劉文鵬，葉宗民

（91404 部隊(duì)，秦皇島 066001）

艦船紅外目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的獲取，如溫度分布、輻射亮度、輻射強(qiáng)度等特征參數(shù)，對艦船隱身效果和艦船紅外抑制系統(tǒng)效果的評估研究等至關(guān)重要，而為了客觀反映目標(biāo)和武器的性能，艦船目標(biāo)往往處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即使測量平臺(tái)已知被測目標(biāo)的計(jì)劃運(yùn)動(dòng)路徑，其速度、位置以及高度間的差異也使得連續(xù)保持同一條件跟蹤測量目標(biāo)變得極為困難[1]。因此，盡管國外進(jìn)行了大量目標(biāo)與環(huán)境特性測量系統(tǒng)相關(guān)的建設(shè)和研究工作，擁有地基、機(jī)載、球載、彈載、星載等各種測量平臺(tái)[2-3]，在實(shí)際的紅外特性測量過程中，如何在設(shè)備、環(huán)境等變化因素的影響下，通過有效的測量方法盡可能獲得被測目標(biāo)真實(shí)的、定量化的紅外特性數(shù)據(jù)仍是一個(gè)亟待解決的問題[4]。本文針對艦船這一典型目標(biāo)，根據(jù)其紅外特性易受目標(biāo)距離、目標(biāo)表面材料特性、大氣狀態(tài)以及與太陽的相對位置等環(huán)境因素影響的特點(diǎn)，通過對測量航路進(jìn)行合理的規(guī)劃，有效利用測量設(shè)備和參試資源，提出了相應(yīng)的航路規(guī)劃方法，并設(shè)計(jì)了一套較為完備的航跡計(jì)算程序和應(yīng)用。

1 測量難點(diǎn)與規(guī)劃假設(shè)

1.1 艦船紅外特性測量難點(diǎn)

目標(biāo)紅外特性測量容易受到多種因素的影響，如光譜發(fā)射率、空間/體積輻射亮度分布、鏡面反射、反射的直射陽光、反射的環(huán)境光、大氣衰減等等；此外，目標(biāo)紅外特性還將隨暴曬、內(nèi)部熱源、氣動(dòng)加熱（空中目標(biāo)）、導(dǎo)熱、對流和輻射等熱平衡的變化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化[5]。一般，艦船紅外輻射的主要來源有兩類：一類是內(nèi)熱源（發(fā)動(dòng)機(jī)和煙霧、內(nèi)部散熱），一類是外熱源（太陽反射和背景特性），其中海面是自然界中最為常見和復(fù)雜的背景之一，海面背景紅外特性是一個(gè)很復(fù)雜的隨機(jī)過程，它是隨許多因素和條件而變化的[6-7]。因此，海面艦船目標(biāo)的紅外特性測量是一個(gè)十分復(fù)雜的工作。

要準(zhǔn)確測量艦船紅外目標(biāo)特性，就要做好測量平臺(tái)和被測目標(biāo)的航路規(guī)劃，即利用已知的被測艦船運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃測量平臺(tái)的航路，其原理是首先通過仿真計(jì)算得到測量平臺(tái)的理想航路，再通過選取航路中的若干離散點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和對應(yīng)的時(shí)刻，按照約束條件規(guī)劃出實(shí)際測量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡。為了保證實(shí)際中測量平臺(tái)能夠按照要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，航路中點(diǎn)的數(shù)量要適當(dāng)，點(diǎn)太多則對測量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)操控要求過高，點(diǎn)太少則無法滿足測量精度要求。

1.2 測量航路規(guī)劃假設(shè)條件

為了規(guī)劃和計(jì)算方便，同時(shí)符合實(shí)際情況，在理想測量航路規(guī)劃的過程中，限定以下假設(shè)條件[8-12]：

（1）不考慮空氣阻力以及風(fēng)力的影響，假定被測艦船相對地面的速度vc恒定，作勻速直線或勻速圓周運(yùn)動(dòng)；

（2）為了保證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定，測量平臺(tái)在一定時(shí)間內(nèi)的航向轉(zhuǎn)角θ有界，即｜θ｜≤θ0，θ0為實(shí)際中能達(dá)到的最大偏航角；

