張華英 董受全 隋先輝 王少平

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

水面艦艇具備對(duì)陸攻擊能力是目前各國(guó)海軍發(fā)展的主要趨勢(shì)，裝備艦載對(duì)陸攻擊巡航導(dǎo)彈是遠(yuǎn)海作戰(zhàn)以海制陸實(shí)施精確打擊的重要手段。由于艦載對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈射程遠(yuǎn)、要求精度高，采用的制導(dǎo)方式也不斷向高精度、抗干擾、智能化方向發(fā)展。目前各國(guó)裝備的對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈，其巡航段普遍采用實(shí)時(shí)高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并采用衛(wèi)星導(dǎo)航、地形匹配、景象匹配及紅外成像等方式對(duì)慣導(dǎo)誤差進(jìn)行修正，目前發(fā)展較為先進(jìn)、受到各國(guó)青睞的末制導(dǎo)方式主要是紅外成像末制導(dǎo)［1］。在紅外成像制導(dǎo)技術(shù)中，對(duì)目標(biāo)的識(shí)別主要分為人在回路制導(dǎo)和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）兩大方向，隨著相應(yīng)技術(shù)的成熟發(fā)展，研究也越來越廣泛［2］。如楊俊彥、吳建東等分析了紅外成像制導(dǎo)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，總結(jié)了制導(dǎo)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)［3］；宋福志就ATR與人在回路的選擇做出了相關(guān)闡述，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)［4］；劉冬、鮮勇等建立了彈地人在回路末制導(dǎo)時(shí)延補(bǔ)償改進(jìn)模型［5］。本文對(duì)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與人在回路對(duì)比分析，針對(duì)人在回路時(shí)間延遲造成的誤差提出一種解決方法。

2 人在回路的工作過程與特點(diǎn)

人在回路制導(dǎo)通過人工參與的方式對(duì)接近目標(biāo)的導(dǎo)彈進(jìn)行控制，使導(dǎo)彈精確捕捉目標(biāo)后穩(wěn)定跟蹤，直至命中；自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)通過成像傳感器傳回的圖像，經(jīng)圖像處理軟件準(zhǔn)確、迅速地識(shí)別目標(biāo)。自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的智能化，但對(duì)成像質(zhì)量、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和氣候條件等要求較高，對(duì)復(fù)雜背景下的陸地目標(biāo)及實(shí)施紅外干擾的目標(biāo)還難以有效識(shí)別，而人在回路制導(dǎo)精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，因此采用人在回路制導(dǎo)方式是目前紅外成像對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈的首選。人在回路末制導(dǎo)工作過程：導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)階段后，導(dǎo)引頭開機(jī)，獲取戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域的實(shí)時(shí)紅外圖像，并通過上行數(shù)據(jù)鏈將圖像傳輸至發(fā)射平臺(tái)，由平臺(tái)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收紅外圖像，操作手通過屏幕搜索、識(shí)別目標(biāo)，對(duì)特定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)鎖定，之后再通過下行數(shù)據(jù)鏈將導(dǎo)彈控制指令傳送至導(dǎo)彈，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，逐步減小導(dǎo)引頭視線誤差角，使導(dǎo)引頭光軸最終與目標(biāo)視線重合，一旦導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)，彈載計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)將鎖定的目標(biāo)紅外圖像作為模板保存起來，接下來通過圖像匹配的方式對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤，直至精確命中目標(biāo)。在導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤目標(biāo)過程中，一旦目標(biāo)丟失，還可以通過人在回路的方式重新對(duì)目標(biāo)搜索、識(shí)別、跟蹤，并可以對(duì)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估［6］。

人在回路的優(yōu)勢(shì)：識(shí)別正確率高，虛警率低；對(duì)復(fù)雜背景下的目標(biāo)、偽裝目標(biāo)、復(fù)雜目標(biāo)的適應(yīng)性強(qiáng)；可識(shí)別非連續(xù)場(chǎng)景中的目標(biāo)，對(duì)圖像的質(zhì)量要求適中；可并行處理多模成像傳感器的多波段圖像；可攻擊移動(dòng)目標(biāo)；對(duì)于瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，具有對(duì)任務(wù)重新規(guī)劃、重新選擇目標(biāo)、重新建立打擊的能力；可實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及毀傷圖像，為進(jìn)行有效的戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估提供依據(jù)［7］。

