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        基于時序的艦空導彈試驗靶標數(shù)據(jù)處理

        2019-08-27 03:47:02顏世剛時維科
        火力與指揮控制 2019年7期
        關鍵詞:艦空真值拉格朗

        顏世剛,時維科,盧 鑫

        (解放軍92941部隊,遼寧 葫蘆島125001)

        0 引言

        在海軍艦空導彈設計鑒定試驗中,外測靶標航路真值數(shù)據(jù)的分析處理極為重要,通過對靶標真值數(shù)據(jù)的分析處理,獲取其精確空間位置、加速度等參數(shù)數(shù)據(jù),作為評估被試武備戰(zhàn)技性能、精度的基礎和依據(jù)。從某種意義上說,外測數(shù)據(jù)的分析處理水平代表了靶場的試驗水平,作為外測數(shù)據(jù)分析本身,要不斷研究新的處理方法,不斷提高數(shù)據(jù)處理的精度和效率。在艦空導彈武器系統(tǒng)試驗中,靶標類型多種多樣,不論是大飛機類、無人機類還是靶彈類靶標,首先要外測靶標的空間位置、姿態(tài)、航路數(shù)據(jù),通常采用GPS定位、北斗定位、光測、雷測等技術手段。外測靶標數(shù)據(jù)率通常與武備內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù)率不同,且時戳序列點完全不一致,無法對齊。因此,在進行精度誤差處理前,首先要對外測靶標真值數(shù)據(jù)進行基于武備時間序列的插值,通過插值等一系列處理,完成外測真值數(shù)據(jù)與艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)部報文時序的嚴格對齊[1],以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的精度。

        1 靶標數(shù)據(jù)處理基本流程

        根據(jù)被試艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù)率、時序,把外測靶標數(shù)據(jù)按照其時序進行處理,達到與艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)時序嚴格一致,用于系統(tǒng)戰(zhàn)技指標、精度的分析與評估[2],處理流程見圖1。首先對外測靶標真值數(shù)據(jù)導入,提取時間序列,然后對異常點進行剔點平滑處理;導入艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù),提取其時間序列,建立插值點時序矩陣,把靶標數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,基于艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)部時序點進行插值處理,然后根據(jù)實際需要進行坐標平移和旋轉,轉換到需要評估的系統(tǒng)設備上。

        圖1 基于時序的靶標數(shù)據(jù)處理流程圖

        2 數(shù)據(jù)預處理及剔點算法

        數(shù)據(jù)預處理包括外測靶標真值數(shù)據(jù)和艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的預處理,主要是提取外測靶標的空間坐標、時戳和艦空導彈系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)、時序,并對靶標真值數(shù)據(jù)進行“異常點”剔點平滑處理。

        2.1 數(shù)據(jù)預處理

        導入靶標真值數(shù)據(jù)包,放入矩陣結構中,提取靶標的空間位置信息和時間序列[3],為北京絕對時,格式為“時:分:秒.毫秒(t:min:s.ms)”;導入艦空導彈系統(tǒng)試驗內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)包,提取時序信息,時間北京絕對時,單位格式“s”。

        2.2 靶標真值數(shù)據(jù)剔點處理

        由于原始外測靶標真值數(shù)據(jù)中可能存在個別大隨機誤差或疏失誤差的野值,這是數(shù)據(jù)錄取的異?;蚱渌馔飧蓴_造成的,酌情對“奇異點”進行剔除、平滑處理。剔點處理方法有四點外推法,直觀法、一階多項式平滑法、一階多項式平滑的殘差平方法等[4-5]。由于靶標數(shù)據(jù)采樣時間序列是等間隔的,故采用比較快捷簡單的四點外推法進行應用分析。

        2.2.1四點外推模型公式

        首先判斷要處理的數(shù)據(jù)序列前四點數(shù)據(jù)的合理性,然后從第5點開始,由前四點數(shù)據(jù),用最小二乘法進行線性外推,剔除奇異點。公式如下:

        其中,Xie為第i點的外推值;Xi-1為第i-1點的實際值;Xi-2為第i-2點的實際值;Xi-4為第i-4點的實際值。

        2.2.2四點外推模型使用原則

        1)四點外推法公式,僅適用于時間序列是等間隔的情況。

        2)當Xi被接受時,繼續(xù)外推下一點。

        3)當Xi被剔除時,記錄并輸出剔點位置,對于剔除的Xi采用第3節(jié)的插值方法補齊;下面的4個點不再進行剔點處理,直接保留,從第5個點開始,重新剔點。

        4)發(fā)生3個以上的連續(xù)剔點時,必須檢查原始數(shù)據(jù),檢查是否有連續(xù)的剔點誤差,采取相應的措施對原始數(shù)據(jù)進行更改,防止歪曲航路。

        5)剔點標準δ的選取。δ取值過小,可能造成連續(xù)剔點,歪曲航路;δ取值過大,個別“奇異點”又不能被剔除,造成真值數(shù)據(jù)的大誤差,一般δ選擇:

        其中,σ為GPS真值觀測設備精度誤差。

        3 插值算法

        插值算法常用的有拉格朗日插值、Newton插值等,拉格朗日插值和Newton插值在實際的數(shù)據(jù)處理中有著廣泛的應用[6-10],下面對二者在基于時間序列的離散數(shù)據(jù)插值中的應用作進一步分析。

        3.1 基于時間序列的拉格朗日插值算法

        其中,每個lj(t)為拉格朗日基本多項式(或稱插值基函數(shù)),其表達式為:

        拉格朗日(Lagrange)插值主要應用于對內(nèi)插值的計算,優(yōu)點在于公式結構整齊緊湊,在理論分析中十分方便,計算的采樣點處的值不會改變;缺點在于當插值點增加或減少一個時,所對應的基本多項式就需要全部重新計算,于是整個公式都會變化,當插值點比較多的時候,拉格朗日插值多項式的次數(shù)可能會很高,因此,具體數(shù)值有不穩(wěn)定的特點,也就是說盡管在已知的幾個點取到給定的數(shù)值,但在附近卻會和“實際上”的值之間有很大的偏差。這類現(xiàn)象也被稱為龍格現(xiàn)象[11-14],解決的辦法是分段用較低次數(shù)的插值多項式。

        3.2 基于時間序列的Newton插值算法

        Newton插值多項式可表示為:

        可用式(7)構造插值多項式和差分表,用式(8)做插值。牛頓插值具有公式形式簡單,便于計算的優(yōu)點,而且增加新點之后,不用導致之前的重新計算[14]。

        4 坐標變換

        坐標變換通常包括坐標系平移和坐標系旋轉。在實際數(shù)據(jù)處理中,經(jīng)常要把數(shù)據(jù)從一個設備位置點變換到另一設備位置點,而兩設備坐標原點和坐標軸指向都不相同[15]。

        4.1 坐標平移

        4.2 坐標系旋轉

        5 實例應用分析

        5.1 數(shù)據(jù)及時序提取分析

        在某型艦空導彈武器對空動態(tài)校飛試驗中,目標靶機加裝GPS,數(shù)據(jù)率為20 Hz,通過數(shù)據(jù)的預處理,選取GPS測量值中連續(xù)16個數(shù)據(jù)點作為研究樣本,詳見下頁表1,其中時間序列為北京時間絕對時,格式為“時:分:秒.毫秒(t:min:s.ms)”;被試某型艦空導彈武器系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)率為25 Hz,時間序列為北京時間絕對時,單位格式“s”,選取連續(xù)4個數(shù)據(jù)點的時間序列作為樣本點,詳見表2。

        5.2 數(shù)據(jù)的剔點處理

        按照2.2節(jié)四點外推剔點算法,GPS觀測設備精度σ選擇0.30 m,根據(jù)式(2)得δ=1.273 m;對表1數(shù)據(jù)進行異常點檢查。下面以5號點Z坐標數(shù)據(jù)示例說明檢測剔點過程。

        根據(jù)式(1)有:

        則:

        其中,Z5坐標滿足條件,接受保留,其他點數(shù)據(jù)檢測處理類似。

        5.3 數(shù)據(jù)插值

        在插值計算時,可根據(jù)實際情況選擇采用拉格朗日插值算法還是采用牛頓插值算法,在導彈試驗數(shù)據(jù)的處理中,因為試驗數(shù)據(jù)插值時間序列是等間距的,一般采用牛頓插值法。

        5.3.1拉格朗日算法插值

        如果直接用拉格朗日插值模型,由于實際處理的數(shù)據(jù)多達上萬點,拉格朗日插值多項式的次數(shù)不可控,插值數(shù)據(jù)出現(xiàn)龍格現(xiàn)象。為避免龍格現(xiàn)象,采用數(shù)據(jù)中心低階分段插值的方式,對于空中機動靶標,極短時間內(nèi)插值點與其前后等距離數(shù)據(jù)點狀態(tài)的關聯(lián)性幾乎是均等的,在插值點前200 ms和后200 ms以內(nèi),靶標在理論上不會出現(xiàn)極端的運動變化。因此,選擇插值點前后各4個點,共8個數(shù)據(jù)點作為一次插值區(qū)段。例如,為完成表2中1號點插值,選取表1中5~12號點作為插值區(qū)段進行計算,其他點插值區(qū)間類似選取,計算時首先把GPS真值的北京時間的絕對時戳轉換為以秒為單位的量綱形式,再進行相應的計算,通過MATLAB的仿真計算得出插值結果如下頁表3。

        表1 靶標GPS真值數(shù)據(jù)

        表2 某型導彈系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)時間序列

        5.3.2 Newton算法插值

        根據(jù)Newton前向插值模型算法式(7)、式(8),使用表1、表2數(shù)據(jù)通過MatLab仿真計算得出插值結果,如表4所示。

        5.4 坐標的轉換

        表3 拉格朗日插值結果表

        表4 Newton插值結果表

        圖2 坐標變換關系圖

        6 結論

        在艦空導彈武器系統(tǒng)試驗鑒定中,數(shù)據(jù)分析的首要任務是對外測靶標真值數(shù)據(jù)的分析處理,對于靶標數(shù)據(jù)和武器系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)有一個顯著的特點是數(shù)據(jù)全部基于時間序列,但二者數(shù)據(jù)率和時序完全不一致;外測靶標真值數(shù)據(jù)處理的目的是轉為嚴格對應武備系統(tǒng)內(nèi)部時序的真值序列,為后續(xù)的系統(tǒng)精度、戰(zhàn)技指標的分析處理奠定基礎。本文系統(tǒng)分析了四點外推剔點算法、拉格朗日及牛頓插值算法、坐標轉換算法的實際應用,深入研究了基于時間序列的外測靶標真值數(shù)據(jù)處理分析的方法流程,并給出了在某型艦空導彈試驗中的具體應用實例。本文研究的內(nèi)容方法,在艦空導彈試驗中有著成熟的應用,此方法對于其他武器裝備試驗數(shù)據(jù)分析處理有著極強的借鑒意義和應用價值。

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