吳軍輝,王 敏,李 慧,許振領,郭正紅,王重陽

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

1 引 言

光電定向干擾裝備的主要作戰(zhàn)對象為來襲飛機的光電觀瞄設備和光電制導武器的導引頭,主要由雷達引導設備、紅外偵察告警設備、紅外捕獲跟蹤設備和激光干擾設備組成[1]。作戰(zhàn)狀態(tài)下,經常通過指控設備接收上級/友鄰的情報信息。仿真試驗是光電定向干擾裝備性能考核的手段之一,紅外偵察告警和紅外捕獲跟蹤設備仿真試驗(包括單體設備試驗及告警跟蹤一體化試驗)主要采用注入式方法。

注入式仿真試驗中,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備的紅外成像探測分系統(tǒng)被圖像仿真與注入設備取代,設備跟蹤伺服分系統(tǒng)、操作手等正常參與工作[2-4],紅外成像探測器效應在紅外場景數(shù)字圖像仿真中考慮[5]。圖像仿真與注入設備需實時采集設備跟蹤架測角傳感器數(shù)據(jù),映射為設備視軸方向,然后進行紅外場景數(shù)字圖像對應的天空背景區(qū)域的選??；根據(jù)動態(tài)戰(zhàn)情空中目標位置想定數(shù)據(jù),計算設備觀測到的目標視線方向,由視軸和目標視線方向差計算目標在紅外場景數(shù)字圖像中的像素位置(簡稱“圖像目標位置”),從而實現(xiàn)紅外偵察告警和捕獲跟蹤設備的閉環(huán)仿真。

裝備仿真試驗是作戰(zhàn)域至仿真域的映射活動,時空維及其參量映射是映射活動核心。作戰(zhàn)狀態(tài)下,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備按照作戰(zhàn)要求布站；仿真狀態(tài)下,設備在室內集中擺放,需要人工設置定位、定向、定姿信息,仿真系統(tǒng)僅利用設備跟蹤架測角傳感器輸出信號實現(xiàn)閉環(huán)仿真。因此,根據(jù)注入式閉環(huán)仿真試驗原理及特點,設計了一種紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備注入式仿真時空映射解決方案,解決了仿真試驗的時空一致性,提出的時空映射方案在某型紅外捕獲跟蹤設備多目標處理能力等戰(zhàn)技性能考核實驗中得到了應用與驗證,同時該方案也能夠適用于紅外偵察告警/捕獲跟蹤一體化注入式仿真試驗。

2 注入式仿真原理

紅外偵察告警和捕獲跟蹤設備注入式仿真試驗原理如圖1所示。紅外偵察告警/捕獲跟蹤圖像仿真與注入單元是注入式仿真系統(tǒng)核心,任務是根據(jù)戰(zhàn)情想定信息和紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備跟蹤架測角傳感器輸出信息,完成目標、背景紅外輻射特性、大氣輻射傳輸特性、紅外成像器效應仿真,實時仿真生成作戰(zhàn)狀態(tài)下設備紅外成像探測器輸出的紅外場景數(shù)字圖像,實時注入到設備圖像信息處理機,處理得出脫靶量驅動跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤目標完成閉環(huán)試驗。上級/友鄰情報信息仿真單元用來仿真遠方空情(如空情雷達情報信息)。

圖1 紅外偵察告警與捕獲跟蹤設備注入式仿真原理Fig.1 Principle of injection simulationfor infrared warning and tracking device

