主动防护系统高速目标跟踪误差分析

马　可,郗蕴天,李慧敏

(西安电子工程研究所 总体1部,陕西 西安　710100)



主动防护系统高速目标跟踪误差分析

马可,郗蕴天,李慧敏

(西安电子工程研究所 总体1部,陕西 西安710100)

摘要文中主要分析了主动防护系统拦截点误差问题。从分析主动防护系统的火控反击流程说明了目标跟踪误差的大小决定着系统的拦截效果,仿真对比了卡尔曼滤波、α-β滤波和最小二乘法等跟踪滤波算法在主动防护系统高速目标情况下的拦截点误差。采用一种目标跟踪简化方法,仿真分析了该方法在不同目标速度情况下的拦截点误差。结果表明,文中方法在高速目标情况下的拦截点误差小于传统方法。

关键词主动防护系统;高速目标;目标跟踪

随着反坦克弹药效能的长足进步和大量扩散,在装甲与反装甲的对抗中,反装甲力量的优势明显,靠增加装甲厚度等传统的防御手段已难以抵消反装甲技术的发展。而主战坦克等装甲车辆自身的防护能力直接关系到它在战场上的生存能力和作战能力。因此,世界各军事强国都在积极探索研制新的坦克装甲车辆防护技术,于是主动防护系统应运而生。根据防护机理的不同,主动防护系统又分为软杀伤系统和硬杀伤系统。软杀伤系统主要是使反坦克弹药迷失方向,不能准确命中目标;硬杀伤系统则是在反坦克弹药命中目标之前,就将其摧毁,或有效减小其对坦克的威胁[1]。

当主动防护系统发现有目标威胁时,需要对目标未来的航迹数据进行预测外推,将目标的相关信息传送到火控系统,火控系统根据来袭目标的信息计算出拦截参数,指挥反击弹药进行拦截[2]。对来袭目标的成功拦截不仅需要准确的目标位置、速度信息,还需要目标跟踪滤波算法的支持[3]。文献[4]根据主动防护中目标跟踪的特殊性,提出用斜距和径向速度的滤波值估计目标到达时间并通过直线拟合法进行反击弹药选取的方法来进行目标跟踪。

在主动防护系统的有效探测范围内,由于高速目标的飞行时间较短,获得的数据点较少,利用传统的目标跟踪滤波算法误差较大。本文首先介绍了主动防护系统的火控反击流程,接着根据系统的特点,仿真对比了卡尔曼滤波、α-β滤波及最小二乘法等几种常用的跟踪滤波算法在近程防护中的应用情况,并在文献[4]的基础上分析了其提出的方法在高速目标跟踪中的误差。

1主动防护系统火控反击流程

主动防护系统火控反击流程的示意图,如图1所示。系统进入作战状态后,近程防护探测装置开机,对对作用距离内的区域进行目标搜索,当探测到有弹药攻击时,获取来袭弹药的角度、速度、距离以及运动特征等信息,同时控制反击弹药准备发射。随后探测装置对目标的运动参数进行精确测量,并根据测量数据进行火控解算,推算目标达到拦截点的空间位置和到达时刻,适时发射反击弹药[5]。反击弹药预定飞行几米后被引信引爆,爆破距离一定,可形成一个椭圆锥型的有效杀伤区。文中认为只要来袭目标打在杀伤区内,就能成功实现拦截。为精确进行火控解算,取杀伤区中点为拦截点,拦截点所形成的弧面为防御面,防御面如图2所示。

图1　主动防护系统火控反击流程

图2　防御面示意图

从图1看出,假设反击弹药从发射到爆破所用时间为tf,来袭目标的速度为v,则发射反击弹药的最近有效点时间应该为来袭目标距离防御面vtf时,在实际情况还需考虑探测装置精确跟踪目标的处理与火控解算的时间。因此,需要在来袭目标距离最近有效点之前,对其进行精确跟踪和火控解算[6]。

火控解算中目标到达防御面时的距离误差决定主动防护系统能否有效拦截来袭目标,当误差大于反击弹药杀伤区半径时无法有效拦截,这时主动防护系统形同虚设。当来袭目标速度确定时,反击弹药飞行时间越长,外推点离拦截点的距离就越大,对于滤波算法而言,需要外推的步数就越多,不利于保证外推的精度。因此,反击弹药反应时间越快越好,但常规反击弹药均是通过化学爆炸发射的,需要一定的发射时间,弹药飞行速度不可能过快,到达拦截点又需要一定的飞行时间,这两者共同决定了反击弹药反应时间的下限。另一方面,当反击弹药飞行时间确定时,来袭目标速度越高,最近有效点离防御面的距离就越远,离发现目标的距离越近。因此,主动防护系统有效拦截高速目标需要快速收敛且外推精度高的跟踪滤波算法。

2传统方法的误差分析

Kalman Filter(卡尔曼滤波)广泛应用于数据的分析与处理,并在目标跟踪的工程实践中具有重要作用[7-8]。此外,Alpha-beta Filter(αβ滤波)和Least Square Filter(最小二乘滤波)在目标跟踪中的应用也较为广泛。为观测3种算法在超近程探测情况下外推拦截点误差的大小,文中根据主动防护系统中来袭目标的特殊性,对目标的运动模型做以下假设:

(1)来袭目标的速度远大于主动防护系统的装载平台,而且来袭目标持续时间较短,因此可认为在受到攻击时系统是静止的;

(2)来袭目标做直线运动。由于目标飞行时间短,不管对于动力飞行目标,还是惯性目标,竖直方向上重力加速度的影响均较小。所以,假定来袭目标的飞行轨迹为直线;

(3)来袭目标不发生机动。由于目标飞行时间短,因此目标在系统观测时间内不会发生较大机动,因此可将目标机动当作测量噪声,认定目标不会发生机动;

