王 娜，金振中，賀榮國

（92493部隊，遼寧葫蘆島125000）

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗中協(xié)同目標(biāo)指示模擬

王 娜，金振中，賀榮國

（92493部隊，遼寧葫蘆島125000）

針對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗中亟需解決的協(xié)同目標(biāo)指示難題，借鑒美海軍實際經(jīng)驗，提出了不動用艦艇條件下的協(xié)同目標(biāo)指示模擬總體方案。介紹了協(xié)同目標(biāo)指示模擬采用的測控信息預(yù)處理、時空同步和信息融合跟蹤方案，重點研究了測控信息實時精度匹配方案，提出了基于誤差合成分配技術(shù)的卡爾曼濾波實時精度匹配方法，并分析了協(xié)同目標(biāo)信息傳輸性能需求。運(yùn)用Simulink仿真技術(shù)驗證了提出的目標(biāo)指示模擬方案的有效性。

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)；協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗；協(xié)同目標(biāo)指示；精度匹配；傳輸性能

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗通常需要多艘協(xié)同艦艇和大量試驗保障兵力，不僅試驗費用高昂、試驗效費比低，而且試驗風(fēng)險大、試驗組織實施困難。因此，亟需研究如何對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)能力進(jìn)行安全有效考核。

20世紀(jì)80年代中期，美海軍根據(jù)戰(zhàn)斗群防空戰(zhàn)協(xié)同計劃設(shè)想，提出了協(xié)同作戰(zhàn)能力（CEC）的概念[1-2]。即將傳感器聯(lián)網(wǎng)，武器協(xié)同控制構(gòu)成協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將航母戰(zhàn)斗群中各艦艇的目標(biāo)探測系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和預(yù)警機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)作戰(zhàn)信息共享，武器共用，統(tǒng)一協(xié)調(diào)戰(zhàn)斗行動。

為了檢驗協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的性能，1996年1月末，美海軍在夏威夷沿岸成功地進(jìn)行了代號為“山頂”的演示試驗[3]。試驗將一部搜索雷達(dá)、一部SPG-62照射雷達(dá)和協(xié)調(diào)作戰(zhàn)能力（CEC）的數(shù)據(jù)與處理設(shè)備放置在853.4m的山頂上，以模擬空中平臺，CEC設(shè)備將BQM-74靶機(jī)（模擬反艦導(dǎo)彈）的跟蹤數(shù)據(jù)反饋給附近的“宙斯盾”巡洋艦，該艦上4枚齊射的SM-2導(dǎo)彈擊落了3架掠海飛行的BQM-74靶機(jī)。

借鑒美海軍經(jīng)驗，艦空導(dǎo)彈射擊解算單元不必知道目標(biāo)數(shù)據(jù)來自哪艘艦艇、哪個跟蹤器，只要目標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量符合協(xié)同目標(biāo)指示要求就可以了[4]?？紤]靶場實際情況，本文提出在現(xiàn)有保障兵力基礎(chǔ)上，通過對作戰(zhàn)平臺的目標(biāo)指示特性進(jìn)行逼真、有效地模擬，實現(xiàn)對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力的有效考核。

1 基于協(xié)同目標(biāo)指示的艦空導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)

艦艇編隊協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)是信息時代海上基本作戰(zhàn)形式[5]。艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)的功能重點體現(xiàn)在運(yùn)用導(dǎo)彈進(jìn)行超視距攻擊或攔截[6]。針對各種類型的超低空目標(biāo)和反艦導(dǎo)彈對水面艦艇艦空導(dǎo)彈構(gòu)成的嚴(yán)重威脅，可以綜合利用艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)以外或其他艦上傳感器測量信息，協(xié)同完成對多方向、多層次飛機(jī)目標(biāo)或反艦導(dǎo)彈的探測、跟蹤，實現(xiàn)目標(biāo)探測跟蹤信息共享。艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)接收多部目標(biāo)探測跟蹤雷達(dá)信息，導(dǎo)彈在超低空超視距飛行中，制導(dǎo)信息由多部跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)提供，克服雷達(dá)視距限制，實現(xiàn)對目標(biāo)超視距攔截，擴(kuò)大艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)空域。針對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)一次攔截過程中目標(biāo)數(shù)據(jù)來源情況，艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)主要包括2種典型作戰(zhàn)模式：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交戰(zhàn)和航跡合成。

