舰空导弹武器系统协同作战能力试验中协同目标指示模拟

王 娜，金振中，贺荣国

（92493部队，辽宁葫芦岛125000）

舰空导弹武器系统协同作战能力试验中协同目标指示模拟

王 娜，金振中，贺荣国

（92493部队，辽宁葫芦岛125000）

针对舰空导弹武器系统协同作战能力试验中亟需解决的协同目标指示难题，借鉴美海军实际经验，提出了不动用舰艇条件下的协同目标指示模拟总体方案。介绍了协同目标指示模拟采用的测控信息预处理、时空同步和信息融合跟踪方案，重点研究了测控信息实时精度匹配方案，提出了基于误差合成分配技术的卡尔曼滤波实时精度匹配方法，并分析了协同目标信息传输性能需求。运用Simulink仿真技术验证了提出的目标指示模拟方案的有效性。

舰空导弹武器系统；协同作战能力试验；协同目标指示；精度匹配；传输性能

舰空导弹武器系统协同作战能力试验通常需要多艘协同舰艇和大量试验保障兵力，不仅试验费用高昂、试验效费比低，而且试验风险大、试验组织实施困难。因此，亟需研究如何对舰空导弹武器系统协同反导作战能力进行安全有效考核。

20世纪80年代中期，美海军根据战斗群防空战协同计划设想，提出了协同作战能力（CEC）的概念[1-2]。即将传感器联网，武器协同控制构成协同作战系统。该系统利用计算机、通信和网络等技术，将航母战斗群中各舰艇的目标探测系统、指挥控制系统、武器系统和预警机联成网络，实现作战信息共享，武器共用，统一协调战斗行动。

为了检验协同作战系统的性能，1996年1月末，美海军在夏威夷沿岸成功地进行了代号为“山顶”的演示试验[3]。试验将一部搜索雷达、一部SPG-62照射雷达和协调作战能力（CEC）的数据与处理设备放置在853.4m的山顶上，以模拟空中平台，CEC设备将BQM-74靶机（模拟反舰导弹）的跟踪数据反馈给附近的“宙斯盾”巡洋舰，该舰上4枚齐射的SM-2导弹击落了3架掠海飞行的BQM-74靶机。

借鉴美海军经验，舰空导弹射击解算单元不必知道目标数据来自哪艘舰艇、哪个跟踪器，只要目标数据的质量符合协同目标指示要求就可以了[4]。考虑靶场实际情况，本文提出在现有保障兵力基础上，通过对作战平台的目标指示特性进行逼真、有效地模拟，实现对舰空导弹武器系统协同作战能力的有效考核。

1 基于协同目标指示的舰空导弹协同作战

舰艇编队协同反导作战是信息时代海上基本作战形式[5]。舰空导弹武器系统协同反导作战的功能重点体现在运用导弹进行超视距攻击或拦截[6]。针对各种类型的超低空目标和反舰导弹对水面舰艇舰空导弹构成的严重威胁，可以综合利用舰空导弹系统以外或其他舰上传感器测量信息，协同完成对多方向、多层次飞机目标或反舰导弹的探测、跟踪，实现目标探测跟踪信息共享。舰空导弹武器系统接收多部目标探测跟踪雷达信息，导弹在超低空超视距飞行中，制导信息由多部跟踪制导雷达提供，克服雷达视距限制，实现对目标超视距拦截，扩大舰空导弹作战空域。针对导弹武器系统一次拦截过程中目标数据来源情况，舰空导弹武器系统协同作战主要包括2种典型作战模式：远程数据交战和航迹合成。

1.1 远程数据交战

本舰武控系统根据它舰制导雷达目标探测数据进行射击诸元解算、导弹发射等工作，导弹发射后，由本舰制导雷达根据它舰制导雷达目标精跟信息和本舰制导雷达导弹精跟信息，完成对导弹的跟踪与制导，直至弹目交会。[7]

1.2 航迹合成

航迹合成作战模式主要是指舰空导弹武器在对空作战时，目标探测跟踪信息由2部以上制导雷达共同完成。采用该种作战模式可用来提高航迹的稳定性和连续性，并适用于抗干扰作战，如制导雷达遭遇自卫干扰后，可以利用2部制导雷达的被动跟踪信息实施被动交叉定位解算、或者利用它舰未受干扰的制导雷达距离信息对本舰制导雷达进行距离信息支援，角度信息采用本舰制导雷达跟踪信息，从而恢复本舰武器系统的作战能力。

2 协同目标指示模拟总体方案

协同目标指示模拟总体方案如图1所示。在对舰空导弹武器系统协同作战模式分析研究的基础上，需要对外部信息源测量信息进行信息预处理、时空同步、测控信息融合跟踪和实时精度匹配，得到连续稳定、精度匹配的目标指示信息后，分析试验中的目标指示信息传输性能需求，最后运用Simulink仿真技术验证了提出的目标指示模拟方案的有效性。

本节将简介如何采用现有技术方法实现测控信息预处理、时空同步和测控信息融合跟踪。关于测控信息实时精度匹配方案、目标指示信息传输性能分析以及目标指示有效性验证实验等，将分别在第3～5节重点研究。

