(jù)以二維態(tài)勢、三維態(tài)勢和雷達(dá)圖的形式展現(xiàn)。

目標(biāo)的速度是指目標(biāo)單位時間內(nèi)空間航跡變換大小。主要反應(yīng)目標(biāo)三維空間的運(yùn)動快慢。如果目標(biāo)的高度變化不大，我們可以簡化速度模型，一種是通過目標(biāo)在時間T內(nèi)的移動的距離 （斜距或者水平位移）除以時間T求得；另一種是通過相鄰點跡的距離除以周期，然后對時間T內(nèi)的速度求平均值。兩種方法都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理。

目標(biāo)的相對高度是指目標(biāo)相對于某一參考平面的高度，參考點可以是理論參考平面，攔截設(shè)備所在的水平面或者探測設(shè)備所在的平面。根據(jù)其它模塊的數(shù)據(jù)請求，提供不同類型的高度。高度計算模型比較簡單，一般通過目標(biāo)相對于參考點的斜距和俯仰角的正弦值的乘積求得。

目標(biāo)的航跡捷徑是指參考點到目標(biāo)航跡的垂直距離。目標(biāo)的航跡捷徑是目標(biāo)威脅估計和排序、目標(biāo)火力分配以及目標(biāo)發(fā)射決策的重要依據(jù)。目標(biāo)的航跡捷徑模型建立在目標(biāo)航跡的基礎(chǔ)上，一般當(dāng)前時刻的目標(biāo)航跡捷徑通過目標(biāo)的歷史若干個點跡插值出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡 （假設(shè)目標(biāo)勻速直線運(yùn)動）和參考點的相對距離表述，即參考點到目標(biāo)運(yùn)動直線的距離。

目標(biāo)的相對方位是指參考點與當(dāng)前點跡所在的直線與目標(biāo)航跡的夾角，是目標(biāo)威脅估計和排序、目標(biāo)火力分配以及目標(biāo)發(fā)射決策的重要依據(jù)。目標(biāo)相對方位的模型與目標(biāo)航跡捷徑相似，不再敘述。

目標(biāo)的可攔截時間是指目標(biāo)相對與攔截設(shè)備的可攔截時間。在得到目標(biāo)的速度后，我們可以通過目標(biāo)相對于攔截設(shè)備的斜距除以目標(biāo)的速度簡單描述目標(biāo)的可攔截時間。

2.3 目標(biāo)威脅估計和排序模塊

目標(biāo)威脅估計和排序是指敵對目標(biāo)對防控區(qū)域內(nèi)的保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行攻擊的可能性以及攻擊成功后的破壞程度。如何準(zhǔn)確的估計目標(biāo)的威脅程度需要考慮很多因素，比如目標(biāo)的特性、保護(hù)目標(biāo)的重要程度等。目標(biāo)的特性包括目標(biāo)的類型 （航空模型、三角翼、氣球、動力傘等），目標(biāo)的速度、目標(biāo)的距離等。一般，目標(biāo)的速度越小、距離越遠(yuǎn)，威脅程度越小。不同類型的目標(biāo)，我們可以賦給不同的威脅權(quán)重。

目標(biāo)威脅估計和排序的模型一般有時間到達(dá)判斷模型、相對距離判斷模型、相對方位判斷模型、線性加權(quán)判斷模型等。因為實際作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性，以一種因素進(jìn)行威脅估計往往很難，必須考慮多種因素。這些因素包括到達(dá)時間、目標(biāo)的性能、相對距離、相對方位以及保護(hù)地區(qū)的重要程度等。然后，對這些因素統(tǒng)籌考慮和綜合評價，也就是進(jìn)行線性加權(quán)。線性加權(quán)模型的具體步驟如下：

計算目標(biāo)的到達(dá)時間t、相對距離s和相對方位a； 分別計算上面3種因素的威脅等級τ，λ，δ；

獲取目標(biāo)的類型威脅等級φ和防護(hù)區(qū)域的重要程度等級μ；

根據(jù)各種因素的重要程度確定加權(quán)系數(shù)；

線性加權(quán)等到目標(biāo)的威脅程度

根據(jù)各個目標(biāo)的威脅程度進(jìn)行威脅排序，選擇最有可能造成威脅的目標(biāo)進(jìn)行火力分配。

3 攔截系統(tǒng)

目標(biāo)攔截系統(tǒng)的功能是接受指控系統(tǒng)的目標(biāo)位置信息，進(jìn)行彈道解算，對目標(biāo)實施攔截。網(wǎng)彈飛至目標(biāo)后打出網(wǎng)，網(wǎng)將目標(biāo)罩住，使目標(biāo)失去動力而墜落，彈打開降落傘落下。攔截系統(tǒng)攔截過程如圖4所示。