(4)主动防护系统的探测距离为200 m,每1 ms更新一次目标数据。

针对速度为50～1 500 m/s的来袭目标,每隔50 m/s做100次Montecarlo仿真实验,取均方根误差,得到目标速度与外推拦截点误差的关系如图3所示。

图3　目标速度与拦截点误差的关系

主动防护系统的探测距离决定着观测点数的个数,观测点数越多跟踪滤波效果越好,图3可看出随着目标速度增加,外推点误差变大。在高速目标情况下,由于拦截点误差过大,外推的拦截点将有可能不处于反击弹药的杀伤区内,这会导致主动防护系统无法有效拦截高速目标。3种常用的滤波算法在主动防护系统高速目标跟踪中效果相当。

由于在滤波过程中要实时估计目标到达拦截面所需的时间,因此滤波器必须输出目标的距离和速度两个信息,加速情况下还需给出加速度信息。在利用上述滤波算法时,如果有效点较多,则进行外推时的误差较小。而当目标速度较高时,有效点数随之减少,由观测矩阵输出的速度、加速度的滤波值和真实值偏差较大,只有位置滤波值相对较为准确。因此用距离和速度、加速度滤波值估计出的拦截点位置偏差较大,难以满足拦截要求。且在利用上述算法时,若假设目标的运动模型与实际目标模型不匹配,将导致较大的误差。而在近程防护中,目标速度、加速度的动态范围大,单一模型的滤波算法显然无法满足目标多样化的需求。

3新方法的误差分析

理想的拦截是反击弹药瞄准外推的拦截点进行发射,对目标进行点对点毁伤,这种拦截方式效率最高。但反击弹药的瞄准式一个机械的过程,反应速度较慢,难以满足快速反击的要求。因此,通用的做法是采用固定安装,每枚反击弹药防护特定的区域。通过安装多枚拦截面相互交叠的反击弹药就可以提供严密的防护。反击时,只要预先判断目标会出现在哪一防护区,选择对应的反击弹药进行拦截即可。

由此便可将目标的跟踪外推分解成两部分:(1)准确估算来袭目标飞到防御面所需要的时间;(2)判断来袭目标会飞到哪枚反击弹药的防护区域。将极近程探测雷达的目标跟踪滤波算法分解成上述两个部分后,便可分别单独求解,选取高效、灵活的算法。

文献[4]已详细说明了利用目标斜距和径向速度可以比较准确地估计目标的到达时间。且在实际中通过滑窗均值滤波方法便可得出较准确的径向速度和距离。

为验证高速目标情况下这种新方法的可行性,针对第2节的仿真条件,对速度为50～1 500 m/s的目标,每隔50 m/s做100次Montecarlo仿真实验,得到速度与外推拦截点误差的关系如图4所示。

图4　目标速度与拦截点误差的关系

由图4可看出,这种针对主动防护系统的目标跟踪方法,其外推的拦截点误差对目标速度不敏感,整体误差较小。对比图3可看出,该种方法得到的拦截点误差在目标速度在500 m/s以上时,明显小于3种传统的目标跟踪滤波算法。能满足主动防护系统对于高速目标的拦截需求。

4结束语

本文首先介绍了主动防护系统火控反击流程。随后仿真分析了卡尔曼滤波、α-β滤波和最小二乘法等3种常用的目标跟踪滤波算法在主动防护系统中的应用,并对3种算法进行了对比。结果3种算法在近程防护目标跟踪中效果相当,对于低速目标都具有较好滤波效果,拦截点误差较小;而对于高速目标其拦截点误差都相对较大,会导致主动防护系统不能有效拦截高速目标。且由于算法精度对目标模型的准确性、依赖性较强,因此传统方法无法满足主动防护系统中目标多样性的要求,特别是高速目标的拦截需求。在文献[4]提出的新目标跟踪方法的基础上,仿真分析了这种方法在不同目标速度情况下的拦截点误差。结果表明,这种方法在高速目标情况下的拦截点误差小于传统方法。

参考文献

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[2]李德世,李涛.某型超近程主动防护雷达跟踪滤波算法研究[J].微电子学与计算机,2010,27(11):86-90.

[3]畅言,严超,罗利强,等.一种改进的机动目标跟踪算法[J].电子科技,2014,27(1):34-37.

[4]李慧敏,李斌,马可,等.主动防护系统探测雷达的目标跟踪[J].现代防御技术,2014,42(2):116-121.

[5]陈风.超近程主动防护系统主控制器的设计与实现[D].南京:南京理工大学,2010.

[6]陈理凯.轻型装甲车辆主动防护系统拦截效率研究[D].南京:南京理工大学,2008.

[7]王建华,张琳.基于改进卡尔曼滤波方法的机动目标跟踪研究[J].现代防御技术,2006,34(2):16-19.

[8]高学刚.战车主动防护系统中的目标跟踪算法研究[D].南京:南京理工大学,2010.

Analysis of High-speed Target Tracking Error in Active Protection System

MA Ke,XI Yuntian,LI Huimin

(Overall Unit One,Xi’an Electronic Engineering Research Institute,Xi’an 710100,China)

AbstractInterception point error in active protection system (APS) is discussed.We simulated the application of Kalman filter,alpha-beta filter and least square filter algorithm for APS high-speed targets and analyzed the interception point error.The target tracking method is described.The interception point error with different speed targets using this method is simulated.Result shows that the error of new method is better than those of the traditional ones.

Keywordsactive protection system;high-speed target;target tracking

中图分类号TN953;E923.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-158-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.042

作者简介:马可(1988—),男,硕士,工程师。研究方向:雷达总体工程。

基金项目:武器装备预先研究基金资助项目(40405040201)

收稿日期:2015- 09- 09