人在回路的劣勢(shì)：人在回路制導(dǎo)方式需要人工干預(yù)操作，增加了武器操作員的工作負(fù)擔(dān)；彈載發(fā)射與接收設(shè)備容易受到敵方干擾，特別是對(duì)于遠(yuǎn)程對(duì)陸攻擊巡航導(dǎo)彈；制導(dǎo)、組織指揮過程復(fù)雜；數(shù)據(jù)鏈遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)對(duì)制導(dǎo)指令造成一定的時(shí)間延遲［8］。

3 人在回路延時(shí)修正方法

在對(duì)陸攻擊巡航導(dǎo)彈末段采用紅外成像+人在回路末制導(dǎo)實(shí)施攻擊時(shí)，由于傳感器攝取的紅外圖像經(jīng)解壓縮、衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈傳輸、數(shù)據(jù)加解密、人工操作、控制指令運(yùn)算等過程，指揮系統(tǒng)向?qū)棸l(fā)送的目標(biāo)指示信息會(huì)有一定的時(shí)間延遲，因此，有必要對(duì)人在回路時(shí)延造成的目標(biāo)誤差進(jìn)行修正［9］。人在回路引起的時(shí)延包含兩部分，一是人工操作、反應(yīng)造成的人工捕控時(shí)延，二是由紅外圖像、制導(dǎo)指令經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳輸而產(chǎn)生的圖像/指令傳輸及處理時(shí)延［10］。

以采用人在回路制導(dǎo)方式的紅外成像對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈為背景，對(duì)人在回路造成的時(shí)間延遲進(jìn)行研究，并引入二次時(shí)間延遲修正方法：由于艦載對(duì)陸攻擊巡航導(dǎo)彈在巡航段飛經(jīng)海面、陸地多種地形，航路規(guī)劃較為復(fù)雜，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時(shí)間的累計(jì)誤差逐漸增大，導(dǎo)引頭光軸與目標(biāo)視線偏離逐漸增大，需要對(duì)初始導(dǎo)引量進(jìn)行一次延時(shí)修正，預(yù)測(cè)經(jīng)時(shí)間Δt后導(dǎo)引頭光軸與目標(biāo)視線夾角并修正，為達(dá)到充分減小延時(shí)誤差的目的，以一次修正后的誤差角為初始導(dǎo)引量進(jìn)行二次修正，并通過三角函數(shù)計(jì)算修正后的彈著點(diǎn)與目標(biāo)之間的誤差。在一維情況下，分別對(duì)水平誤差ssw和高度誤差sgw計(jì)算，可得到導(dǎo)彈命中誤差sw。在此種修正方法中，做出如下兩點(diǎn)假設(shè)：

第一，當(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)階段后，導(dǎo)彈在收到導(dǎo)引指令前與執(zhí)行完指令后將沿直線飛行；

第二，由于慣導(dǎo)短時(shí)精度高，所以慣導(dǎo)測(cè)出Δt時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)彈相對(duì)位置距離等于導(dǎo)彈真實(shí)的相對(duì)位置距離。

導(dǎo)彈自位置A傳回紅外圖像，經(jīng)時(shí)間Δt目標(biāo)指示信息傳回導(dǎo)彈數(shù)據(jù)接收設(shè)備并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，導(dǎo)彈飛至位置B。AD為導(dǎo)引頭視場(chǎng)中心線，DE為視場(chǎng)在目標(biāo)平面內(nèi)的半寬，A?為導(dǎo)彈初始時(shí)刻慣導(dǎo)測(cè)量位置，B?為經(jīng)Δt后慣導(dǎo)測(cè)量位置。φ1為導(dǎo)彈在位置A時(shí)刻的導(dǎo)引量，φ2為導(dǎo)彈在位置B時(shí)刻的導(dǎo)引量，s1為位置A與位置B之間的相對(duì)距離，s2為在位置B時(shí)導(dǎo)彈在導(dǎo)引頭視場(chǎng)中心線上的位置與經(jīng)過目標(biāo)的縱平面的垂直距離，s3即DM為導(dǎo)引頭視場(chǎng)中心線與目標(biāo)間的水平距離（即導(dǎo)彈落點(diǎn)的橫向誤差）； s4與s5分別為導(dǎo)彈在位置B與位置A時(shí)刻距目標(biāo)的距離，如圖1所示。

導(dǎo)彈在位置A回傳信息至發(fā)射平臺(tái)與在位置B收到目標(biāo)的指示信息之間的延遲時(shí)間大約為0.1s～1.0s之間，所以可以將α?看成小量，從而得到=α［11］。如圖 1 所示，可得到近似公式如下：?= φ1，=s1

