常規試驗靶場多站協同測試三段式接力引控方法

王祖良 王少飛 張 婷

（西京學院，信息工程學院，陜西西安710123）

1 引 言

常規試驗靶場承擔大量中、短程導彈試驗任務，通常由跟蹤雷達、光電設備和遙測設備等承擔彈道跟蹤測試任務。雷達具有跟蹤能力強，快速捕獲目標等優點。光電設備作為一種高精度的測量設備，具有測量精度高、直觀性強、性能穩定等優點，是飛行器外測的重要手段［1］。目前這三類測試設備大多各自作為獨立測試單元參與測試，沒有充分發揮協同測試的優勢。而在實際試驗中，常常同時布設這三類設備對同一彈道進行跟蹤測試［2，3］。由于測站布設、地形地貌等的影響，對于導彈等快速飛行目標，往往會發生某一臺或多臺設備捕獲不到目標，或者雖然捕獲到，但由于受到遮擋或者干擾而導致丟失目標的情況，造成關鍵數據丟失，導致測試失敗。多站協同測試可以大大提高測試成功概率［4，5］。

在數百公里中程彈道測量中，常常采用三段式接力全覆蓋測試，即發射首區、彈道中間段、彈道末段分別布設多個測試站，對彈道飛行全程進行接力測試。三段式多站協同測試技術可以在引導和測量數據所覆蓋的彈道段互為補充，測試參數互為備份和參考，合理利用各測量系統的特長，使各測量系統在最能發揮作用的彈道段完成測試任務，顯著提高單套設備的數據采集率［6-10］。文獻［8］通過以太網組建測試網絡，建立了統一的時間和空間基準，并給出了坐標轉換等相關算法。文獻［11］針對彈道中段目標測量跟蹤問題，將卡爾曼濾波應用于目標檢測平滑和預測處理，建立了狀態方程和量測方程。外彈道測量通常同時利用雷達、光電設備、遙測等測量設備進行綜合測量，數據可以互相校驗，設備可以互相引導，利用網絡化測量可以充分發揮各種設備優點，實現互引導以及數據融合。光電彈道測量系統由于其測量精度高、抗干擾能力強等優點，是目前導彈等飛行目標測量的主要手段，與雷達相結合實現外彈道測量［12］。本課題組申請并授權的發明專利提供了一種三段式接力引控方法［13］。

本文根據常規靶場測試任務布站的實際情況，提出一種三段式接力測試引控方法，設計了實時引導控制邏輯及引導源優選方法，并給出坐標變換算法。利用本文設計方案在西北地區某常規靶場進行了實測試驗，試驗結果表明本文設計的多站協同測試方法能夠顯著提升設備跟蹤概率，縮短光電設備再捕獲時間。

2 測試設備特性及引控需求

光電設備本身具有目標捕獲能力，目前常用的光電設備對目標的捕獲時間為0.5s 左右，即目標進入其視場的時間需大于0.5s 才能完成目標初次捕獲，或丟失目標后再捕獲。這對于初速較快的目標以及進入光電設備視場前飛行較快的目標，僅僅依靠其自主捕獲跟蹤，難以避免發生捕獲失敗的情況。此外，光電設備采用光學原理跟蹤目標，對于中程導彈目標的跟蹤測試，背景對跟蹤有較強的干擾和影響，常常造成目標中途丟失，導致測試失敗。而常用的外彈道測試雷達，例如韋伯雷達，具有主從工作方式，除了可以進行正常的測試外，還可利用第二個輸出端口將測試的彈道數據進行實時廣播以引導其他的測試設備。反之，在光學條件良好的測試條件下，光電設備跟蹤性能大為提高，而現代靶場電磁環境極其復雜，雷達設備難免會發生被干擾而造成跟蹤性能下降的情況。此時，同樣可以利用光電設備跟蹤數據對雷達進行引導，使其快速捕獲目標。因此，采用多站協同測試，充分利用雷達的引導控制，輔助完成捕獲，以形成全彈道穩定跟蹤具有重要意義。

多站協同測試要求具備數據接入校驗，單路數據預處理、光測數據精確交匯、動態權值數據融合、引導數據校驗、數據記錄、遙測數據處理等功能，按照試驗任務要求。系統具備如下能力:可接入韋伯雷達、相控陣雷達、光電經緯儀、遙測等測量設備的數據，并完成各測量設備的引導控制；具備對單路數據進行有效的異常值剔除、坐標轉換、數據外推和精度分析功能；通過有效標志位進行測量設備數據的有效性判斷，剔除無效數據；多臺光電經緯儀參加任務時，任選兩臺經緯儀進行兩兩交匯得到多條實時彈道，可根據交匯計算方法實時計算交匯數據精度，便于后續引導源數據選擇和動態數據融合處理；利用外彈道預處理信息進行航跡預測，采用動態權值算法進行多源信息融合，獲得不同目標的連續、穩定的目標運動信息，形成實時融合航跡；按照試驗方案劃分若干階段，分別指定各階段引導源的優先順序，按照引導順序進行引導數據解算，優先級高的引導源數據若無效，則按照約定順序自動采用后續數據作為當前引導源數據；數據引導時延計算方式能適應在復雜環境下實時估算網絡情況，具備根據實時網絡時延外推引導數據的功能；能準確記錄各測量設備原始數據、單路數據結果、融合處理結果、引導數據、送顯數據的記錄。