（3）被測艦船與測量平臺(tái)之間保持適當(dāng)?shù)木嚯xR，該距離應(yīng)小于測量儀器最大的探測范圍Rmax；

（4）若采用機(jī)載測量，被測艦船與機(jī)載測量平臺(tái)的距離R還要考慮被測艦船與測量飛機(jī)的高度關(guān)系，通過高度差h和俯仰角α可以確定飛機(jī)與艦船的最小距離，必要時(shí)也可以簡化為水平投影計(jì)算。

2 航路規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

航路規(guī)劃的基本思想是根據(jù)測量需求，使用仿真手段得到理想航跡，再對航跡進(jìn)行離散化，取出相應(yīng)的航跡時(shí)間點(diǎn)和位置點(diǎn)，以供測量平臺(tái)參考。

2.1 圓周測量方法

2.1.1 被測艦船圓周運(yùn)動(dòng)

對海面艦船紅外目標(biāo)特性進(jìn)行水平方向全方位測量，最簡單的方法就是岸基圓周測量。將測量設(shè)備架設(shè)在岸邊，通過被測艦船作勻速圓周運(yùn)動(dòng)來獲取水平方向360°全方位的紅外特征，測量航路如圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）測量設(shè)備架設(shè)方便，便于穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)；（2）測量光路可以避開逆光情況，艦船也能進(jìn)行不同工況的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是：（1）控制艦船保持圓周運(yùn)動(dòng)航行狀態(tài)的難度較高；（2）無法調(diào)整測量俯仰角，艦船航向獲取精度低，方位角間隔大；（3）測量距離較遠(yuǎn)時(shí)對測量設(shè)備的空間分辨率要求高。因此，當(dāng)艦船尺寸較大，不能離岸太近時(shí)，不適合采用該方法進(jìn)行測量。

圖1 岸基測量示意圖

2.1.2 測量平臺(tái)圓周運(yùn)動(dòng)

1.艦載測量

水平方向全方位測量還可以采用艦載圓周測量方法：將測量設(shè)備架設(shè)在測量船上，以被測艦船為圓心（被測艦船進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)），測量船做圓周運(yùn)動(dòng)以獲取被測艦船水平全方位的紅外特征，測量航路如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）方位角精度較高；（2）可以近距離測量，減小大氣衰減的影響。缺點(diǎn)是：（1）海況稍差時(shí)被測艦船很難保持航向和穩(wěn)定狀態(tài)；（2）無法測量艦船在不同工況、不同航向條件下的全方位紅外特征。

圖2 艦載圓周測量示意圖

2.機(jī)載測量

為了獲取艦船多個(gè)俯仰角下的紅外目標(biāo)特性，可以采用機(jī)載圓周測量，測量航路如圖3所示，即通過載機(jī)在空中以不同高度圍繞被測艦船（勻速直線運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，以獲取指定俯仰角度下艦船全方位的紅外目標(biāo)特性，因此該方法可以彌補(bǔ)上述兩種測量方法只能獲取水平角度紅外特性數(shù)據(jù)的不足。其缺點(diǎn)是：（1）一般只有旋翼類飛機(jī)能夠圍繞艦船做圓周運(yùn)動(dòng)；（2）飛機(jī)飛行高度受GPS高程定位精度差的影響，難以保證全方位的俯仰角全部滿足設(shè)定值；（3）被測艦船做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛機(jī)的實(shí)際航路并非圓周，實(shí)施起來非常困難。

圖3 機(jī)載圓周測量側(cè)視圖

2.2 直線測量方法

2.2.1 測量船菱形運(yùn)動(dòng)

針對圓周測量在實(shí)際中難以實(shí)施的問題，本文設(shè)計(jì)了艦載菱形測量方法，如圖4所示，測量船沿A→B→C→D→A的航路運(yùn)動(dòng)，被測艦船由M→N往返運(yùn)動(dòng)。該方法可以獲取艦船2周360°全方位的紅外目標(biāo)特性，且能得到艦船左右兩舷分別處于陽面和陰面狀態(tài)下的紅外特征。

圖4 艦載菱形測量示意圖

2.2.2 測量飛機(jī)直線運(yùn)動(dòng)

