常规试验靶场多站协同测试三段式接力引控方法

王祖良 王少飞 张 婷

（西京学院，信息工程学院，陕西西安710123）

1 引 言

常规试验靶场承担大量中、短程导弹试验任务，通常由跟踪雷达、光电设备和遥测设备等承担弹道跟踪测试任务。雷达具有跟踪能力强，快速捕获目标等优点。光电设备作为一种高精度的测量设备，具有测量精度高、直观性强、性能稳定等优点，是飞行器外测的重要手段［1］。目前这三类测试设备大多各自作为独立测试单元参与测试，没有充分发挥协同测试的优势。而在实际试验中，常常同时布设这三类设备对同一弹道进行跟踪测试［2，3］。由于测站布设、地形地貌等的影响，对于导弹等快速飞行目标，往往会发生某一台或多台设备捕获不到目标，或者虽然捕获到，但由于受到遮挡或者干扰而导致丢失目标的情况，造成关键数据丢失，导致测试失败。多站协同测试可以大大提高测试成功概率［4，5］。

在数百公里中程弹道测量中，常常采用三段式接力全覆盖测试，即发射首区、弹道中间段、弹道末段分别布设多个测试站，对弹道飞行全程进行接力测试。三段式多站协同测试技术可以在引导和测量数据所覆盖的弹道段互为补充，测试参数互为备份和参考，合理利用各测量系统的特长，使各测量系统在最能发挥作用的弹道段完成测试任务，显著提高单套设备的数据采集率［6-10］。文献［8］通过以太网组建测试网络，建立了统一的时间和空间基准，并给出了坐标转换等相关算法。文献［11］针对弹道中段目标测量跟踪问题，将卡尔曼滤波应用于目标检测平滑和预测处理，建立了状态方程和量测方程。外弹道测量通常同时利用雷达、光电设备、遥测等测量设备进行综合测量，数据可以互相校验，设备可以互相引导，利用网络化测量可以充分发挥各种设备优点，实现互引导以及数据融合。光电弹道测量系统由于其测量精度高、抗干扰能力强等优点，是目前导弹等飞行目标测量的主要手段，与雷达相结合实现外弹道测量［12］。本课题组申请并授权的发明专利提供了一种三段式接力引控方法［13］。

本文根据常规靶场测试任务布站的实际情况，提出一种三段式接力测试引控方法，设计了实时引导控制逻辑及引导源优选方法，并给出坐标变换算法。利用本文设计方案在西北地区某常规靶场进行了实测试验，试验结果表明本文设计的多站协同测试方法能够显著提升设备跟踪概率，缩短光电设备再捕获时间。

2 测试设备特性及引控需求

光电设备本身具有目标捕获能力，目前常用的光电设备对目标的捕获时间为0.5s 左右，即目标进入其视场的时间需大于0.5s 才能完成目标初次捕获，或丢失目标后再捕获。这对于初速较快的目标以及进入光电设备视场前飞行较快的目标，仅仅依靠其自主捕获跟踪，难以避免发生捕获失败的情况。此外，光电设备采用光学原理跟踪目标，对于中程导弹目标的跟踪测试，背景对跟踪有较强的干扰和影响，常常造成目标中途丢失，导致测试失败。而常用的外弹道测试雷达，例如韦伯雷达，具有主从工作方式，除了可以进行正常的测试外，还可利用第二个输出端口将测试的弹道数据进行实时广播以引导其他的测试设备。反之，在光学条件良好的测试条件下，光电设备跟踪性能大为提高，而现代靶场电磁环境极其复杂，雷达设备难免会发生被干扰而造成跟踪性能下降的情况。此时，同样可以利用光电设备跟踪数据对雷达进行引导，使其快速捕获目标。因此，采用多站协同测试，充分利用雷达的引导控制，辅助完成捕获，以形成全弹道稳定跟踪具有重要意义。

多站协同测试要求具备数据接入校验，单路数据预处理、光测数据精确交汇、动态权值数据融合、引导数据校验、数据记录、遥测数据处理等功能，按照试验任务要求。系统具备如下能力:可接入韦伯雷达、相控阵雷达、光电经纬仪、遥测等测量设备的数据，并完成各测量设备的引导控制；具备对单路数据进行有效的异常值剔除、坐标转换、数据外推和精度分析功能；通过有效标志位进行测量设备数据的有效性判断，剔除无效数据；多台光电经纬仪参加任务时，任选两台经纬仪进行两两交汇得到多条实时弹道，可根据交汇计算方法实时计算交汇数据精度，便于后续引导源数据选择和动态数据融合处理；利用外弹道预处理信息进行航迹预测，采用动态权值算法进行多源信息融合，获得不同目标的连续、稳定的目标运动信息，形成实时融合航迹；按照试验方案划分若干阶段，分别指定各阶段引导源的优先顺序，按照引导顺序进行引导数据解算，优先级高的引导源数据若无效，则按照约定顺序自动采用后续数据作为当前引导源数据；数据引导时延计算方式能适应在复杂环境下实时估算网络情况，具备根据实时网络时延外推引导数据的功能；能准确记录各测量设备原始数据、单路数据结果、融合处理结果、引导数据、送显数据的记录。

