張三喜，張偉光，張思琪，吳海英

(1.中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰 714200；2.西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710049)

引言

目前，制導武器系統(tǒng)制導精度、跟蹤穩(wěn)定性、抗干擾性能以及戰(zhàn)場環(huán)境適應性等關鍵指標和作戰(zhàn)能力的試驗和考核主要采取室內仿真評估、室外掛飛和外場實彈射擊的方法[1-5]。室內仿真試驗，導引頭面向的是仿真的大氣環(huán)境、目標特性、干擾和試驗場景，受模擬條件的限制，室內仿真建模過于理想，對目標環(huán)境瞬變作用機理描述及復現的可信度偏低，導彈脫靶、失控、受干擾丟失目標等現象與復雜環(huán)境之間的關聯關系分析困難。導引頭室外掛飛試驗，可以模擬導彈飛行軌跡和提供真實的靶標和背景，彌補了室內仿真和實彈射擊的不足。但室外導引頭掛飛試驗不但成本很高，而且飛機在飛行過程中不能給導引頭提供姿態(tài)運動，定量測試困難。外場實彈射擊試驗樣本量非常有限，通常設定單一目標環(huán)境且無法保證射擊條件的一致性，只能取近似窗口，難以全面考核出武器系統(tǒng)對環(huán)境和干擾的適應性。

為了在真實的大氣環(huán)境、干擾和目標特性的條件下獲取導引頭的性能參數，并為仿真試驗提供數據支撐，迫切尋求一種介于室內仿真與外場實彈試驗之間的中間驗證考核環(huán)節(jié)，在靶場真實環(huán)境下針對實際靶標目標進行靜態(tài)、動態(tài)跟蹤試驗，可為室內仿真提供目標背景的直接驅動數據，提升仿真逼真度，同時也可多次重復考核制導導引環(huán)節(jié)的關鍵能力，彌補實彈射擊試驗數量的不足。在這種近真實戰(zhàn)場環(huán)境下開展制導武器系統(tǒng)的實裝作戰(zhàn)效能試驗，并與仿真分析預測結果進行對比驗證，可以實現體系貢獻率評估的量化外推與結論閉環(huán)[6-10]。在這方面，國內外都開展了大量的研究工作，目前主要的試驗方法有以下三種。

1) 導引頭開環(huán)跟蹤試驗

將導引頭架設在固定點位或移動平臺上[6]，在真實環(huán)境條件下選擇適當航路，利用真實目標的運動來檢驗導引頭的各項性能指標，如導引頭作用距離、目標選擇性、捕捉可靠性、跟蹤穩(wěn)定性、跟蹤精度、環(huán)境適應能力以及抗干擾性能等，如圖1所示。

圖1 外場導引頭開環(huán)試驗Fig.1 Open-loop test of seekers in outfield

2) 導引頭閉環(huán)跟蹤試驗

為了探索一種簡便經濟的閉環(huán)制導模擬方法，國內采用導引頭搭載飛艇的方法進行制導模擬[2]。不同于導引頭掛飛試驗，該方法利用導引頭測量得到的目標信息，實時控制飛艇向目標做制導飛行(見圖2)。顯然，這種由導引頭引導做制導飛行的飛艇，可以作為干擾對象來檢驗電子干擾對閉環(huán)制導控制過程的干擾效果。

圖2 導引頭安裝在無人飛艇上Fig.2 Seeker mounted on unmanned airship

3) 多導引頭動態(tài)試驗與環(huán)境特征測量

在美國白沙靶場，光電數據獲取與跟蹤系統(tǒng)是在真實環(huán)境試驗中采用真實的目標和對抗措施來研究導引頭對環(huán)境的反應能力[11-13]。它能夠同時支撐六枚導引頭同時進行試驗，事后分析導引頭對不同環(huán)境的適應性。同時，該系統(tǒng)配備了紅外至紫外波段的光譜分析儀、輻射計和成像儀以獲取目標、對抗措施和背景的信號特征。

