何亞娟，王 蕭，符新軍

(中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065)

0 引言

對遠程紅外圖像制導導彈來說，導引頭能否及時識別目標并對其進行快速穩(wěn)定跟蹤，如何評估末制導系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是深入開展圖像制導技術(shù)研究的重要方面。圖像制導導彈的特點之一就是人在回路中，因此，人在回路中的制導系統(tǒng)設計與性能評估就成為一個必須研究解決的問題。在制導系統(tǒng)設計中，較為復雜的是“人”這個環(huán)節(jié)的模型建立，而建立人的數(shù)學模型是一項復雜而艱巨的工作任務，涉及多種專業(yè)和學科，需要做大量的理論研究和試驗、統(tǒng)計工作。在現(xiàn)代導彈制導系統(tǒng)設計過程中，虛擬樣機已經(jīng)成為一種普遍應用的輔助設計手段?；谝陨锨闆r，如能在虛擬樣機基礎(chǔ)上構(gòu)建存在人的作用輸入的實時試驗系統(tǒng)，將為制導系統(tǒng)的設計與性能評估帶來諸多好處，并在研制費用和周期上得到很大程度上的縮減。

1 末制導性能評估試驗系統(tǒng)

1.1 末制導性能評估試驗系統(tǒng)總體方案

分別建立導引頭成像系統(tǒng)模塊和導引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊的細粒度虛擬樣機[1]，導引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機包括目標/背景紅外輻射模型、大氣輻射與衰減模型、傳感器模型;集成成像系統(tǒng)和穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)兩個模塊，構(gòu)成完整的圖像導引頭系統(tǒng)虛擬樣機[2];紅外圖像導引頭虛擬樣機與導彈動力學運動學模塊、導彈控制系統(tǒng)模塊、目標運動模塊、圖像跟蹤器試驗樣機及操控裝置試驗樣機，構(gòu)成完整的人在回路的末制導性能評估實驗系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)組成原理如圖1所示，系統(tǒng)構(gòu)成與連接關(guān)系如圖2所示。

圖像末制導性能評估試驗系統(tǒng)各模塊功能與系統(tǒng)工作原理：導彈動力學與運動學模塊實時計算導彈的位置與姿態(tài)[4]，將導彈的姿態(tài)信息發(fā)送到導引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊;導引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊根據(jù)操控裝置、圖像跟蹤器傳來的指令，綜合導彈的姿態(tài)信息，計算出導引頭姿態(tài);導引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機接收導彈位置信息、導引頭姿態(tài)信息和目標運動模塊的目標位置姿態(tài)信息，生成導引頭當前的輸出圖像;導引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機輸出圖像到圖像跟蹤器/監(jiān)視器;圖像跟蹤器計算跟蹤指令并輸出到導引頭的穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)模塊;射手根據(jù)監(jiān)視器上的圖像，利用操控裝置和圖像跟蹤器對目標進行手動或自動跟蹤;控制系統(tǒng)模塊接收導引頭穩(wěn)定與跟蹤模塊的制導信號，按照設計的制導律，計算控制指令，控制導彈飛行。

圖1 末制導性能評估試驗系統(tǒng)工作原理

圖2 人在回路末制導性能評估試驗系統(tǒng)構(gòu)成與連接關(guān)系

1.2 末制導性能評估試驗系統(tǒng)建立

構(gòu)建該試驗系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容包括：導引頭成像系統(tǒng)虛擬樣機建模與驗模;導引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)虛擬樣機建模與驗模;彈道計算與控制系統(tǒng)模型軟件實現(xiàn);虛擬樣機、彈道計算機(包括彈道計算與控制模型)與操控裝置和圖像跟蹤器實體樣機的集成。其中，高擬真度成像系統(tǒng)虛擬樣機和導引頭穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)虛擬樣機的建模與驗模、大氣輻射傳輸模型的應用以及試驗系統(tǒng)集成為關(guān)鍵技術(shù)。

要以該試驗最大限度地代替飛行試驗，前提是試驗結(jié)果必須正確。試驗結(jié)果的可信性首先取決于描述實際物理系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)學模型的擬真度，其次取決于所構(gòu)建的試驗系統(tǒng)和實際工作環(huán)境的逼真度。制導系統(tǒng)基于數(shù)學模型的虛擬樣機能否真實反映其工作特性，即擬真度是否滿足要求，需要尋找合理的內(nèi)外場試驗方法，確定擬真度評價指標，對其進行校驗，使數(shù)學模型在最大程度上反映其代表的物理部件的性能特性。

2 基于性能評估試驗系統(tǒng)的人在回路中的末制導系統(tǒng)性能測試試驗

2.1 復雜背景下的目標搜索與識別

導彈在飛行過程中，射手需要通過觀看導引頭攝取的圖像從背景中檢索出要攻擊的目標，目標識別過程如圖3所示，圖中的每一個環(huán)節(jié)和目標在視場中停留的時間都會影響識別結(jié)果[5]。在導引頭瞬時視場和識別距離受限的情況下，為了增大目標識別概率，通常采用導引頭按指定規(guī)律掃描的方法，以增大視場或延長目標在視場中的停留時間。

