光電探測信息在防空導彈武器系統中的應用研究

鄭 晟 王中曄 徐 磊

上海機電工程研究所，上海200233

1 武器系統的探測需求

現代防空導彈武器系統一般由探測系統、指揮控制系統、火力控制系統、發射系統和導彈組成，其中探測系統是整個武器系統的“眼睛”，包括各種傳感器及相應的信息處理設備，承擔著向武器系統提供目標指示、實時傳輸高精度目標坐標的任務。

現代艦艇上通常裝備多種傳感器，包括目標指示雷達、光電跟蹤設備、紅外傳感器及電子偵察設備等，其中目標指示雷達能夠直接輸出目標距離、方位角和俯仰角三維信息，具有探測距離遠、多目標跟蹤能力強等特點，是絕大多數防空導彈探測系統的首選甚至是唯一目標源。

隨著軍事技術的不斷發展，雷達作為艦載防空導彈武器系統的“眼睛”，逐漸出現了一些無法回避的問題，比如：

1)雷達一旦戰損或故障，武器系統將完全喪失工作能力，即單點失效；

2)目標進入雷達盲區，如近界盲區，系統則無法對其跟蹤，失去攔截能力；

3)相比其他探測設備，雷達精度及數據率有限，難以提升能力，因此制約了武器系統整體精度的進一步提高。

在此背景下，以光電跟蹤器、紅外傳感器為代表的二維探測器成為分擔雷達這只“眼睛”工作壓力、提高探測能力的“替補眼睛”或“協同工作眼睛”[1]。

光電跟蹤器、紅外傳感器等傳感器之所以被稱為二維探測器，是因為它們無法像目標指示雷達那樣直接輸出目標的三維信息，通常只能對目標的方位角和俯仰角進行測量，因而無法對目標進行精確的三維定位，不滿足武器系統的使用需求。[2]

盡管如此，二維探測信息具有的優點仍為我們探尋其潛在的應用方法提供了可能。

1)數據精度高、數據率高

以光電跟蹤器為例，其探測精度可以達到方位、俯仰各0.1°以內，數據率16Hz以上，較雷達而言精度高、數據率高。

2)探測空域與雷達互補

雷達擁有更遠的探測距離，但通常在非常近的距離內有近界盲區，且對超低空目標探測時受海雜波的影響較大；而光電跟蹤、紅外跟蹤等探測器則正相反，其作用距離有限，但在中近距離以內精度高、基本無盲區，且無海雜波之類的影響。

3)抗電磁干擾能力強

在復雜電磁背景下的現代戰爭中，雷達往往被有針對性地實施電磁干擾，很難保持正常工作狀態，在雷達被致盲的情況下，其它二維探測器理應發揮更重要的作用，盡量彌補探測能力的下降。

本文立足于武器系統的需求，探索了二維探測信息在防空導彈武器系統中的若干應用方向及相應的技術途徑，有助于提高武器系統的探測精度、抗干擾能力及適用性。

2 二維探測信息的若干應用

2.1 多點交叉定位

當艦艇上有2個或2個以上的二維傳感器工作時，利用分布于艦艇不同位置的多傳感器同時對一個目標形成的二維探測數據，可以對目標進行交叉定位，得到較為精確的三維信息。

圖1 多點交叉定位示意圖

原理示意圖如圖1所示，x向指向艦艏；O1和O2分別為艦體2臺對稱分布的二維傳感器；M為目標，M1為目標在甲板系的投影。當O1和O2同時發現目標M時，分別測得其相對O1和O2的方位角為A1和A2，俯仰角為E1和E2(這些測量值已經經過了坐標轉換，坐標系為測量坐標系，x、y和z軸的正方向分別為北、天和東方向。)。

圖1中涉及到的符號定義：

L為2個傳感器O1和O2之間的直線距離；L1為傳感器O2在基準平面的投影點O3與傳感器O1之間的距離；A1為目標在以傳感器O1為原點的測量坐標系下的方位角；E1為目標在以傳感器O1為原點的測量坐標系下的俯仰角；A2為目標在以傳感器O2為原點的測量坐標系下的方位角；E2為目標在以傳感器O2為原點的測量坐標系下的俯仰角；A為射線O3O1與z軸正方向的夾角；