2.1 测控信息预处理方案

多部测控装备的目标跟踪数据信息格式、内容均不一致，并且由于测量装备本身、数据传输、人工操作等原因，形成了野值。因此，需要对各种信息源数据进行预处理，以满足后续数据处理的需求。信息预处理主要完成以下工作：

1）数据有效性及连续性判断。将测控数据转换到武器系统跟踪雷达输出坐标系，在此基础上，根据值域对数据取值范围进行判断，利用前后帧数据对数据的连续性进行判断。

2）数据野值剔除。为满足数据实时处理的要求，可以利用基于卡尔曼滤波技术的野值剔除法[8]和基于自适应门限的外推拟合野值剔除法[9]。

3）由于某些测控装备不能直接测量得到目标速度信息，而武器系统跟踪雷达提供的目标指示信息中包括目标速度信息，因而须对接收到的测控系统目标信息进行二次滤波处理，得到目标速度信息。可利用工程上易实现的α-β滤波器[10]进行二次滤波，通过对位置信息的滤波，得到测控装备的目标速度信息。

2.2 测控信息时空同步方案

对多个测控装备信息进行时空同步处理时，统一采用武器系统跟踪雷达数据输出坐标系，实现信息源的空间对准。由于目标测量信息传输到武器系统存在数据传输延时，须将各测控装备的目标航迹外推至武器系统跟踪雷达的当前时刻[11]。

2.2.1 空间统一方案

在试验测控系统中，每个测控站点都有自己的测量数据，要将多个测控站点对同一目标的测量信息融合为一体，首先要解决不同坐标系下测量数据的空间对准问题。目前，目标测量主要有光测、雷测和GPS测量3种，采用的坐标系包括大地坐标系、本地直角坐标系和本地极坐标系等[11]。须要借助地心直角坐标系解决大地坐标系和本地直角坐标系的转换问题。几种坐标系的转换关系如图2所示。

2.2.2 时间对准方案

针对目标速度确定、速度不确定和实时配准3种情况，分别采用3种时间对准方法实现测控信息时间对准。

1）线性外推方法[12]。该方法主要针对速度已知情况，利用速度内插、外推进行时间配准。

2）拉格朗日三点插值法[13]。拉格朗日三点插值法是一种常用的时间配准方法，在不确定目标速度情况时经常采用。

3）基于最小二乘的曲线拟合方法[14]。时间对准过程中如果用拉格朗日法进行插值配准，融合得到的目标位置数据会比当前目标位置滞后一个数据周期，不能实时确定目标当前的位置。为解决实时性问题，可将插值区间前推一个周期，利用二点估计值和一点预测值在当前时刻进行插值配准，解决融合目标位置数据时间滞后的问题，达到实时配准的目的。

2.3 测控信息融合跟踪方案

通过测控装备的组合及对所有测控装备获得的信息进行融合处理、综合分析，以改进目标跟踪质量并形成精确、连续的目标融合航迹，为舰空导弹武器系统提供可靠、有效的协同目标指示。在航迹信息融合时，可采用集中式融合和分布式融合2种结构。集中式融合方法精度高，但计算量大，不利于滤波的实时运行及故障的诊断和自适应处理，容错性差。分布式结构弥补了这一缺点，广泛地应用于实时系统。因此，测控信息融合可采用联合滤波融合算法。该算法具有计算简单、容错性强、设计结构灵活、适合于实时工作等特点。[15]

3 实时精度匹配方案

在舰空导弹武器系统协同作战能力试验中，要求将目标指示信息实时提供给试验平台的武控系统，且要求目标数据质量与各舰载传感器提供的目标精度相当，满足武器协同打击的要求。但是测量装备的测量精度通常与协同目标指示要求的精度不匹配，因此，在获得基于测控信息的目标融合信息基础上，须要研究实时精度匹配方案，以获得与武器系统跟踪雷达所需测量精度相当的目标指示信息。如图3所示，首先结合测控装备精度指标，系统误差和随机误差特性[16]，利用测量精度评估方法[17]进行实测数据分析，给出测控装备精度评估结果；然后，在研究系统误差和随机误差的合成和分配相关技术[18]的基础上，根据武器系统跟踪雷达的测量精度与测控装备测量精度之间的大小关系，提出利用基于误差合成分配技术的卡尔曼滤波方法实现武器系统跟踪雷达与测控装备测量精度匹配。

考虑系统误差和随机误差2个影响因素，武器系统跟踪雷达A的系统误差σsA在一定范围和条件下通常认为是固定值，随机误差σvA通常认为是高斯分布。武器系统跟踪雷达A提供的目标信息ZA为：

式（1）中：Z是模拟获得的试验平台的目标信息；G(⋅)是高斯函数。

若测控装备Z0被看作由目标真值，系统误差σs0和随机误差σv03部分组成，即：

将式（2）代入式（1），可以得到：

由于系统误差采用代数和法进行合成，因而这里重点研究随机误差引起的精度变化，根据武器系统跟踪雷达的随机误差与测控装备随机误差之间的大小关系，需要分别针对以下2种情况进行研究。