在作戰(zhàn)試驗中，為了實現接近戰(zhàn)場條件的復雜試驗環(huán)境，一般通過營造煙霧、火光、復雜電磁、自然環(huán)境、地形等環(huán)境實現接近戰(zhàn)場條件，從而準確考核武器裝備的戰(zhàn)術技術性能和環(huán)境適用性。在以上研究的基礎上，針對現有方法的不足，論文提出了一種導引頭面向真實大氣環(huán)境、干擾和目標特性試驗和數據獲取的可視化方法，在接近真實復雜戰(zhàn)場環(huán)境條件下，構建了制導武器系統(tǒng)的可視化動態(tài)測試平臺同步伴隨導引頭跟蹤記錄，獲取導引頭探測、識別和跟蹤目標過程的同步、實時可視化信息并實現導引性能評估。這種方法在靶場環(huán)境下針對實際靶標目標進行靜態(tài)、動態(tài)跟蹤試驗，可為室內仿真提供目標背景的直接驅動數據，提升仿真逼真度，同時，也可多次重復考核導引環(huán)節(jié)的關鍵能力，彌補實彈射擊試驗數量的不足，為武器系統(tǒng)研制過程提供了一種全新的測試驗證手段。

1 導引頭可視化數據獲取方法

基于外場實際測試環(huán)境的導引頭性能可視化數據獲取方法，是接近真實復雜戰(zhàn)場環(huán)境下導引頭性能的考核方法，為激光、毫米波、電視、紅外等制導武器系統(tǒng)提供外場綜合試驗驗證及動態(tài)掛載測試系統(tǒng)平臺，對不同研制階段、不同制導模式的導引頭系統(tǒng)進行集成試驗與測試評估，實現試驗過程信號、圖像采集和傳輸，通過視頻圖像和測試數據實現對制導導引系統(tǒng)性能參數的量化分析與評估。

對于毫米波、激光等測試過程中跟蹤結果不可視的導引頭，無法直接獲取導引頭跟蹤性能參數，而通過空間彈目連線方法計算誤差大。因此，采用加裝可見光成像系統(tǒng)同步伴隨導引頭運動的方法，將導引頭跟蹤捕獲過程可視化，能夠獲取導引頭最大捕獲距離、跟蹤測量精度、抗干擾能力等參數。

1.1 導引頭可視化試驗方法

制導武器系統(tǒng)導引頭性能可視化試驗方法是將需要進行外場試驗測試的導引系統(tǒng)與可視化評估系統(tǒng)通過機電接口集成后，采用固定或地面移動車載平臺，將導引頭安裝在兩軸轉臺上以模擬彈體飛行過程中的姿態(tài)運動，將兩軸轉臺安裝在地面移動平臺上模擬彈體接近靶標過程，在兩軸平臺上加裝可見光成像系統(tǒng)同步伴隨導引頭運動，將導引頭跟蹤捕獲過程可視化。通過對導引頭輸出參數和可視系統(tǒng)圖像進行分析，完成導引頭運動過程性能數據的獲取。該系統(tǒng)適應于激光制導武器、紅外制導武器、毫米波制導武器、圖像制導武器等不同機制類型的武器制導導引頭性能的跟蹤試驗掛載與性能評估。

1.2 試驗系統(tǒng)

可視化二維探測系統(tǒng)主要由導引頭、電視成像分系統(tǒng)、伺服轉臺分系統(tǒng)、圖像存儲器、圖像跟蹤器、顯示控制分系統(tǒng)、標定系統(tǒng)及輔助設備等部分組成，如圖3所示。

圖3 可視化系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of visualization system

電視成像分系統(tǒng)作為可視化系統(tǒng)，直觀顯示導引頭對目標的跟蹤過程；轉臺分系統(tǒng)為電視成像分系統(tǒng)提供運動載體，根據導引頭的指令伴隨導引頭運動；圖像存儲器用于存儲視頻圖像，用于后續(xù)開展對導引頭性能參數評估的依據；圖像跟蹤器用于提供視頻圖像中目標的脫靶量，為導引頭性能評估提供有效數據；顯示控制分系統(tǒng)主要提供人機交互界面、完成與各分系統(tǒng)通訊、圖像信息顯示等功能；電視成像分系統(tǒng)、圖像跟蹤器、圖像存儲器在結構設計時組成在一起，使用時固定在轉臺分系統(tǒng)的俯仰軸上，作為轉臺的負載，可完成方位和俯仰兩個方向的運動；標定分系統(tǒng)完成可視系統(tǒng)和導引頭的光軸-光軸-電軸一致性的標定；輔助設備主要包括電源變換器、設備的安裝固定裝置等。轉臺分系統(tǒng)和導引頭通過固定裝置固定在系統(tǒng)的安裝裝置上，它們與顯示控制分系統(tǒng)通過電纜連接，實現數據交互[14]。系統(tǒng)結構布局如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結構布局Fig.4 Layout of system structure