1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交戰(zhàn)

本艦武控系統(tǒng)根據(jù)它艦制導(dǎo)雷達(dá)目標(biāo)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行射擊諸元解算、導(dǎo)彈發(fā)射等工作，導(dǎo)彈發(fā)射后，由本艦制導(dǎo)雷達(dá)根據(jù)它艦制導(dǎo)雷達(dá)目標(biāo)精跟信息和本艦制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)彈精跟信息，完成對導(dǎo)彈的跟蹤與制導(dǎo)，直至彈目交會。[7]

1.2 航跡合成

航跡合成作戰(zhàn)模式主要是指艦空導(dǎo)彈武器在對空作戰(zhàn)時，目標(biāo)探測跟蹤信息由2部以上制導(dǎo)雷達(dá)共同完成。采用該種作戰(zhàn)模式可用來提高航跡的穩(wěn)定性和連續(xù)性，并適用于抗干擾作戰(zhàn)，如制導(dǎo)雷達(dá)遭遇自衛(wèi)干擾后，可以利用2部制導(dǎo)雷達(dá)的被動跟蹤信息實施被動交叉定位解算、或者利用它艦未受干擾的制導(dǎo)雷達(dá)距離信息對本艦制導(dǎo)雷達(dá)進(jìn)行距離信息支援，角度信息采用本艦制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤信息，從而恢復(fù)本艦武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力。

2 協(xié)同目標(biāo)指示模擬總體方案

協(xié)同目標(biāo)指示模擬總體方案如圖1所示。在對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)模式分析研究的基礎(chǔ)上，需要對外部信息源測量信息進(jìn)行信息預(yù)處理、時空同步、測控信息融合跟蹤和實時精度匹配，得到連續(xù)穩(wěn)定、精度匹配的目標(biāo)指示信息后，分析試驗中的目標(biāo)指示信息傳輸性能需求，最后運(yùn)用Simulink仿真技術(shù)驗證了提出的目標(biāo)指示模擬方案的有效性。

本節(jié)將簡介如何采用現(xiàn)有技術(shù)方法實現(xiàn)測控信息預(yù)處理、時空同步和測控信息融合跟蹤。關(guān)于測控信息實時精度匹配方案、目標(biāo)指示信息傳輸性能分析以及目標(biāo)指示有效性驗證實驗等，將分別在第3～5節(jié)重點研究。

2.1 測控信息預(yù)處理方案

多部測控裝備的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)信息格式、內(nèi)容均不一致，并且由于測量裝備本身、數(shù)據(jù)傳輸、人工操作等原因，形成了野值。因此，需要對各種信息源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理的需求。信息預(yù)處理主要完成以下工作：

1）數(shù)據(jù)有效性及連續(xù)性判斷。將測控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)輸出坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)值域?qū)?shù)據(jù)取值范圍進(jìn)行判斷，利用前后幀數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)的連續(xù)性進(jìn)行判斷。

2）數(shù)據(jù)野值剔除。為滿足數(shù)據(jù)實時處理的要求，可以利用基于卡爾曼濾波技術(shù)的野值剔除法[8]和基于自適應(yīng)門限的外推擬合野值剔除法[9]。

3）由于某些測控裝備不能直接測量得到目標(biāo)速度信息，而武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)提供的目標(biāo)指示信息中包括目標(biāo)速度信息，因而須對接收到的測控系統(tǒng)目標(biāo)信息進(jìn)行二次濾波處理，得到目標(biāo)速度信息。可利用工程上易實現(xiàn)的α-β濾波器[10]進(jìn)行二次濾波，通過對位置信息的濾波，得到測控裝備的目標(biāo)速度信息。