3 三段式接力引控方法

3.1 引控處理邏輯

根據中短程導彈測試試驗任務特點，設計引導控制邏輯。引控中心接收各測試設備發來的彈道數據，對數據進行必要的有效性檢驗和航跡平滑處理，接收完所有測試設備數據后進入實時引導程序。在彈道測試試驗中，如果通過人工能辨別出彈道優劣，并有條件采取人工介入方式，則人工實時指定引導源為最高優先級，利用人工實時指定引導源進行引導。如果沒有人工指定引導源，則利用預設引導源引導。預設引導源通常根據先驗知識和經驗，在不同段選擇不同測試設備數據作為預設引導源。多引導源中優選一個引導源，按照盡早接力和可靠性優先的原則進行優選。如果預設引導源均無效，則進入非預設引導模式。優選邏輯和處理流程程如圖1 所示。

圖1 引導控制邏輯及處理流程圖Fig.1 Guide control logic and processing flow

3.2 非預設引導源優選

圖1 中預設引導源中只要有一個有效，則按照圖中所示邏輯進行引導源選擇，并將優選引導源數據向所有測試設備廣播。如果預設引導源均無效，并且找到非預設引導源，則進入非預設引導源優選程序。非預設引導源優選流程如圖2 所示。

圖2 非預設引導源流程圖Fig.2 The flow chart of non-default Guide source

首先利用最近5 個點引導源數據進行外推得到當前點彈道值，同時通過判斷非預設引導源的有效性標識篩選出有效引導源，選擇與外推值距離最近的非預設引導源作為優選引導源。另一方面，為了判斷突發彈道，利用萊特準則從所有有效引導源中挑選出殘差最大的非預設引導源，將其與優選引導源進行比對，如果優選引導源即為殘差最大的引導源則按照突變彈道處理，利用萊特準則選出的最大殘差值作為非預設優選引導源，否則將利用外推法選出的引導源作為最終優選引導源。

3.2 非預設引導源優選

以雷達跟蹤測量彈道數據和光電經緯坐標變換為例，示意圖如圖3 所示。

圖3 雷達-經緯儀坐標變換示意圖Fig.3 Schematic diagram of radar theodolite coordinate transformation

在圖3 所示的坐標系中，光電經緯儀與雷達坐標變換為［13］

式中:α，λ——光電經緯儀的目標方位角和高低角；r——雷達測距值。

對式（1）求解得

其中，

將式（2）代入式（1）可以求出目標的y和z，完成坐標轉換。

4 試驗結果

由于導彈試驗成本高代價大，無法專門組織測試實驗考核測試系統，只能采用跟隨任務的方式進行試驗。按照本文提出的三段式接力引控方法改造升級了西北某試驗靶場，該靶場為長形主靶導，長300km，寬20km。改造系統引導頻率為50 幀/s，即引導間隔為20ms。能夠接收處理各種跟蹤雷達、搜索雷達、光電經緯儀、遙測地面站的測量數據路數為32 路，數據融合處理最小周期為100ms，單路測量數據平均處理時間小于1ms，引導數據平均處理時間小于2ms。為保證測試試驗萬無一失，并便于對比，改造升級后的測控系統執行前5 次實驗任務期間，原測試系統進行同時測量，互為備份。

首區布設1 套連續波雷達、4 臺光電經緯儀，1套遙測設備擔負主動段彈道和部分后續彈道的測試任務，并為彈道中間段測試設備提供引導數據。彈道中間段布設1 套連續波雷達、1 套相控陣雷達、4 臺光電經緯儀，擔負中間段彈道的測試任務，兼顧部分首段彈道和末段彈道的測試，并為末段測試設備提供引導數據。彈道末段布設1 套連續波雷達，1 套遙測擔負末段彈道的測試任務。布站示意如圖4 所示。

定義測試設備成功跟蹤目標并正確測試彈道數據的彈道長度與總彈道長度的比值為跟蹤率，對5 次試驗各種測試設備跟蹤率結果取平均，試驗結果如圖5 所示。

圖4 三段式接力引控彈道測量布站示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-stage relay trajectory measurement and layout

圖5 三段式接力彈道測試方法與原測試方法試驗結果對比圖Fig.5 Comparison of test results between three-stage relay ballistic test method and original test method

5 結束語

本文針對常規靶場多站協同測試彈道組網測量設計了三段式接力引導控制系統，實現了雷達、光電設別、遙測設備之間互引導，并根據實際測量情況提出了彈道優選方法，利用優選彈道數據對所有測試設備進行實時互引導。利用本文設計方案對西北某常規靶場測試系統進行網絡化升級改造，改造后的系統跟蹤能力得到了顯著提升。