基于機動平臺的紅外成像制導仿真設備的方位標校及誤差修正

王繼光，白云塔，高文靜，李金亮

（解放軍91404部隊，秦皇島066000）

0 引 言

紅外成像制導由于精度高和準全天候的特點而成為精確打擊的重要手段。成像制導導彈造價昂貴，測試成本高，采用模擬導引頭工作的紅外成像制導仿真系統進行測試具有重復性高和成本低的優點。仿真系統由紅外熱像儀和伺服機構組成，通過計算機控制，模擬紅外導引頭捕獲，跟蹤目標的工作機理。在外場，通常使用車載或艦載平臺，這樣，靈活性高，尤其對距離的調整有巨大優勢。但是，紅外成像制導仿真設備模擬導引頭的跟蹤過程，其輸出角度為相對坐標。對于測試，要實時獲取與GPS數據一致的方位和俯仰角度［1－2］，所以有必要采用一種簡單、實時地進行角度轉換和誤差修正的方法。

基于艦船機動平臺，對于海上目標采用海天線基準進行角度修正的方法取得了很好的效果。

1 紅外成像制導仿真設備工作原理及測試誤差分析

1.1 紅外成像制導仿真模擬設備工作機理

圖1是用于“海爾法”的紅外成像尋的導引頭工作原理圖，其主要由探測、處理跟蹤、自動駕駛和控制器組成。

圖1 用于“海爾法”的紅外成像尋的導引頭

圖2 是紅外成像制導仿真系統原理圖，解算后的偏角要送往伺服系統，使熱像儀始終對準目標，紅外成像導引頭與之不同的是偏角是送往彈體，使彈體始終對準目標。

圖2 紅外成像制導住址模擬系統工作原理

1.2 基于機動平臺測試誤差分析

紅外成像制導仿真系統在裝備測試中需要布設在固定或機動平臺上。固定站點布設可以利用工具嚴格地進行測試前參數的標校，測量數據比較準確。但是為了模擬導引頭對攻擊目標的逼近過程，需要安裝在機動平臺上進行測量［3－4］。

對海上測量，設備安裝固定在測量船上，必須有足夠的方位和俯仰作用范圍，對機動的海面或空中目標進行跟蹤測量。船搖對測量的影響很大，可造成目標方位、俯仰測量值的偏差。一般情況下，船的縱橫搖信息由于接口等因素很難實時得到。利用圖像實時處理的方法，可以通過坐標變換實現對目標方位真值的精確測量［5］。

設備方位指示的0刻度與船頭方向一致，設備豎軸與水平面嚴格垂直時，紅外視場中心線與海天線重合，此時俯仰刻度為0°。測量方位角和俯仰角分別用A和E表示。設在某個時刻測得的在海天線上的目標圖像如圖3所示。設備跟蹤目標，海天線在視場中顯示為1條實線，此時跟蹤方位角和俯仰角分別為A1和E1。

圖3 機動平臺獲得的瞬時視場圖像

設備載體船在海上，近似重心海拔高度不變，船頭隨波浪起伏，船身傾斜。據此建立坐標系如圖4所示，以船重心為原點，設備坐標系為O′－X′Y′Z′，以船頭水平方向為x軸建立大地坐標系為O－XYZ。為便于計算，設這3個原點重合，則設備坐標系為大地坐標系沿Y軸轉φ角，再繞自身X′軸旋轉θ角構成。2個坐標系的關系為：

圖4 設備坐標系與大地坐標系

進一步簡化，設原點與海平面平齊，則海天線在XOY平面上。在設備坐標系中，瞬時視場中的海天線為CD，視場中心為M，在X′OZ′平面的投影分別為C′、D′，M′，由幾何關系知D′在OY′上，OM垂直于CD，OM′垂直于C′D′，DD′垂直于OD′，CD與C′D′相交于B點。根據圖1所示，∠DBD′＝ψ，B點在設備坐標系中的坐標可以確定為（X′B，Y′B，0），根據B點坐標和M點坐標，可以確定θ和φ角：

式（2）有6個方程，6個未知數，方程可解。

根據圖4的幾何關系，可以確定M在大地坐標中的方位角∠COM：

得到：

2 結果分析

由以上分析知，根據圖4中海天線的位置和傾斜角度，可以通過計算確定設備機動平臺縱橫搖的偏角，并可確定對于大地坐標系下海天線附近目標的位置信息。對于不在海天線的目標位置，可以通過瞬時視場每個像素對應的角度算出對海天線的偏角來確定。

圖5 機動平臺獲得的不在海天線上的目標圖像

如圖5所示，設瞬時視場的縱向角度為6°，圖像像素為800×600，ΔE對應的像素為N，則：

目標俯仰角加海天線偏角為海天線在設備坐標系中的俯仰角E1，其他計算與以上相同。

船頭方向與正北的偏角通過電子測量儀器或GPS可以測得［6－7］，于是可以近似計算對正北的目標方位角度，從而獲取真實的導引頭攻擊態勢的實時位置信息。

3 結束語

基于坐標變換和瞬時視場圖像像素測量，可以對機動平臺的縱橫搖角度進行計算修正，并對目標在大地坐標中的實際方位角度進行校準修正，為目標絕對位置測量提供可靠數據，為設備和目標的態勢演變提供實時信息，對測量訓練有重要意義。

［1］王琦，張繼旭.基于CCD激光經緯儀的雷達標校及數據處理方法［J］.戰術導彈技術，2009，1（1）：89－92.

［2］薛鴻印.用GPS標校平臺羅經方位安裝誤差與艦向精度測量［J］.現代防御技術，2000，28（6）：47－51.

［3］李向榮，郭平平，喬彥峰，等.動基座方位瞄準系統海上精度標校方法研究［J］.測試技術學報，2004，18（6）：173－176.

［4］張同雙，李曉勇，鐘德安，等.航天測量船無限電測量設備方位零位標校新方法［J］.電訊技術，2008，48（6）：30－34.

［5］吳冰，秦昆.一種快速實用方位標校方法及軸角變換系統［J］.現代雷達，2003，25（9）：36－38.

［6］敬軍.機動平臺識別器方位零值的幾種標校方法［J］.電訊技術，2006，46（6）：161－163.

［7］王萬玉，張寶全，陳剛.俯仰／方位座架軸系誤差分析及標校［A］.中國空間科學學會空間探測專業委員會第十九次學術會議文集（下冊）［C］.寧波：中國空間科學學會空間探測專業委員會，2006：720－723.