3 三段式接力引控方法

3.1 引控处理逻辑

根据中短程导弹测试试验任务特点，设计引导控制逻辑。引控中心接收各测试设备发来的弹道数据，对数据进行必要的有效性检验和航迹平滑处理，接收完所有测试设备数据后进入实时引导程序。在弹道测试试验中，如果通过人工能辨别出弹道优劣，并有条件采取人工介入方式，则人工实时指定引导源为最高优先级，利用人工实时指定引导源进行引导。如果没有人工指定引导源，则利用预设引导源引导。预设引导源通常根据先验知识和经验，在不同段选择不同测试设备数据作为预设引导源。多引导源中优选一个引导源，按照尽早接力和可靠性优先的原则进行优选。如果预设引导源均无效，则进入非预设引导模式。优选逻辑和处理流程程如图1 所示。

图1 引导控制逻辑及处理流程图Fig.1 Guide control logic and processing flow

3.2 非预设引导源优选

图1 中预设引导源中只要有一个有效，则按照图中所示逻辑进行引导源选择，并将优选引导源数据向所有测试设备广播。如果预设引导源均无效，并且找到非预设引导源，则进入非预设引导源优选程序。非预设引导源优选流程如图2 所示。

图2 非预设引导源流程图Fig.2 The flow chart of non-default Guide source

首先利用最近5 个点引导源数据进行外推得到当前点弹道值，同时通过判断非预设引导源的有效性标识筛选出有效引导源，选择与外推值距离最近的非预设引导源作为优选引导源。另一方面，为了判断突发弹道，利用莱特准则从所有有效引导源中挑选出残差最大的非预设引导源，将其与优选引导源进行比对，如果优选引导源即为残差最大的引导源则按照突变弹道处理，利用莱特准则选出的最大残差值作为非预设优选引导源，否则将利用外推法选出的引导源作为最终优选引导源。

3.2 非预设引导源优选

以雷达跟踪测量弹道数据和光电经纬坐标变换为例，示意图如图3 所示。

图3 雷达-经纬仪坐标变换示意图Fig.3 Schematic diagram of radar theodolite coordinate transformation

在图3 所示的坐标系中，光电经纬仪与雷达坐标变换为［13］

式中:α，λ——光电经纬仪的目标方位角和高低角；r——雷达测距值。

对式（1）求解得

其中，

将式（2）代入式（1）可以求出目标的y和z，完成坐标转换。

4 试验结果

由于导弹试验成本高代价大，无法专门组织测试实验考核测试系统，只能采用跟随任务的方式进行试验。按照本文提出的三段式接力引控方法改造升级了西北某试验靶场，该靶场为长形主靶导，长300km，宽20km。改造系统引导频率为50 帧/s，即引导间隔为20ms。能够接收处理各种跟踪雷达、搜索雷达、光电经纬仪、遥测地面站的测量数据路数为32 路，数据融合处理最小周期为100ms，单路测量数据平均处理时间小于1ms，引导数据平均处理时间小于2ms。为保证测试试验万无一失，并便于对比，改造升级后的测控系统执行前5 次实验任务期间，原测试系统进行同时测量，互为备份。

首区布设1 套连续波雷达、4 台光电经纬仪，1套遥测设备担负主动段弹道和部分后续弹道的测试任务，并为弹道中间段测试设备提供引导数据。弹道中间段布设1 套连续波雷达、1 套相控阵雷达、4 台光电经纬仪，担负中间段弹道的测试任务，兼顾部分首段弹道和末段弹道的测试，并为末段测试设备提供引导数据。弹道末段布设1 套连续波雷达，1 套遥测担负末段弹道的测试任务。布站示意如图4 所示。

定义测试设备成功跟踪目标并正确测试弹道数据的弹道长度与总弹道长度的比值为跟踪率，对5 次试验各种测试设备跟踪率结果取平均，试验结果如图5 所示。

图4 三段式接力引控弹道测量布站示意图Fig.4 Schematic diagram of three-stage relay trajectory measurement and layout

图5 三段式接力弹道测试方法与原测试方法试验结果对比图Fig.5 Comparison of test results between three-stage relay ballistic test method and original test method

5 结束语

本文针对常规靶场多站协同测试弹道组网测量设计了三段式接力引导控制系统，实现了雷达、光电设别、遥测设备之间互引导，并根据实际测量情况提出了弹道优选方法，利用优选弹道数据对所有测试设备进行实时互引导。利用本文设计方案对西北某常规靶场测试系统进行网络化升级改造，改造后的系统跟踪能力得到了显著提升。