电视制导攻击型无人机导引头搜索规律研究

杨俊鹏, 祝小平

(西北工业大学, 陕西 西安　710072)

电视制导攻击型无人机导引头搜索规律研究

杨俊鹏, 祝小平

(西北工业大学, 陕西 西安710072)

摘要：综合考虑电视制导攻击型无人机在搜索地面目标过程中导引头的地面视场、搜索盲区和目标图像移动等关键因素对目标截获的影响，建立了无人机飞行高度、飞行速度与导引头目标搜索之间的数学模型，推导出了一种电视导引头搜索规律，可以从3个方面提高目标截获概率:①可以补偿因无人机向前飞行而引起的目标图像纵向移动，使显示在地面站监视器中的目标画面在导引头搜索过程中只作水平方向的移动，利于"人在回路"使用方式下地面站射手对图像的分析、判断；②通过导引头光轴俯仰搜索角度和无人机飞行高度匹配设计，可以保证地面视场最大；③通过导引头搜索周期和无人机飞行速度协调设计，可以实现对目标区无漏扫。该搜索规律通过在某电视制导攻击型无人机中应用进行了可行性验证。

关键词：攻击型无人机；电视导引头；搜索规律

攻击型无人机采用可见光或红外成像等制导方式对地面目标打击时，导引头自动识别目标能力不能应对复杂的地面战场背景，必须采用“人在回路”的方式由地面站的射手判读数据链下传的导引头目标图像辅助导引头截获目标[1]。在“人在回路”使用方式下，导引头对目标的截获概率受导引头的搜索规律以及无人机的运动影响，一方面当导引头的光轴作搜索运动时，下传的导引头目标图像会在地面站监视器屏幕上移动，不利于射手判读目标信息；另一方面，导引头光轴搜索目标时受无人机的飞行运动的影响可能造成搜索盲区，不利于发现目标。因此，必须结合无人机的飞行运动提出合理的导引头搜索规律，提高目标截获概率。

1无人机飞行状态对导引头捕获目标的影响

1.1飞行高度

通常导引头在无人机平飞状态下对地面目标搜索，在导引头的最大识别距离范围内时，导引头的地面视场(导引头瞬时视场形成的锥体被地面切割形成的区域)随平飞高度的增加而变得更加开阔[2]。但是，导引头的最大识别距离有限，当飞行高度定得太高，超出了导引头的最大识别距离范围，反而使地面视场变小，对搜索目标不利。因此，必须协调好无人机平飞高度与地面视场的关系。

图1　无人机平飞高度与导引头地面视场关系示意图

参考以上示意图，设D为导引头的最大识别距离,H为平飞高度，M为地面视场纵深，N1、N2为地面视场前后沿的宽度，导引头瞬时视场为±φ。导引头俯仰和偏航方向导引头瞬时视场角度相同，则当无人机平飞高度由最大可能取值Hmax=D逐渐向最小可能取值变化Hmin=0时，地面视场由正方形经梯形逐渐退化为三角形。

由几何关系有：

地面视场面积为：

当平飞高度增加时，地面视场后沿宽度虽然有所增加，视场纵深却急剧下降，视场前沿宽度与飞行高度无关。综合这些因素，地面视场的面积随平飞高度的增加而减小，高度越高越不利于搜索目标。

1.2飞行速度

无人机飞行速度对目标搜索和截获的影响主要有2个方面，一方面是造成地面站内监示器画面的移动，不利于监控；另一方面是可能形成搜索盲区，不利于导引头搜索目标[3]。

1.2.1飞行速度对地面站监控的影响

地面站内监示器上的画面是由导引头探测并通过数据链下传回来，除导引头的搜索可能造成画面移动之外，无人机相对于地面的运动也能引起画面移动。无人机飞行速度与目标穿越地面视场的时间关系如下式所示：

设目标速度为零，并正对地面视场进入，则由于无人机不断向前飞行，目标将穿越整个地面视场，所需要的时间为

Δt为目标穿越导引头地面视场时间，V为无人机飞行速度。

无人机的飞行速度越高，画面移动速度越快，目标穿越导引头地面视场的时间越短，留给射手进行分析判断的时间就越少，识别和捕获目标的概率就越小[4]。

1.2.2飞行速度对导引头搜索的影响

导引头的搜索空间是封闭连续，但由于无人机的飞行速度，其地面视场却并不一定连续。例如，当采用“一字形”搜索方案时，由于飞行速度的影响，实际的搜索区域呈 字型向前延伸，如图2所示。