目標M在以O1為坐標原點的北天東坐標系中的位置計算公式為：

目標M在以O2為坐標原點的北天東坐標系中的位置計算公式為：

仿真計算過程如下：

根據上文計算公式可知，對目標x、y、z求全微分可反映真實誤差情況。對已有公式求導可得各坐標定位的均方根誤差為:

式中：

通過上述公式的誤差分析，可以發現目標的探測精度與探測器的方位有很大關系：當目標沿著垂直于兩傳感器所在直線的方向進來時，誤差最小；當目標沿著兩傳感器所在直線的方向進來時，誤差趨于無窮大。

2.2 單點移動定位

當艦艇上只有一個二維探測器進行有效探測時，利用艦艇自身的運動，使其在不同時刻對目標的多次探測，形成一個連續變化的探測源及相應的探測結果，綜合對目標運動特性的估計，能夠粗略判斷出目標的運動方式及方位[3]。

圖2 單點移動定位示意圖

單點移動定位原理較為復雜，對探測器載體的運動和目標的運動方式都有一定的限制要求：1)探測器載體做勻速直線運動則目標不可測，因此要求載體必須以變速或變向行駛；2)此方法在探測器載體速度快、目標速度慢的情況下效果較好，否則解算出的目標位置及速度精度將大大下降。綜上可以發現，防空導彈武器系統的使用情況往往不滿足以上2個條件，因而最多作為一種輔助探測手段，難以為導彈的發射提供目標指示。

2.3 與三維信息融合

當雷達與二維傳感器同時工作時，可以通過數據融合的技術利用高精度的二維探測信息提高目標的三維信息精度。

一般而言，需要額外利用二維信息的情況多為雷達探測精度比二維探測信息精度低得較多甚至1個數量級的時候。在工程應用上常常將雷達的三維目標信息進行濾波后生成航跡，與高精度二維探測信息時空配準后，直接用高精度二維信息替換掉三維信息中的相應值，得到新的修正點，將其代入雷達目標航跡中，修正航跡及目標速度值[4]。

2.4 為雷達探測補盲

雷達往往存在探測盲區，目標一旦進入該區域，則無法保持跟蹤，目前的數據處理方式往往是利用最后時刻的目標位置及速度繼續外推，在沒有新的信息加入的情況下，隨著外推時間的增加，目標位置誤差呈快速放大趨勢，意味著系統基本失去了盲區內的打擊能力。在此情況下，提出“投影法”，利用近距離的二維探測信息輔助目標信息的外推，使其精度保持在一定范圍內，滿足系統發射導彈攔截的需要。

圖3 投影法原理示意圖

投影法的原理是：二維傳感器在某一時刻探測得到的是目標的方位角和仰角，即是空間的一條直線。連續探測運動的目標時，我們可以得到由一條條直線形成的直線簇。設定時間滑窗將某一時間段內的直線簇擬合成一個曲面，則該時間段內目標的真實軌跡便應該是這曲面上的一條曲線。從目標進入盲區開始，我們不斷生成這樣的曲面，只要時間滑窗取得較小，這個曲面就近似為一個平面。將根據雷達外推生成的目標預測航跡投影在這個曲面上，就可以得到一定時間段內的修正航跡。修正航跡提高了目標的位置精度，同時根據修正后的目標位置可以修正目標的速度，以此得到新的下一時刻的預測航跡。簡而言之，就是不斷地將預測航跡向由二維探測信息生成的曲面上投影，得到修正后的航跡和速度。

仿真中我們設定目標以300m/s的飛行速度靠近艦艇，雷達探測精度為距離80m，角度0.3°，至4km處進入雷達盲區后，按照以往簡單外推的方法，目標至攔截近界800m時，位置誤差將達200m以上。采用上文多點定位方法，保證輸出角度誤差不大于0.1°的目標方位角和俯仰角。采用投影法處理數據后，能夠保證目標在800m處時位置誤差不超過120m，大大提高了系統的攔截能力。

3 小結

隨著軍事對抗技術的不斷突破，防空導彈武器系統將承擔越來越重的任務使命，需要不斷深入探討如何利用艦艇上有限的探測資源，提取更多有價值的信息為系統服務。本文介紹了一些相關的理論與方法，部分已在工程上實現，并在裝備中發揮了相應的作用。