3 空間坐標系和時間定義

3.1 作戰(zhàn)域主要空間坐標系

作戰(zhàn)域空間坐標系主要包括地球坐標系、大地坐標系、戰(zhàn)場坐標系、紅外偵察告警設備站點坐標系(簡稱“偵察坐標系”)、紅外捕獲跟蹤設備站點坐標系(簡稱“跟蹤坐標系”)、情報雷達站點坐標系(簡稱“雷達坐標系”)。地球坐標系為以地球中心為原點的直角坐標系；大地坐標系一般采用WGS84或CGCS2000坐標系(經度、緯度、大地高度)。戰(zhàn)場坐標系的原點取戰(zhàn)場地面/海面某點,X軸在水平面內并指向大地北,Y垂直于水平面(向上為正),Z軸按照右手法則確定,即東北天坐標系。偵察坐標系、跟蹤坐標系、雷達坐標系的定義同戰(zhàn)場坐標系,其坐標原點為設備站點(測量中心),站點坐標由靜態(tài)戰(zhàn)情想定。各坐標系下的坐標可相互轉換,試驗戰(zhàn)情(靜態(tài)戰(zhàn)情和動態(tài)戰(zhàn)情)中想定的坐標量均采用作戰(zhàn)域坐標系。

3.2 作戰(zhàn)域時間

作戰(zhàn)域主要包括日歷絕對時間(Tz0)和作戰(zhàn)時間(tz0)。絕對時間為日歷時間,以年、月、日、時、分、秒表示。作戰(zhàn)時間為以某絕對時間為零時刻(零時間,T0)的相對時間,絕對時間和作戰(zhàn)時間轉轉關系為:

tz0=Tz0-T0

(1)

零時間由靜態(tài)戰(zhàn)情設定,試驗戰(zhàn)情中的時間量(零時間外)一般采用作戰(zhàn)時間。

3.3 仿真域空間坐標系

仿真域空間坐標系主要有紅外偵察告警設備跟蹤架測角傳感器坐標系(簡稱“偵察碼盤坐標系”)和紅外捕獲跟蹤設備跟蹤架測角傳感器坐標系(簡稱“跟蹤碼盤坐標系”)。

注入式仿真試驗中,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備視軸在偵察/跟蹤碼盤坐標系下俯仰、方位角度值與相應碼盤值轉換計算公式如下:

θFQ=(EQ-EQ0)×KQθ×FQE

(2)

φFQ=(AQ-AQ0)×KQφ×FQA

(3)

式中,θFQ、φFQ分別為注入式仿真試驗中,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備視軸在偵察/跟蹤碼盤坐標系下俯仰角度和方位角度值；EQ、AQ為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺俯仰、方位軸碼盤值；EQ0、AQ0為注入式仿真試驗中,定義偵察/跟蹤碼盤坐標系所需的紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺俯仰、方位零點碼盤值。其中,方位零點碼盤值可以根據(jù)需要任意選取,俯仰零點碼盤值取設備視軸與轉臺垂直軸基本垂直時的碼盤值；KQθ、KQφ為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺俯仰、方位碼盤值方向符號,取1或-1,分別代表碼值增大方向與角度值增大方向一致或相反；FQE、FQA為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺俯仰、方位軸碼盤單位值對應的角度值。

3.4 仿真域時間、時鐘

(1)仿真域時鐘

重點關注仿真時鐘(CF0)和紅外捕獲跟蹤設備跟蹤架測角傳感器采樣時鐘(CF1)。

仿真時鐘是一體化仿真試驗中唯一基本時鐘,由物理設備產生(如時統(tǒng)、時鐘設備),用于仿真進程推進,實現(xiàn)仿真系統(tǒng)各裝備、各模塊時間統(tǒng)一和同步運行。仿真時鐘基礎周期一般為1 ms,由其派生其他時鐘周期。

紅外捕獲跟蹤設備跟蹤架測角傳感器采樣時鐘用作紅外場景數(shù)字圖像仿真和注入的觸發(fā)信號,通過優(yōu)化設計注入式仿真試驗的工作時序[6],確保實現(xiàn)高逼真的紅外捕獲跟蹤閉環(huán)仿真。碼盤采樣時鐘周期為紅外捕獲跟蹤設備的成像幀周期。

