一種圓形視場(chǎng)平臺(tái)導(dǎo)引頭對(duì)地快速搜索方法

陳偉，何志杰，李書(shū)成

（陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司，陜西西安，710025）

0 引言

對(duì)機(jī)載武器發(fā)射后截獲的作戰(zhàn)模式來(lái)說(shuō)，導(dǎo)引頭截獲概率是一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)，且受到各種因素包擴(kuò)視場(chǎng)狀態(tài)、彈道參數(shù)、載機(jī)雷達(dá)以及彈載測(cè)量裝置的測(cè)量精度、目標(biāo)機(jī)動(dòng)能力等。其中視場(chǎng)狀態(tài)又包括距離、視場(chǎng)大小、形狀及搜索方式等方面。為提高導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的概率，需要設(shè)計(jì)出更大的視場(chǎng)角，然而視場(chǎng)角增大時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)引頭視場(chǎng)的背景輻射也必然更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭的作用距離減小和抗干擾能力下降。另一方面，光學(xué)導(dǎo)引頭視場(chǎng)大小也受到光學(xué)成像質(zhì)量及探測(cè)器能力的限制，難以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)和測(cè)角精度的統(tǒng)一。為解決視場(chǎng)過(guò)小目標(biāo)截獲困難的矛盾，導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)通常會(huì)進(jìn)行空間搜索，用小的視場(chǎng)獲得盡可能高的探測(cè)概率，這就需要對(duì)導(dǎo)引頭視場(chǎng)及其搜索策略進(jìn)行研究。張曉陽(yáng)等人以紅外成像導(dǎo)引頭為例研究了不同視場(chǎng)形狀和搜索策略[1]，計(jì)算了不同搜索軌跡下的視場(chǎng)角面積，并研究了搜索場(chǎng)中不同點(diǎn)在截獲場(chǎng)中的停留時(shí)間。徐丹等人在方形和圓形搜索軌跡的基礎(chǔ)上提出了六邊形軌跡的搜索策略，比較了方形、圓形和六邊形搜索方式的優(yōu)劣[2]。對(duì)于激光導(dǎo)引頭，鄧?yán)俚热藘H從概率分布角度，用彈道仿真的方法分析了影響激光導(dǎo)引頭的截獲概率的主要因素[3]，但沒(méi)有對(duì)搜索方式進(jìn)行深入分析。本文將以激光導(dǎo)引頭為例，對(duì)導(dǎo)引頭對(duì)地掃描時(shí)的特性進(jìn)行分析，再對(duì)比不同搜索方式的差異。

1 激光導(dǎo)引頭對(duì)地搜索模型

1.1 截獲視場(chǎng)

激光制導(dǎo)武器攻擊地面目標(biāo)時(shí)，由于彈道彎曲通常呈俯沖狀態(tài)，導(dǎo)引頭搜索目標(biāo)時(shí)視線(xiàn)角并不垂直于目標(biāo)平面，導(dǎo)引頭圓形截獲視場(chǎng)在目標(biāo)平面上的投影為橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸沿視線(xiàn)方向，短軸基本垂直視線(xiàn)方向，因此垂直視線(xiàn)方向覆蓋區(qū)域較小。

圖1 中m 為導(dǎo)引頭，C 為視場(chǎng)中心，h 為導(dǎo)彈飛行高度；C 為視場(chǎng)中心，R 為彈目視場(chǎng)中心斜距。導(dǎo)引頭視線(xiàn)角為q，圓視場(chǎng)角半徑為θ。此時(shí)地面視場(chǎng)投影縱深為[4]：

圖1 導(dǎo)引頭視場(chǎng)投影側(cè)視圖

視場(chǎng)寬度為：

視場(chǎng)邊緣上任意一點(diǎn)F，距離視場(chǎng)中心的夾角即為截獲視場(chǎng)角，設(shè)其在導(dǎo)引頭視場(chǎng)平面的轉(zhuǎn)角為γ，F(xiàn) 點(diǎn)在目標(biāo)平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)（Px、Pz）可表示為：