2.2 測控信息時空同步方案

對多個測控裝備信息進(jìn)行時空同步處理時，統(tǒng)一采用武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出坐標(biāo)系，實現(xiàn)信息源的空間對準(zhǔn)。由于目標(biāo)測量信息傳輸?shù)轿淦飨到y(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸延時，須將各測控裝備的目標(biāo)航跡外推至武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)的當(dāng)前時刻[11]。

2.2.1 空間統(tǒng)一方案

在試驗測控系統(tǒng)中，每個測控站點都有自己的測量數(shù)據(jù)，要將多個測控站點對同一目標(biāo)的測量信息融合為一體，首先要解決不同坐標(biāo)系下測量數(shù)據(jù)的空間對準(zhǔn)問題。目前，目標(biāo)測量主要有光測、雷測和GPS測量3種，采用的坐標(biāo)系包括大地坐標(biāo)系、本地直角坐標(biāo)系和本地極坐標(biāo)系等[11]。須要借助地心直角坐標(biāo)系解決大地坐標(biāo)系和本地直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問題。幾種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

2.2.2 時間對準(zhǔn)方案

針對目標(biāo)速度確定、速度不確定和實時配準(zhǔn)3種情況，分別采用3種時間對準(zhǔn)方法實現(xiàn)測控信息時間對準(zhǔn)。

1）線性外推方法[12]。該方法主要針對速度已知情況，利用速度內(nèi)插、外推進(jìn)行時間配準(zhǔn)。

2）拉格朗日三點插值法[13]。拉格朗日三點插值法是一種常用的時間配準(zhǔn)方法，在不確定目標(biāo)速度情況時經(jīng)常采用。

3）基于最小二乘的曲線擬合方法[14]。時間對準(zhǔn)過程中如果用拉格朗日法進(jìn)行插值配準(zhǔn)，融合得到的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)會比當(dāng)前目標(biāo)位置滯后一個數(shù)據(jù)周期，不能實時確定目標(biāo)當(dāng)前的位置。為解決實時性問題，可將插值區(qū)間前推一個周期，利用二點估計值和一點預(yù)測值在當(dāng)前時刻進(jìn)行插值配準(zhǔn)，解決融合目標(biāo)位置數(shù)據(jù)時間滯后的問題，達(dá)到實時配準(zhǔn)的目的。

2.3 測控信息融合跟蹤方案

通過測控裝備的組合及對所有測控裝備獲得的信息進(jìn)行融合處理、綜合分析，以改進(jìn)目標(biāo)跟蹤質(zhì)量并形成精確、連續(xù)的目標(biāo)融合航跡，為艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供可靠、有效的協(xié)同目標(biāo)指示。在航跡信息融合時，可采用集中式融合和分布式融合2種結(jié)構(gòu)。集中式融合方法精度高，但計算量大，不利于濾波的實時運(yùn)行及故障的診斷和自適應(yīng)處理，容錯性差。分布式結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了這一缺點，廣泛地應(yīng)用于實時系統(tǒng)。因此，測控信息融合可采用聯(lián)合濾波融合算法。該算法具有計算簡單、容錯性強(qiáng)、設(shè)計結(jié)構(gòu)靈活、適合于實時工作等特點。[15]

3 實時精度匹配方案

在艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗中，要求將目標(biāo)指示信息實時提供給試驗平臺的武控系統(tǒng)，且要求目標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量與各艦載傳感器提供的目標(biāo)精度相當(dāng)，滿足武器協(xié)同打擊的要求。但是測量裝備的測量精度通常與協(xié)同目標(biāo)指示要求的精度不匹配，因此，在獲得基于測控信息的目標(biāo)融合信息基礎(chǔ)上，須要研究實時精度匹配方案，以獲得與武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)所需測量精度相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)指示信息。如圖3所示，首先結(jié)合測控裝備精度指標(biāo)，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差特性[16]，利用測量精度評估方法[17]進(jìn)行實測數(shù)據(jù)分析，給出測控裝備精度評估結(jié)果；然后，在研究系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的合成和分配相關(guān)技術(shù)[18]的基礎(chǔ)上，根據(jù)武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)的測量精度與測控裝備測量精度之間的大小關(guān)系，提出利用基于誤差合成分配技術(shù)的卡爾曼濾波方法實現(xiàn)武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)與測控裝備測量精度匹配。