圖3 目標電光成像與識別過程

針對背景項目的作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)使用環(huán)境設置試驗條件和試驗目標，通過觀察導引頭虛擬視景做識別試驗，統(tǒng)計在不同作戰(zhàn)環(huán)境條件下，采用不同導引頭參數(shù)、掃描規(guī)律和彈道參數(shù)時，對不同目標在規(guī)定識別距離內(nèi)的識別概率以及平均識別距離。為背景項目總體方案和導引頭方案確定提供參考。

2.2 手動和自動跟蹤實驗與末制導系統(tǒng)性能評估

在射手識別目標后，需要通過操縱手柄使導引頭光軸指向目標，隨后可選擇轉(zhuǎn)入自動跟蹤方式由圖像跟蹤器產(chǎn)生跟蹤指令使光軸指向目標。利用性能評估試驗系統(tǒng)通過試驗測試的方法評估導彈在不同速度、不同導引率、不同數(shù)據(jù)鏈路延遲情況下對不同運動速度和運動規(guī)律目標的手動與自動跟蹤性能。手動與自動跟蹤目標試驗現(xiàn)場如圖4所示。

2.2.1 手動跟蹤試驗

對初步設計的制導與控制系統(tǒng)進行手動跟蹤試驗，通過射手的實際觀察評測導彈對目標的跟蹤性能。不同的導引頭跟蹤回路參數(shù)和大回路參數(shù)引起的視線誤差角、過載和彈體姿態(tài)角如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可以看出，射手能夠快速地使視線誤差角減小，但不能將目標穩(wěn)定在視場中心，視線角誤差震蕩，經(jīng)分析是由于導引頭跟蹤回路增益過大，通過減小導引頭跟蹤回路增益、降低導引頭回路帶寬來解決導引頭的穩(wěn)定問題。

圖4 手動與自動目標跟蹤試驗

圖5 導引回路增益過大時的視線誤差角與過載

圖6 大回路增益過大時的視線誤差角、彈體姿態(tài)角和過載

由圖6可以看出，在導彈轉(zhuǎn)入比例導引之前，射手能夠穩(wěn)定跟蹤目標，轉(zhuǎn)比之后，彈體控制不穩(wěn)定導致導引頭不能穩(wěn)定跟蹤目標，以致脫靶。經(jīng)分析是由于大回路增益過大引起的，應該通過減小大回路增益解決此問題。

造成脫靶量較大的原因在于視線誤差角較早的超過導引頭半視場。而此時的橫向過載并未超過可用過載，應該通過調(diào)整導引頭參數(shù)和跟蹤大回路參數(shù)的方法優(yōu)化導引頭和彈體的響應。導引頭跟蹤回路與大回路綜合調(diào)整后的手動跟蹤曲線見圖7。

2.2.2 針對大機動目標的手動與自動跟蹤對比試驗

在圖像跟蹤器能夠穩(wěn)定的跟蹤大機動目標的情況下，進行相同條件下的手動跟蹤實驗，發(fā)現(xiàn)自動跟蹤回路參數(shù)不適用于手動跟蹤。相同的跟蹤回路參數(shù)條件下手動與自動跟蹤大機動目標對比試驗曲線如圖8所示。

圖7 參數(shù)綜合調(diào)整后的視線誤差角、彈體姿態(tài)角和過載

圖8 相同跟蹤回路參數(shù)時的手動與自動跟蹤大機動目標

由此可見，自動跟蹤回路與手動跟蹤回路必須分別設計。對手動跟蹤回路進行了重新調(diào)整，調(diào)整后，手動可穩(wěn)定的跟蹤蛇形機動目標，調(diào)整前后手動跟蹤曲線對比如圖9所示。

圖9 手動跟蹤回路調(diào)整前后的試驗曲線對比

3 結(jié)論

由于人的不確定性和非線性，在制導系統(tǒng)設計時，對人的特性必須進行充分的試驗和分析。利用虛擬樣機技術(shù)建立末制導性能評估試驗系統(tǒng)，將人的作用以與實際系統(tǒng)相同的方式引入制導回路，通過人在回路中的閉環(huán)試驗，使得末制導系統(tǒng)的性能評估結(jié)果更具有可信性，制導與控制系統(tǒng)的設計更符合實際。利用該試驗系統(tǒng)進行試驗，對不同設計參數(shù)條件下的目標識別與跟蹤性能進行直觀高效的評估與驗證，并有針對性的及時改進系統(tǒng)設計，優(yōu)化參數(shù)，具有其它試驗不可比擬的方便性和經(jīng)濟性。為研究圖像制導導彈的目標搜索、識別、跟蹤和人在回路中的行為特性以及與制導系統(tǒng)參數(shù)的匹配性等關(guān)鍵技術(shù)問題提供了一個有效途徑。

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[2]陳澄，石靜.凝視紅外成像制導系統(tǒng)數(shù)學建模與仿真技術(shù)[J].紅外與激光工程，2007，36(1)：18－22.

[3]費錦東，梁波，魏宇飛，等.凝視紅外成像末制導系統(tǒng)性能測試評估方法[J].紅外與激光工程，2007，36(5)：589－592.

[4]錢杏芳，林瑞熊，趙亞男.導彈飛行力學[M].北京：北京理工大學學出版社，2000.

[5]付宏明.紅外成像末制導系統(tǒng)指標評價方法[J].紅外與激光工程，2008，37(4)：796－ 797.