由圖中三角關(guān)系解算，可得導(dǎo)彈在位置B的導(dǎo)引量為

其中s5、φ1可直接測(cè)得，s1可根據(jù)導(dǎo)彈速度與Δt求得。

經(jīng)一次誤差修正后導(dǎo)彈落點(diǎn)距目標(biāo)的水平誤差為

在一次修正的基礎(chǔ)上，以修正后的導(dǎo)引量為初始導(dǎo)引量，進(jìn)行二次修正：

求得目標(biāo)水平誤差ssw，以提高人在回路控制的精度。采用本延時(shí)修正方法計(jì)算出導(dǎo)彈在高度上的誤差，并進(jìn)行二次修正得到目標(biāo)高度誤差sgw，然后通過下式得到導(dǎo)彈落點(diǎn)距目標(biāo)的誤差：

4 人在回路誤差修正仿真

用Matlab進(jìn)行了仿真。仿真條件如下：導(dǎo)彈初始導(dǎo)引量=3°，速度 v=250m/s，導(dǎo)彈在末端的加速度為3g，時(shí)間延遲Δt=1s，給定初始導(dǎo)彈慣導(dǎo)測(cè)量位置離目標(biāo)的距離為0km～20km。［12］

4.1 初始導(dǎo)引量對(duì)誤差的影響

當(dāng)導(dǎo)彈距目標(biāo)的真實(shí)距離不變時(shí)，初始導(dǎo)引量與目標(biāo)水平誤差關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，在水平方向上的初始導(dǎo)引量越大，目標(biāo)水平誤差越大，而經(jīng)過二次延時(shí)修正后，目標(biāo)水平誤差基本為零。同理可知目標(biāo)高度誤差及目標(biāo)命中誤差經(jīng)二次延時(shí)修正后，誤差基本為零，二次延時(shí)修正方法對(duì)不同初始導(dǎo)引量下的目標(biāo)命中誤差有較好的修正效果。

4.2 彈目真實(shí)距離對(duì)誤差的影響

當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)距離小于1km時(shí)，二次延時(shí)修正方法隨著距離的減小，慣導(dǎo)測(cè)量誤差對(duì)精度的影響比重會(huì)越來越大，從而導(dǎo)致目標(biāo)橫向偏差增大。

當(dāng)導(dǎo)目真實(shí)距離在1000m以下時(shí)，不再進(jìn)行二次延時(shí)修正方法修正，主要考慮以下原因：二次延時(shí)修正在仿真計(jì)算中至少需要2s以上的時(shí)間，即大約需要560m的方法解算距離，且根據(jù)仿真結(jié)果距離小于850m時(shí)誤差有突變趨勢(shì)，所以在1000m以下時(shí)使用延時(shí)修正方法解算目標(biāo)命中誤差已經(jīng)沒有實(shí)際意義，如圖3所示。

當(dāng)初始導(dǎo)引量不變時(shí)，導(dǎo)彈距目標(biāo)真實(shí)距離s5與目標(biāo)水平誤差關(guān)系如圖4、5所示。

由圖4、圖5可以看出，隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)真實(shí)距離的增大，未加延時(shí)修正時(shí)目標(biāo)水平誤差隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)距離的增大由0m～1000m以上，經(jīng)一次延時(shí)修正后，誤差小于3m并保持穩(wěn)定，經(jīng)二次延時(shí)修正后，目標(biāo)水平誤差基本為0。由此可見，經(jīng)二次延時(shí)修正法修正后，目標(biāo)命中誤差明顯變小，導(dǎo)彈的命中精度顯著提高。

5 結(jié)語

本文以艦載對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈為研究背景，分析紅外成像條件下的人在回路制導(dǎo)工作過程，針對(duì)人在回路數(shù)據(jù)傳輸及處理存在時(shí)間延遲的問題提出了二次延時(shí)誤差修正方法，使用Matlab對(duì)此方法進(jìn)行仿真，得到修正后初始導(dǎo)引量與目標(biāo)命中誤差的關(guān)系，以及彈目距離與導(dǎo)彈命中誤差的關(guān)系，并將一次修正與二次修正對(duì)比分析，一次修正后誤差小于3m，二次修正后誤差基本為0，可見該方法在距目標(biāo)一定范圍之外能夠?qū)r(shí)延誤差有效補(bǔ)償。本文在仿真模型假設(shè)條件方面與實(shí)際武器裝備性能還存在一定差別，需要進(jìn)一步驗(yàn)證，但二次時(shí)間延遲修正方法對(duì)提高艦載對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈命中概率具有一定借鑒意義。

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