考慮系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差2個影響因素，武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)A的系統(tǒng)誤差σsA在一定范圍和條件下通常認(rèn)為是固定值，隨機(jī)誤差σvA通常認(rèn)為是高斯分布。武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)A提供的目標(biāo)信息ZA為：

式（1）中：Z是模擬獲得的試驗平臺的目標(biāo)信息；G(?)是高斯函數(shù)。

若測控裝備Z0被看作由目標(biāo)真值，系統(tǒng)誤差σs0和隨機(jī)誤差σv03部分組成，即：

將式（2）代入式（1），可以得到：

由于系統(tǒng)誤差采用代數(shù)和法進(jìn)行合成，因而這里重點研究隨機(jī)誤差引起的精度變化，根據(jù)武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)的隨機(jī)誤差與測控裝備隨機(jī)誤差之間的大小關(guān)系，需要分別針對以下2種情況進(jìn)行研究。

3.1 武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)精度低于測控裝備精度

根據(jù)隨機(jī)誤差合成方法可以得到：

用式（1）、（2），求均值，由于隨機(jī)誤差求均值mean[G(σvA)-G(σv0)]趨向于0，可以得到武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)與測控裝備的系統(tǒng)誤差的差值(σsA-σs0)的均值，代入式（3），即得武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)測量值ZA。

3.2 武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)精度高于測控裝備精度

在這種情況下，式（3）可以簡寫為：

式中，ZsA=Z0+(σsA-σs0)。

式中，B%表示測控裝備的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波后得到的隨機(jī)誤差值。

對于固定算法，其提高精度的能力是一定的，要求濾波算法的跟蹤性能G(σv0)×B%＜G(σvA)。在此基礎(chǔ)上，利用式（4）中的方法進(jìn)行精度匹配，將式（7）帶入式（6），即得測量值ZA。

4 協(xié)同目標(biāo)指示傳輸性能需求分析

在艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)過程中，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍崿F(xiàn)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)間協(xié)同作戰(zhàn)的重要保障[19]，各平臺獲得的信息需要通過數(shù)據(jù)鏈及時地傳送到編隊內(nèi)其他作戰(zhàn)平臺的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊里。為了對協(xié)同反導(dǎo)過程中的目標(biāo)指示信息傳輸過程進(jìn)行逼真、有效地模擬，需要對協(xié)同目標(biāo)指示要求的對海通信傳輸能力研究，用于指導(dǎo)試驗通信保障能力建設(shè)。

1）低時延傳輸。武器協(xié)同應(yīng)用所搭載的平臺一般處于相對快速運(yùn)動中，其跟蹤、捕獲、定位和攻擊的對象也是時敏目標(biāo)，這就要求系統(tǒng)必須采用精密高效的跟蹤算法（精度到m級）。此類算法要求數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)具備ms級的信息傳輸時延和較高的信息傳輸帶寬（幾百kb/s以上），以提高信息共享的實時性。

2）較高的傳輸準(zhǔn)確性。海上協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)對對海傳輸準(zhǔn)確性有較高要求，其數(shù)據(jù)傳輸誤碼率≤10-6。

5 協(xié)同目標(biāo)指示有效性驗證實驗

5.1 協(xié)同目標(biāo)指示精度匹配性驗證實驗

為了檢驗第3節(jié)提出的實時精度匹配方法的性能，本節(jié)進(jìn)行仿真實驗驗證。當(dāng)武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)測量精度低于測控裝備測量精度時，要求匹配后的距離系統(tǒng)誤差為5m，方位系統(tǒng)誤差為0.08°，距離隨機(jī)誤差為20m，方位隨機(jī)誤差為0.3°，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 降低精度匹配方法精度統(tǒng)計結(jié)果比對Tab.1 Results of precision matching method to degrade precision

當(dāng)武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)測量精度高于測控裝備測量精度時，要求匹配后的距離隨機(jī)誤差為20 m，方位隨機(jī)誤差為0.3°，隨機(jī)誤差的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 提高精度匹配方法精度統(tǒng)計結(jié)果比對Tab.2 Results of precision matching method to improve precision