1.3 可視系統(tǒng)同步隨動技術

為保證可視系統(tǒng)能精確反映導引頭跟蹤情況，需保證可視系統(tǒng)光軸與導引頭跟蹤軸嚴格同步。這里主要解決兩個主要關鍵技術：一是多軸平行度標定技術，解決可見系統(tǒng)光軸分別同激光導引視軸、毫米波導引軸等的平行度問題；二是提高隨動控制精度實現兩軸同步伴隨運動，可視系統(tǒng)為了能準確反映導引頭探測、識別和跟蹤過程，需要將成像系統(tǒng)同步隨動于導引頭。在試驗過程中，利用導引頭輸出的框架角信號使成像系統(tǒng)隨動于導引頭，直觀顯示制導導引系統(tǒng)搜索區(qū)域、截獲目標和跟蹤過程。

2 典型試驗場景設定

2.1 作戰(zhàn)過程設計

根據導引頭制導方式和導彈用途，在不同的試驗環(huán)境進行，包括導引頭姿態(tài)、運動速度、運動路線、靶標特性、靶標運動特性、靶標背景設置、干擾目標設置、地形地貌等。通過對試驗場景總結分類形成戰(zhàn)例庫，并根據考核難易程度實現試驗場景的量化分級。

2.2 導引頭運動模型建立

根據不同的試驗場景建立相應的彈目相對運動模型，包括導引頭俯仰角、方位角、掛載平臺運行速度、路線、靶標運動特性等。圖5為根據不同的目標與環(huán)境，設計導引頭的模擬動作。

圖5 模擬導引頭的動作Fig.5 Simulation of seeker action

2.3 干擾方案設計

根據不同的試驗場景設置相應的模擬干擾目標，包括干擾目標數量、位置、干擾方法等[15]。圖6為激光導引頭抗激光角度欺騙干擾外場模擬試驗布局示意圖。

圖6 激光導引頭抗激光角度欺騙干擾模擬試驗示意圖Fig.6 Simulation experiment of laser seeker against laser angle deception jamming

激光導引頭抗激光角度欺騙干擾外場試驗方法是在野外試驗場地上放置激光告警偵察系統(tǒng)、干擾激光指示器、漫反射板假目標和導引頭合作目標(漫反射板真目標)，在遠距離處放置激光目標指示器和激光導引頭，確保干擾信號和指示信號能同時進入導引頭視場。

通過發(fā)射激光指示信號和干擾激光信號作用于激光導引頭，促使激光導引頭工作于閉環(huán)狀態(tài)，以實現目標的跟蹤閉環(huán)控制模擬，模擬被保護目標和假目標被激光導引頭跟蹤的視線角(框架角)的變化狀態(tài)，通過激光導引頭跟蹤視線角的變化情況來檢驗激光導引頭的抗干擾效果。圖7為導引頭外場可視化模擬干擾試驗數據獲取現場。

圖7 導引頭外場可視化模擬干擾試驗數據獲取現場Fig.7 Field data acquisition of jamming simulation test for seeker visualization

3 數據獲取方法

系統(tǒng)工作時，顯示控制分系統(tǒng)為被試導引頭下達控制指令，使導引頭工作，并接收導引頭發(fā)送的數據信息、狀態(tài)信息等反饋數據。同時，轉臺分系統(tǒng)接收被試導引頭分系統(tǒng)輸出的目標視線角偏差、導引頭工作狀態(tài)等數據信息，轉臺在該信息的控制下進行隨動，電視成像分系統(tǒng)完成被試導引頭分系統(tǒng)搜索跟蹤區(qū)域的視場圖像的處理，視頻圖像在顯示控制分系統(tǒng)上顯示。通過顯示控制分系統(tǒng)實現對圖像跟蹤器和圖像存儲器的控制，實現對目標的捕獲跟蹤，輸出目標脫靶量信號，如圖8所示，并可實現對視頻圖像的存儲。