(2)仿真域時間

仿真域時間量主要有絕對時間(TF0)、相對時間(TF1)、仿真時間(tF0)和邏輯時間(tF1)。TF0是仿真試驗實施過程中的日歷時間。TF1為仿真試驗實施過程中以某絕對時間為零時刻的相對時間。tF0為以物理設備產生的仿真時鐘的計數(shù)時間,1個計數(shù)值對應的時間量為仿真時鐘周期。tF1是以仿真時鐘計數(shù)為基數(shù)的時間,1個計數(shù)值對應的時間量由人工規(guī)定,可以等于、大于或小于仿真時鐘周期,對應實時、欠實時、超實時仿真。TF1、tF0和tF1的零點時刻一般均取仿真開始時刻。TF0和TF1的關系為:

TF1=TF0-仿真開始時刻對應的絕對時間

(4)

對于半實物仿真,因為物理設備產生的仿真時鐘精度較高,tF0和TF1近似相等,且tF1一般等于TF1:

tF0≈TF1

(5)

tF1=TF1

(6)

因此,半實物仿真中,tF0和tF1的關系為:

tF0≈tF1

(7)

4 作戰(zhàn)域、仿真域時空映射方案

4.1 動態(tài)戰(zhàn)情空中目標坐標映射方案及圖像目標位置計算方法

在作戰(zhàn)域戰(zhàn)場坐標系下,動態(tài)戰(zhàn)情空中目標直角坐標為(xz0,yz0,zz0),紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備站點直角坐標為(xQ,yQ,zQ),則動態(tài)戰(zhàn)情空中目標在作戰(zhàn)域偵察/跟蹤坐標系下的直角坐標(xzQ,yzQ,zzQ)和極坐標(θzQ,φzQ,rzQ)為:

xzQ=xz0-ΔxQ;yzQ

=yz0-ΔyQ;zzQ

=zz0-ΔzQ

(8)

在體系或一體化注入式仿真試驗中,動態(tài)戰(zhàn)情中的空中目標在仿真域偵察/跟蹤碼盤坐標系下的極坐標為(θFP,φFP,rFP)。以作戰(zhàn)域紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備站點坐標系和仿真域紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備碼盤坐標系為橋梁,根據(jù)式(10)～式(14)建立了動態(tài)戰(zhàn)情空中目標空間坐標的映射關系:

rFP≡rzQ

(10)

θFP=θzQ-ΔθQC+(ΔEQC-EQ0)×KQθ×FQE

(11)

φFP=φzQ-ΔφQC+(ΔAQC-AQ0)×KQφ×FQA

(12)

ΔθQC=IQHcos(φzQ-αQH)

(13)

ΔφQC=IQHsin(φzQ-αQH)tanθzQ

(14)

式中,IQH、αQH為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺垂直軸誤差和垂直軸傾斜方向(大地方位角),由靜態(tài)戰(zhàn)情想定；ΔAQC、ΔEQC為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺定向誤差(轉臺調平并光軸指向大地北時的方位碼盤值)和零位誤差(轉臺調平并光軸與水平面水平時的俯仰碼盤值),由靜態(tài)戰(zhàn)情想定；由于紅外偵察告警、捕獲跟蹤設備的視軸誤差和水平軸誤差較小,上面映射公式忽略這兩項軸系誤差。ΔφQC、ΔθQC為垂直軸誤差對方位角和俯仰角的修正量。

開展紅外偵察告警、捕獲跟蹤單體設備注入式仿真試驗時,可以把IQH想定為零,ΔAQC、ΔEQC想定值分別為AQ0、EQ0,則(θFP,φFP,rFP)與(θzQ,φzQ,rzQ)的映射關系可簡化為下式:

θFP≡θzQ;φFP≡φzQ;rFP≡rzQ

(15)

注入式仿真試驗中,圖像目標位置計算公式如下所示:

pθP=(θFQ-θFP)/wθQ

(16)

pφP=(φFQ-φFP)/wφQ

(17)

式中,pθP、pφP分別為注入式仿真試驗中,空中目標在仿真生成的紅外場景數(shù)字圖像中的俯仰、方位位置,即圖像目標位置,單位像素；wθQ、wφQ分別為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備俯仰、方位角度分辨率。