图2　无人机飞行速度对导引头地面视场的影响示意图

在无人机平飞阶段，设导引头的扫描周期为T，则“Z”字型顶点间距为：

式中,V为无人机的平飞速度，如果d大于地面瞬时视场纵深，就会出现扫描盲区。显然，导引头的扫描周期T必须与无人机的飞行速度协调考虑。

2导引头对地搜索规律设计

无人机平飞阶段导引头的搜索视场示意图如下。

图3　无人机飞行时导引头地面视场的移动示意图

图中H为无人机平飞高度，V为无人机飞行速度，D为导引头识别距离，φ为导引头的半个瞬时视场，T为导引头偏航搜索周期，俯仰搜索周期为T/2，θs、θf分别为导引头在一个俯仰周期内相对于水平基准的起止角度。O0为光轴与地面交点(视场重心)。由图中可以看到，为了获得最大的地面视场，导引头光轴的起始位置应为：

为了保证画面不在地面站监视器上下移动，在时间T/2内，视场中心O0不应随无人机的飞行而改变。因此俯仰方向的搜索速度应为：

对于给定的无人机平飞状态和导引头性能参数，只要求出导引头的偏航搜索周期T，即可确定θf。于是俯仰方向的搜索规律即可描述成：在时间t0～t0+T/2内，光轴由θs以(7)式给出的速度搜索至θf，然后在阶跃信号的作用下跳回θs，由此求解出的搜索规律可以保证无搜索盲区、最大的地面视场和监视器画面仅左右移动一维视觉效果。

从图3视场移动的示意图中可以得到：

将(9)式、(10)式代入(8)式的无盲区条件，当(θf±φ)较小时，tan(θf±φ)≈(θf±φ)。考虑到瞬时视场通常很小，略去φ的二阶小量，整理后得：

由(11)式解得

根据(8)式、(9)式解得导引头偏航搜索周期为：

至此，(6)式、(7)式、(12)式、(13)式确定了导引头的搜索规律，当导引头在水平方向进行搜索的时候，监视器屏幕上出现的图像只作水平方向的移动，而不会出现垂直方向的移动。当光轴从左至右或从右至左搜索到极限位置时，可以在俯仰方向跳跃1次，以便搜索其他区域。

3应用分析

某电视制导攻击型无人机典型平飞高度4 000 m、平飞速度范围在40～80 m/s可选择，电视导引头作用距离8 000 m、瞬时视场±4°、方位转动机械范围±30°、俯仰转动机械范围-80°～+20°，期望目标穿越导引头地面瞬时视场时间不小于20 s。根据给定条件，计算得到搜索规律状态参数见表1：

表1　搜索规律状态参数表

按照该搜索规律，在无人机平飞阶段对目标搜索时电视导引头光轴搜索运动的轨迹如图4所示。

图4　搜索目标过程导引头光轴运动示意图

4结论

提出的搜索规律可以从3个方面提高目标截获概率：①导引头在方位方向进行搜索时，俯仰方向按设计规律搜索，可以补偿因无人机向前飞行引起的监视器画面的垂直移动，使画面在搜索过程中只作水平方向的移动，利于“人在回路”使用方式下地面站射手对图像的分析、判断；②导引头俯仰方向按设计角度搜索，可以保证地面视场最大，能及时发现目标；③导引头搜索规律考虑了无人机飞行速度对导引头地面视场的影响，导引头扫描周期和无人机飞行速度协调匹配，实现对目标区无漏扫。

参考文献：

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[2]张万清. 飞航导弹电视导引头[M]. 北京：宇航出版社，1994

Zhang Wanqing. Aerodynamic Missile TV Seeker[M]. Beijing: Astronautic Publishing House,1994 (in Chinese)

[3]林海. 图像制导导弹导引头搜索方案[J]. 北京理工大学学报，1999,19(Suppl 1): 128-130

Lin Hai. Searching Program for the Seeker of Image Guided Missile[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 1999,19(Suppl 1): 128-130 (in Chinese)

[4]秦琰华. 图像制导导弹获取目标信息时间与导引头搜索区的关系研究[J]. 弹箭与制导学报，1999(2): 36-40

Qin Yanhua. Zhu Hongxian. Research of Relationship between Acquisition Time and Missile Seeker Search Area for Imaging-Guided Missile[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 1999(2): 36-40 (in Chinese)

A Searching Law for Seeker for Television Image

Guided Attack UAV(Unmanned Aerial Vehicle)

Yang Junpeng, Zhu Xiaoping

(Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China)

Abstract:The searching problem of television (TV) image seeker for attack UAV is addressed. The desired goal in the problem is to minimize the searching blind field, maximize the field of view projecting on the ground and to eliminate the image up-down motion on the monitor′s screen, simultaneously. A searching law was deduced based on the mathematical model of the relationship among UAV′s flying velocity, flying height and the seeker′s searching motion. The law can improve the target catching probability by a matching design between TV seeker searching and UAV flying and its feasibility was validated by an application on a TV guided attack UAV.

Key words:television image seeker, mathematical model, attack unmanned aerial vehicle, searching law, target catching probability, matching design

中图分类号：V249.121

文献标志码：A

文章编号:1000-2758(2015)05-0827-04

作者简介：杨俊鹏(1976—)，西北工业大学高级工程师、博士，主要从事无人飞行器飞行力学、制导与控制技术的研究。

收稿日期：2015-04-21