圖8 動平臺靜目標跟蹤過程脫靶量Fig.8 Miss distance of static target tracking on moving platform

視頻處理信息流程：電視成像分系統(tǒng)的視頻圖像首先輸出至圖像跟蹤器，跟蹤器根據工作指令決定是否對目標自動跟蹤并輸出視頻圖像至圖像存儲器，圖像存儲器可同時完成視頻存儲和圖像輸出，在顯示控制分系統(tǒng)實現圖像顯示。系統(tǒng)工作原理如圖9所示。

圖9 成像分系統(tǒng)工作原理Fig.9 Working principle of imaging subsystems

以記錄的可視化圖像及導引頭輸出信號為依托，導引頭跟蹤性能評估可以從定性及定量兩個方面來考核。其中定性考核可以從可視化圖像的穩(wěn)定性及跟蹤情況上直觀反映；定量考核則包括了多項考核指標，包括靜態(tài)、動態(tài)跟蹤精度以及多目標或干擾情況下的跟蹤性能考核。通過對時空信息和脫靶量的測量分析，可以給出導引頭的一些性能參數，這些參數如圖10所示，圖11為可視系統(tǒng)記錄的激光導引頭跟蹤目標和干擾目標的過程，圖12是試驗獲取的導引頭閉鎖/開啟狀態(tài)轉換期間獲取的導引頭和隨動可見光系統(tǒng)狀態(tài)信息。

圖10 測量的導引頭參數Fig.10 Seeker parameters being measured

圖11 可視系統(tǒng)記錄的激光導引頭跟蹤目標和干擾目標試驗Fig.11 Tests of laser seeker tracking and jamming recorded by visual system

圖12 導引頭閉鎖/開啟狀態(tài)轉換期間獲取的導引頭和隨動可見光系統(tǒng)狀態(tài)(彩圖見電子版)Fig.12 Acquired states of seeker and servo visible system during lock/open states(coloar online)

此外，該系統(tǒng)平臺獲取的時空信息、環(huán)境和干擾的量化描述會更準確地對制導兵器的性能進行評估。設計與導引頭視場相匹配的可視化系統(tǒng)，就可以通過視頻記錄的干擾時空位置，通過計算得到導引頭視場內干擾、特殊背景等事件發(fā)生的時間、位置以及大小等信息，事后分析各類環(huán)境下導引頭的性能參數。同時，可以在平臺上再配備紅外至紫外波段的光譜分析儀、輻射計和成像儀等其他目標特性探測系統(tǒng)以同步獲取目標、對抗措施和背景等信號特征。

4 結論

導引頭可視化試驗方法是介于室內半實物仿真試驗和外場實彈飛行試驗之間的一種試驗方法。相對于室內半實物仿真試驗，外場可視化試驗為導引頭提供了真實的目標及背景環(huán)境，并可以方便地布設各種干擾靶標和干擾物，試驗結果置信度更高。相對于外場飛行試驗，可視化試驗更具針對性，被試件可以無損回收并進行多次重復試驗。除此還具有以下幾個方面的優(yōu)勢：

1) 該方法適合各種制式導引頭；

2) 能夠實現時空信息的與目標特性的測量；

3) 實裝試驗結果與仿真分析預測的對比驗證，可以實現體系貢獻率評估的量化外推與結論閉環(huán)；對外場實裝試驗原始數據進行采集和處理后，可以運用數據分類與聚類等分析技術，定量檢測實裝試驗與仿真試驗結果的一致性，進一步確認仿真的有效性和正確性，并得出在不同作戰(zhàn)環(huán)境下，裝備技術參數、戰(zhàn)術性能和體系作戰(zhàn)效能的一致量化結論；

4) 競標試驗的優(yōu)勢；

該方法可以多個導引頭同時試驗，這樣在競標試驗時，可以在相同的時間地點環(huán)境中同時考核導引頭的性能，排除環(huán)境信息的不同而產生的非議。