4.2 紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備定位、定向、定姿數(shù)據(jù)模擬方法

在作戰(zhàn)過程中,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備一般同時接收指控設備發(fā)送的空中目標位置情報信息,然后生成空情信息并上報指控設備。設備接收情報信息進行目標引導和生成空情信息數(shù)據(jù)處理過程中,均需要利用設備自身的定位、定向、定姿測量數(shù)據(jù)。而在注入式仿真試驗中,各設備與作戰(zhàn)狀態(tài)下設備布站不對應,其定位、定向、定姿測量裝置不工作,因此不能使用設備自身的定位、定向、定姿測量裝置的測量數(shù)據(jù),而采用模擬測量值,模擬測量值為戰(zhàn)情想定值與測量誤差模擬值之和,即:

xz0Y=ΔxQ+δx;yz0Y=ΔyQ+δy;zz0Y=ΔzQ+δz

(18)

IYH=IQH+δI;αYH=αQH+δα

(19)

ΔAYC=ΔAQC+δA;ΔEYC=ΔEQC+δE

(20)

式中,xz0Y、yz0Y、zz0Y為戰(zhàn)場坐標系下紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備站點定位模擬值；IYH、αYH為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺垂直軸誤差和垂直軸傾斜方向(大地方位角)模擬測量值；ΔAYC、ΔEYC為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺定向誤差和零位誤差模擬測量值；δx、δy、δz為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備站點定位誤差模擬值；δI、δα為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺垂直軸誤差和垂直軸傾斜方向(大地方位角)測量誤差模擬值；δA、δE為紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備轉臺定向誤差和零位誤差測量誤差模擬值。

在空情信息生成過程中,紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備根據(jù)圖像目標位置提取值(pθY,pφY)和跟蹤架測角傳感器數(shù)據(jù)(EQ,AQ),一般按照(21)～(25)式解算作戰(zhàn)域偵察/跟蹤坐標系下的目標位置(θzY,φzY),并轉換為大地坐標系或地球坐標系下坐標值(轉換公式略)后上傳給指控設備。

θzY=pθYwθQ+ΔθWC+(EQ-ΔEYC)KQθFQE

(21)

φzY=pφYwφQ+ΔφWC+(AQ-ΔAYC)KQφFQA

(22)

ΔθWC=IYHcos(φzD-αYH)

(23)

ΔφWC=IYHsin(φzD-αYH)

(24)

φzD=(AQ-ΔAYC)KQφFQA+pφYwφQ

(25)

紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備接收指控設備下發(fā)的作戰(zhàn)域大地坐標系或地球坐標系下的目標位置情報信息,先轉換為偵察/跟蹤坐標系下的目標位置情報信息(θzY,φzY)(轉換公式略)后,一般再按照(26)～(29)式解算設備跟蹤架測角傳感器值(EQ,AQ),實現(xiàn)引導功能。

EQ=(θzY-ΔθYC)/KQθ/FQE+ΔEYC

(26)

AQ=(φzY-ΔφYC)/KQφ/FQA+ΔAYC

(27)

ΔθYC=IYHcos(φzY-αYH)

(28)

ΔφYC=IYHsin(φzY-αYH)

(29)

4.3 上級/友鄰情報信息仿真

注入式仿真試驗中,仿真系統(tǒng)需要通過數(shù)學仿真手段來模擬生成上級或友鄰發(fā)送空中目標位置情報信息(一般來源于空情雷達)?？罩心繕宋恢们閳笮畔⒒趧討B(tài)戰(zhàn)情空中目標位置信息和空情雷達測量誤差進行仿真,如圖2所示。