假設(shè)某彈道視線(xiàn)角30°，導(dǎo)引頭半視場(chǎng)角5°時(shí)，截獲視場(chǎng)投影如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)引頭視場(chǎng)投影示意圖

圖3 特征點(diǎn)視場(chǎng)停留示意

1.2 搜素過(guò)程停留時(shí)間

導(dǎo)引頭視場(chǎng)在搜素過(guò)程中持續(xù)移動(dòng)，當(dāng)視場(chǎng)按圓軌跡移動(dòng)過(guò)程中，搜索視場(chǎng)中任意一點(diǎn)在截獲視場(chǎng)中停留的時(shí)間與導(dǎo)引頭掃描半徑和搜索角速度相關(guān)，O 為搜索視場(chǎng)中心，T為目標(biāo)點(diǎn)，O1、O2 為T(mén) 剛進(jìn)入和離開(kāi)時(shí)的截獲視場(chǎng)中心。

假設(shè)搜索過(guò)程中以穩(wěn)定速度掃描，則目標(biāo)T 在市場(chǎng)中停留的時(shí)間為：

式中，?t為單點(diǎn)在掃描過(guò)程中視場(chǎng)內(nèi)的停留時(shí)間，R1為掃描半徑，R2為半視場(chǎng)角，x為T(mén) 偏離截獲視場(chǎng)中心的角度，ω0為平均搜索角速度。顯然，當(dāng)x 大于R2時(shí)，?t為0，離截獲視場(chǎng)中心越接近，停留時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)掃描半徑無(wú)限大時(shí)，即掃描方式變?yōu)椤耙弧弊中纹綊撸Ａ魰r(shí)間變成：

2 搜索方式比較

2.1 單點(diǎn)駐留搜索方式

考慮到導(dǎo)引頭的識(shí)別過(guò)程需要一段時(shí)間，在需要的搜索區(qū)域內(nèi)，搜索速度不能過(guò)快，為導(dǎo)引頭識(shí)別目標(biāo)提供必要的停留時(shí)間，同時(shí)搜索周期不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的搜索周期會(huì)導(dǎo)致造成截獲太晚。在滿(mǎn)足導(dǎo)引頭識(shí)別時(shí)間的前提下避免重復(fù)搜索，提高搜索效率。

根據(jù)綜合位置誤差中各項(xiàng)誤差的分布規(guī)律，可以推斷出指向誤差分布規(guī)律應(yīng)該是一個(gè)方向上平均分布、位置大小近似正態(tài)的分布，因此截獲概率最大的區(qū)域應(yīng)該在參考區(qū)域中心。由于誤差方向的平均分布特點(diǎn)，搜索起始點(diǎn)無(wú)需特別指定，挑選與指向中心最為接近的掃描點(diǎn)即可，考慮到導(dǎo)引頭視場(chǎng)區(qū)域的橢圓特征，利用橢圓長(zhǎng)軸方向上視場(chǎng)覆蓋大的特點(diǎn)，起始掃描點(diǎn)設(shè)在橫向?？紤]單點(diǎn)停留的方式搜索，也稱(chēng)為步進(jìn)凝視掃描[5]，比較“口”字形、“一”字形、“◇”形搜索路徑，在不同彈道條件下各搜索路徑所形成的搜索區(qū)域，如圖4 所示。

圖4 30°視線(xiàn)角掃描區(qū)域

可以看出，在30°視線(xiàn)角下，“一”字形搜索即可很好覆蓋400m 的參考區(qū)域，且掃描區(qū)域基本可以達(dá)到半徑500m；“口”字形搜索也可滿(mǎn)足參考區(qū)域要求，但在橫向上余量較小，掃描角度越大，中心點(diǎn)存在漏掃區(qū)域，“◇”形搜索具有相對(duì)最優(yōu)的區(qū)域覆蓋性能。