從表1、2中可以得到，在誤差允許范圍內(nèi)（相差一個數(shù)量級），精度匹配方法可滿足工程使用要求。

5.2 協(xié)同目標(biāo)指示傳輸性能驗證實驗

對試驗現(xiàn)有通信能力與協(xié)同目標(biāo)指示要求的對海通信傳輸能力進(jìn)行比較分析可以得到，在通信鏈路正常情況下，通信系統(tǒng)可以滿足協(xié)同目標(biāo)指示要求的時延和誤碼率。因此，需要驗證在試驗時通信鏈路性能下降情況下，到達(dá)武器系統(tǒng)前端的模擬目標(biāo)指示信息經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法處理后，是否滿足協(xié)同目標(biāo)指示要求的誤碼率。

構(gòu)建跳頻電臺Simulink仿真模型[19]模擬通信系統(tǒng)性能下降情形下的信息傳輸誤碼率。本文提出的協(xié)同目標(biāo)指示模擬方案對信息傳輸中誤碼的糾錯能力驗證原理如圖4所示。將測量數(shù)據(jù)分2路，一路經(jīng)跳頻電臺仿真模型后輸入數(shù)據(jù)處理算法，另一路直接輸入數(shù)據(jù)處理算法，然后對2路輸出信息進(jìn)行比較評估。

圖5為當(dāng)信道信噪比-16dB時，傳輸仿真數(shù)據(jù)得到誤碼率為1.138×10-5，產(chǎn)生的誤碼數(shù)為9。對原始仿真值和經(jīng)過模擬的通信系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖6～9所示。圖中用局部放大的方式標(biāo)注出了通信誤碼對傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的2種典型影響。

從圖7中可以得到，該誤碼對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響與野值的特性相似，因此，可以通過野值剔除技術(shù)去除，如圖8所示的誤碼對數(shù)據(jù)的影響與測量誤差特性相似，可以通過濾波技術(shù)去除。利用數(shù)據(jù)處理算法對原始仿真數(shù)據(jù)和經(jīng)過模擬的通信系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，受誤碼影響的方位和俯仰測量結(jié)果如圖10、11所示。從圖10、11可以得到，數(shù)據(jù)處理算法可以克服數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)傳輸過程中受到的誤碼率的影響，具有一定的容錯能力，保證在通信系統(tǒng)誤碼率增大的情況下仍然可以滿足協(xié)同目標(biāo)指示的誤碼率要求。

6 結(jié)論

本文構(gòu)建了不動用艦艇條件下的協(xié)同目指總體方案，研究表明通過測控信息預(yù)處理、時空同步、信息融合跟蹤和精度匹配等技術(shù)處理，可以形成滿足協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗需要的實時、有效的協(xié)同目標(biāo)指示信息，解決了艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力試驗協(xié)同目標(biāo)指示難題。

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Research on Cooperative Target Indication Simulation in Ship-to-Air Missile Weapon System Cooperative Engagement Capability Test

WANG Na,JIN Zhenzhong,HE Rongguo
（The 92493rdUnit of PLA,Huludao Liaoning 125000,China）

To resolve the difficult problem of cooperative target indication in ship-to-air missile weapon system coopera?tive engagement capability test,learning from American navy practical experience,the cooperative target indication simu?lation program without the condition of real ship formation was proposed.The programs of the target information pretreat?ment technique to get effective information,space-time synchronization technique,information fusion and track technique were given.Moreover,the real-time precision matching technique was studied and the real-time precision matching meth?od by Kalman filering based on error synthesizing and distributing was proposed.Then,the transmission performance is an?alyzed.Finally,the proposed cooperative target indication simulation program was verified by simulink technique and sim?ulation data.

ship-to-air missile weapon system;cooperative engagement capability test;cooperative target indication;pre?cision matching;transmission performance analysis

V217

A

1673-1522（2017）04-0358-07

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.004

2017-06-12；

2017-07-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（61671462）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2014M562619）

王 娜（1982-），女，工程師，博士。