圖2 雷達情報引導信息仿真流程圖Fig.2 Simulation flow of radar guide information

基本步驟是:將動態(tài)戰(zhàn)情空中目標位置坐標轉換空情雷達站點坐標系下的坐標值(簡稱“目標坐標真值”),此處坐標轉換采用空情雷達站點坐標真值(靜態(tài)戰(zhàn)情想定值)；進行空情雷達測量誤差仿真；將目標坐標真值疊加空情雷達測量誤差,即為目標位置雷達測量值；最后,將目標位置雷達測量值轉換為作戰(zhàn)域大地坐標系或地球坐標系下的坐標值,即為空中目標位置情報信息,此處坐標轉換采用空情雷達站點坐標測量值(靜態(tài)戰(zhàn)情想定值+雷達站點定位誤差)。如圖2所示在雷達情報引導仿真時,同時考慮了雷達定位誤差與雷達角度探測誤差因素,可采用基于實測數(shù)據(jù)的方式對雷達角度探測誤差進行仿真,保證了引導信息仿真逼真度。

4.4 作戰(zhàn)域、仿真域時間映射方案

選擇作戰(zhàn)域作戰(zhàn)時間(tz0)和仿真域邏輯時間(tF1)作為橋梁來實現(xiàn)作戰(zhàn)域、仿真域時間映射,tz0和tF1的映射關系為:

tF1≡tz0-T1

(30)

式中,T1為時間映射偏差量,亦即邏輯時間零時刻映射對應的作戰(zhàn)時間,由仿真系統(tǒng)參數(shù)配置確定。

5 映射方案實驗驗證

開展注入式仿真實驗時,首先進行戰(zhàn)情設計,分別想定情報雷達、紅外偵查告警和紅外捕獲跟蹤設備以及目標、干擾的空間位置在戰(zhàn)場坐標系的大地坐標；然后進行映射處理,具體處理方式有兩種:一是手動輸入各裝備車站點大地坐標,二是各裝備車大地坐標采用其定位設備實測值,在映射過程中,利用上述時空映射方案保證了各個裝備車之間以及目標相對于紅外偵察告警和跟蹤裝備車的相對位置不變。

通過研究作戰(zhàn)域、仿真域的時空坐標系及兩域間映射機制,下面采用紅外數(shù)字圖像閉環(huán)注入式仿真試驗方法進行某型紅外捕獲跟蹤設備多目標處理能力實驗為例進行映射方案的驗證。設計了兩種戰(zhàn)情,戰(zhàn)情1為敵軍4機編隊F-16飛機水平勻速逼近飛行,航速0.9 Ma,航高為7 km,航捷為0,氣象條件為溫度15 ℃,相對濕度20%,能見度23 km。戰(zhàn)情2為5架F-16飛機編隊飛行,其余條件同戰(zhàn)情1。實驗結果分別如表1和圖3所示。

結果表明:紅外捕獲跟蹤設備能夠同時捕獲4個目標,能夠在不同目標之間進行切換跟蹤,實驗結果也從側面驗證了文中提出的時空映射方案的正確性。

表1 紅外捕獲跟蹤設備多目標處理能力實驗結果Tab.1 Result of multi-target processing test for infrared capturing and tracking device

備注:戰(zhàn)情想定時間:中午12時。

圖3 紅外捕獲跟蹤設備多目標處理能力實驗截圖Fig.3 Screen result of multi-target processing test for infrared capturing and tracking device

6 結束語

基于注入式閉環(huán)仿真試驗需求,提出了紅外偵察告警和捕獲跟蹤設備仿真時空映射方案,解決了時空一致性問題并在實際任務中得到了應用和驗證。提出的時空映射方案同樣適用于體系對抗環(huán)境下的紅外偵察告警/捕獲跟蹤設備注入式仿真試驗。采用提出的時空映射方案可保證在設備誤差仿真和情報信息仿真等方面滿足注入式仿真試驗時空一致性需求。

在此基礎上通過完成數(shù)字圖像實時仿真與注入、被試設備與注入式仿真系統(tǒng)連接后跟蹤伺服回路性能一致性分析控制等關鍵技術,最終實現(xiàn)了紅外偵察告警和捕獲跟蹤設備多種戰(zhàn)技性能,如作用距離、威脅等級排序、多目標處理能力、機彈切換能力、跟瞄精度等的注入式閉環(huán)仿真測試。