60°視線(xiàn)角下，同樣的搜索方式形成的搜索區(qū)域見(jiàn)圖5。

圖5 60°視線(xiàn)角掃描區(qū)域

60°視線(xiàn)角條件下，“◇”形和“口”字形搜索可完全覆蓋參考區(qū)域，“一”字形搜索無(wú)法完全覆蓋參考區(qū)域。“◇”形搜索在中心區(qū)域有較好的重疊區(qū)域，隨著掃描角度的變大，“口”字形可能出現(xiàn)中心漏掃，“◇”形比“口”字形有著更好搜索覆蓋性，因此單點(diǎn)駐留模式下，“◇”字形對(duì)地搜索策略更合適。

2.2 連續(xù)移動(dòng)搜索方式

取常用的連續(xù)圓周掃描搜索方式進(jìn)行比較，在視線(xiàn)角不垂直目標(biāo)平面的情況下，圓周掃描形成的掃描區(qū)域呈橢圓形，即便掃描的半錐角與截獲視場(chǎng)角相等，掃描圓周前后半周的視場(chǎng)會(huì)部分重疊，視線(xiàn)角越小，重疊情況越嚴(yán)重。

圖6 60°與30°視線(xiàn)角圓周搜索覆蓋區(qū)域示意圖

相比單點(diǎn)駐留的搜素方式，連續(xù)圓周掃描的覆蓋區(qū)域較為規(guī)則，在掃描幅度相同的條件下，掃描范圍更大。尤其在視線(xiàn)角較小時(shí)，縱向掃描范圍可以很大，在銜尾追擊地面高速移動(dòng)目標(biāo)時(shí)非常有益于目標(biāo)捕獲。

2.3 搜索周期

在單點(diǎn)駐留搜索方式中，導(dǎo)引頭視場(chǎng)需在各點(diǎn)上停留規(guī)定時(shí)間，該時(shí)間一般由導(dǎo)引頭目標(biāo)最短識(shí)別時(shí)間決定，假設(shè)該時(shí)間為0.4s，加上導(dǎo)引頭在各點(diǎn)間轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，取導(dǎo)引頭在駐留點(diǎn)間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度均值為30°/s，則同等掃描角度下，駐留搜索方式下掃描一周的時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 不同搜索路徑的搜索周期

圓周掃描條件下，如果按視場(chǎng)邊緣停留時(shí)間0.4s，則搜索周期很長(zhǎng)，不符合使用要求，也不滿(mǎn)足實(shí)際情況，按導(dǎo)引頭視場(chǎng)中心停留時(shí)間0.4s 計(jì)算，則搜索角速度會(huì)根據(jù)掃描角度變化，掃描半徑3°和4°時(shí)搜索周期分別為0.86s 和1.2s，此時(shí)視場(chǎng)邊緣的停留時(shí)間降低至0.18s 和0.19s。當(dāng)視場(chǎng)邊緣附近點(diǎn)（邊緣內(nèi)1°）的停留時(shí)間也設(shè)定為0.4s 時(shí)，整體搜索周期增加至1.9s 和2.4s。

3 結(jié)論

“一”字形搜索受彈道條件約束，不適用于視線(xiàn)傾角較大的情況，在空地大俯沖角彈道下，該搜索方式不再適用。

“口”字形搜索基本可以覆蓋各種彈道條件下的目標(biāo)位置誤差參考區(qū)域，且區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)視線(xiàn)駐留時(shí)間基本一致，缺點(diǎn)在于中心容易漏掃，同時(shí)搜索周期較長(zhǎng)。

“◇”形搜索下參考區(qū)域的覆蓋情況與“口”字形相近，駐留時(shí)間也相當(dāng)，但沒(méi)有中心漏掃區(qū)，同等掃描角度下搜索時(shí)間略短于“口”字形搜索。

圓周搜索也可覆蓋各種彈道條件下的目標(biāo)位置誤差參考區(qū)域，且參考區(qū)各方向覆蓋情況和停留時(shí)間較為平均，搜索周期稍短于“◇”字形搜索，缺點(diǎn)在于區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)停留時(shí)間不一致，邊緣位置時(shí)間略短，中心處的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，當(dāng)放慢搜索速度，將邊緣位置的停留時(shí)間增長(zhǎng)至與“◇”字形搜索相當(dāng)時(shí)，整體搜索周期也將與“◇”字形相當(dāng)。