圖4 攔截系統(tǒng)工作過程

把網(wǎng)彈準(zhǔn)確送到交匯點附近，是目標(biāo)攔截最重要的環(huán)節(jié)，由于網(wǎng)彈飛行過程是無控狀態(tài)，因此網(wǎng)彈出筒的速度、指向等就成了決定性因素。本項目采用的網(wǎng)彈，在未改進(jìn)時一直是指向目標(biāo)的，在網(wǎng)彈出筒前轉(zhuǎn)臺進(jìn)行一個機(jī)械掉轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到指向理論遭遇點，然后以較高的初速度拋射而出，飛向目標(biāo)，如下圖在遭遇點1相遇。為減少掉轉(zhuǎn)過程所引起的時間延時和動態(tài)抖動，我們提出一個改進(jìn)方案，就是在跟蹤過程中，網(wǎng)彈直指目標(biāo)理論遭遇點，指揮員按下發(fā)射按鈕后，網(wǎng)彈直接飛向理論遭遇點，如下圖，在發(fā)射時彈筒就指向了理論遭遇點2，這樣就減少了再去掉轉(zhuǎn)的時間，提高了精度。在圖5演示了對同一目標(biāo)，同一時刻，同一位置，兩種方式的不同。按照未改進(jìn)方式，在目標(biāo)飛向遭遇點1的過程中，彈筒進(jìn)行了轉(zhuǎn)向，然后飛向目標(biāo)。改進(jìn)后網(wǎng)彈直接飛向目標(biāo)，必會提早相遇，如在遭遇點2相遇。這樣減少了目標(biāo)的機(jī)動時間，定然提高了命中概率。

圖5 攔截系統(tǒng)工作原理簡

下面是求發(fā)射的角度。

下面是平面上的方程組，如圖5所示那樣的基本方位。在下面方程組中，彈出彈筒為零時刻，te為相遇時刻，v為網(wǎng)彈的任意時刻速度，θ是速度與水平的夾角，L位彈筒與目標(biāo)的水平距離，H為目標(biāo)高度，f為彈的阻力，g為重力加速度。將已知的參數(shù) Vt，L，H，m，g，k代入，用Matlab進(jìn)行數(shù)值迭代，可以求出下面的方程的解

第一式子是從零時刻到相遇，目標(biāo)和彈走的水平位移之和為L，第二個式子，彈的垂直速度分量對時間的積分為H，第三個式子，彈速度方向的牛頓第二定律，第四個式子是網(wǎng)彈的法向過載，第五個式子是阻力公式。

通過上面平面的算法可以求出三維的實際情況。將發(fā)射架到目標(biāo)的連線為交線，建立兩個平面，一個是經(jīng)過這條線且垂直地面的面S1，另外一個是經(jīng)過這個交線且垂直于S1的面S2，將目標(biāo)和網(wǎng)彈的各個參數(shù)投影到這兩個面上，依次使用上面的5個方程組，求出網(wǎng)彈發(fā)射時俯仰和水平偏角。

4 實驗與分析

試驗態(tài)勢如圖6所示。

圖6 試驗態(tài)勢

本系統(tǒng)本著邊開發(fā)、邊試驗、邊使用的原則，共進(jìn)行了3次打靶，一次實戰(zhàn)。

第一次試驗時，由于天氣晴朗，探測設(shè)備跟蹤比較好，試驗的結(jié)果很成功，鳳凰網(wǎng)等媒體對此進(jìn)行了報道。

第二次試驗天空下著小雨，探測得不好，時間緊，實彈打時 “擦肩而過”。

第三次試驗是和另一家激光攔截系統(tǒng)一起的 “比武”式打靶，由于我國激光武器還有很多技術(shù)難點沒有突破，激光攔截系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有本系統(tǒng)來的利落，徹底。本次打靶受到客戶的肯定。

在保衛(wèi)亞運(yùn)開閉幕式上，本系統(tǒng)出色的完成了低空保衛(wèi)任務(wù)，受到用戶好評。

5 結(jié)束語

對于LSST的防空，我們的處置辦法大致有：

（1）戰(zhàn)士在地面或直升機(jī)上，用槍直接將目標(biāo)擊落。這樣的問題首先是槍聲帶來的不好影響，其次直升機(jī)分到目標(biāo)那需要一定時間，目標(biāo)距核心區(qū)只有300m，時間不一定夠，如果地面直接射擊，無法保證命中。

（2）使用激光武器，可是美國激光武器的關(guān)鍵技術(shù)對外一直是封鎖的，而國內(nèi)此方面的技術(shù)，雖有但很多方面還不成熟，成功擊落的把握并不大。

（3）將地空攔截導(dǎo)彈的技術(shù)用上，發(fā)射時微聲微光微煙，打出網(wǎng)彈，將目標(biāo)罩小來。看似 “殺雞用宰牛刀”的辦法，成功擊落的概率比前兩種要高的多。

國內(nèi)有第二種辦法的研究，其中一些諸如激光功率等問題是存在的。我們采取的第三種辦法，事實證明是明智的。

本文以實際應(yīng)用系統(tǒng)為背景，介紹了用網(wǎng)彈攔截低慢小目標(biāo)的一般架構(gòu)和一般原理，討論了使用光學(xué)探測的原因，探測系統(tǒng)的基本組成，指控的架構(gòu)及其主要技術(shù)，網(wǎng)彈的攔截過程，推出了攔截系統(tǒng)的攔截公式，另外對攔截系統(tǒng)中網(wǎng)彈的指向提出了一種改進(jìn)。

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