3.1 武器系统跟踪雷达精度低于测控装备精度

根据随机误差合成方法可以得到：

用式（1）、（2），求均值，由于随机误差求均值mean[G(σvA)-G(σv0)]趋向于0，可以得到武器系统跟踪雷达与测控装备的系统误差的差值(σsA-σs0)的均值，代入式（3），即得武器系统跟踪雷达测量值ZA。

3.2 武器系统跟踪雷达精度高于测控装备精度

在这种情况下，式（3）可以简写为：

式中，ZsA=Z0+(σsA-σs0)。

式中，B%表示测控装备的测量数据经过卡尔曼滤波后得到的随机误差值。

对于固定算法，其提高精度的能力是一定的，要求滤波算法的跟踪性能G(σv0)×B%＜G(σvA)。在此基础上，利用式（4）中的方法进行精度匹配，将式（7）带入式（6），即得测量值ZA。

4 协同目标指示传输性能需求分析

在舰空导弹武器系统协同作战过程中，数据链是实现舰空导弹武器系统间协同作战的重要保障[19]，各平台获得的信息需要通过数据链及时地传送到编队内其他作战平台的数据预处理模块里。为了对协同反导过程中的目标指示信息传输过程进行逼真、有效地模拟，需要对协同目标指示要求的对海通信传输能力研究，用于指导试验通信保障能力建设。

1）低时延传输。武器协同应用所搭载的平台一般处于相对快速运动中，其跟踪、捕获、定位和攻击的对象也是时敏目标，这就要求系统必须采用精密高效的跟踪算法（精度到m级）。此类算法要求数据链系统应具备ms级的信息传输时延和较高的信息传输带宽（几百kb/s以上），以提高信息共享的实时性。

2）较高的传输准确性。海上协同反导作战对对海传输准确性有较高要求，其数据传输误码率≤10-6。

5 协同目标指示有效性验证实验

5.1 协同目标指示精度匹配性验证实验

为了检验第3节提出的实时精度匹配方法的性能，本节进行仿真实验验证。当武器系统跟踪雷达测量精度低于测控装备测量精度时，要求匹配后的距离系统误差为5m，方位系统误差为0.08°，距离随机误差为20m，方位随机误差为0.3°，统计结果如表1所示。

表1 降低精度匹配方法精度统计结果比对Tab.1 Results of precision matching method to degrade precision

当武器系统跟踪雷达测量精度高于测控装备测量精度时，要求匹配后的距离随机误差为20 m，方位随机误差为0.3°，随机误差的统计结果如表2所示。

表2 提高精度匹配方法精度统计结果比对Tab.2 Results of precision matching method to improve precision

从表1、2中可以得到，在误差允许范围内（相差一个数量级），精度匹配方法可满足工程使用要求。

5.2 协同目标指示传输性能验证实验

对试验现有通信能力与协同目标指示要求的对海通信传输能力进行比较分析可以得到，在通信链路正常情况下，通信系统可以满足协同目标指示要求的时延和误码率。因此，需要验证在试验时通信链路性能下降情况下，到达武器系统前端的模拟目标指示信息经过数据融合算法处理后，是否满足协同目标指示要求的误码率。

构建跳频电台Simulink仿真模型[19]模拟通信系统性能下降情形下的信息传输误码率。本文提出的协同目标指示模拟方案对信息传输中误码的纠错能力验证原理如图4所示。将测量数据分2路，一路经跳频电台仿真模型后输入数据处理算法，另一路直接输入数据处理算法，然后对2路输出信息进行比较评估。

图5为当信道信噪比-16dB时，传输仿真数据得到误码率为1.138×10-5，产生的误码数为9。对原始仿真值和经过模拟的通信系统后的数据进行比较，得到的结果如图6～9所示。图中用局部放大的方式标注出了通信误码对传输数据产生的2种典型影响。

从图7中可以得到，该误码对数据产生的影响与野值的特性相似，因此，可以通过野值剔除技术去除，如图8所示的误码对数据的影响与测量误差特性相似，可以通过滤波技术去除。利用数据处理算法对原始仿真数据和经过模拟的通信系统后的数据进行处理，受误码影响的方位和俯仰测量结果如图10、11所示。从图10、11可以得到，数据处理算法可以克服数据在通信系统传输过程中受到的误码率的影响，具有一定的容错能力，保证在通信系统误码率增大的情况下仍然可以满足协同目标指示的误码率要求。

6 结论

本文构建了不动用舰艇条件下的协同目指总体方案，研究表明通过测控信息预处理、时空同步、信息融合跟踪和精度匹配等技术处理，可以形成满足协同作战能力试验需要的实时、有效的协同目标指示信息，解决了舰空导弹武器系统协同作战能力试验协同目标指示难题。

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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

国家自然科学基金资助项目（61671462）；中国博士后科学基金资助项目（2014M562619）

王 娜（1982-），女，工程师，博士。