一般在對海面艦船進(jìn)行全空間紅外目標(biāo)特性測量時(shí)，方位角的精度要求可以適當(dāng)降低，選取典型方位角度測量即可；而艦船在俯仰角度上的紅外目標(biāo)特性，才是紅外導(dǎo)引頭在逼近目標(biāo)的過程中需要全面掌握的數(shù)據(jù)，因此俯仰角度連續(xù)變化時(shí)的艦船紅外目標(biāo)特性數(shù)據(jù)尤為重要。為此，本文設(shè)計(jì)了選取典型方位角度，載機(jī)逼近被測艦船方向飛行，俯仰角度為0°～90°的測量航路規(guī)劃，如圖5所示。這樣的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅適合旋翼類飛機(jī)，也適合固定翼類飛機(jī)，且飛行難度較小，航跡規(guī)劃簡單。

圖5 機(jī)載直線測量示意圖

3 航路規(guī)劃仿真結(jié)果

由于被測艦船圓周運(yùn)動(dòng)和艦載菱形運(yùn)動(dòng)的航路規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對簡單，因此本文主要針對比較復(fù)雜的機(jī)、艦載圓周測量和機(jī)載直線測量進(jìn)行航路規(guī)劃仿真，假定測量時(shí)段內(nèi)海上風(fēng)向固定，為x軸正方向，被測艦船沿正風(fēng)向運(yùn)動(dòng)。

3.1 機(jī)、艦載圓周測量仿真結(jié)果

機(jī)、艦載圓周測量方法的核心是：使測量平臺(tái)和被測艦船盡量保持不變的距離，而只有方位角在變化。以機(jī)載測量為例（艦載測量可以視為機(jī)載測量的水平面投影）。如圖6所示，以被測艦船為原點(diǎn)，被測艦船沿x軸正向做速度為vc（含當(dāng)?shù)仫L(fēng)速）的勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程如下：

圖6 機(jī)載圓周測量俯視圖

飛機(jī)初始位置為被測艦船正前方半徑r處，為了保證測量飛機(jī)與被測艦船始終保持不變的距離s，設(shè)定飛機(jī)和船一樣沿x軸正向做速度為vc的勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿順時(shí)針做速度為vfc的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，最后飛機(jī)的實(shí)際速度vf為兩者的合成。

根據(jù)上述參數(shù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，本文利用MATLAB的APP設(shè)計(jì)功能模擬了被測艦船在直線航行時(shí)，飛機(jī)保持同一俯仰角繞艦船的運(yùn)動(dòng)軌跡，初始參數(shù)如表1所示，計(jì)算示例結(jié)果如表2和圖7所示。圖7中直線軌跡為艦船運(yùn)動(dòng)軌跡，圓周軌跡為飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡。圖7（a）是三維軌跡，圖7（b）是投影到水平面上的二維軌跡。同時(shí)程序還可以輸出測量時(shí)間點(diǎn)、被測艦船橫縱坐標(biāo)、測量飛機(jī)橫縱坐標(biāo)、相對方位角、絕對方位角、飛機(jī)實(shí)際速度、飛機(jī)與艦船實(shí)際距離等逐點(diǎn)參數(shù)，并自動(dòng)記錄在Excel中。根據(jù)以上圖表數(shù)據(jù)的對比分析，可見飛機(jī)與艦船實(shí)際距離始終保持1 000 m，俯仰角始終保持30°，因此在實(shí)際測量時(shí)，可以根據(jù)飛機(jī)性能和測量精度的要求，合理選擇離散的時(shí)間和位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行航路規(guī)劃。

表1 機(jī)載圓周測量初始參數(shù)

表2 機(jī)載圓周測量仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

圖7 機(jī)載圓周測量仿真結(jié)果示意圖

3.2 機(jī)載直線測量仿真結(jié)果

機(jī)載直線測量方法的核心是：使測量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向盡量始終指向被測艦船，保持相對方位角和飛行高度不變，而只有俯仰角變化，如圖8所示，測量航路共有8條，方位角以x軸正向?yàn)榛鶞?zhǔn)確定。被測艦船位于原點(diǎn)，沿x軸正向做速度為vc（含當(dāng)?shù)仫L(fēng)速）的勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程同式（3）；為了保證測量飛機(jī)與被測艦船始終保持不變的相對方位角θ，設(shè)定飛機(jī)同樣沿x軸正向做速度為vc的勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿方位角θ以速度vfc向被測艦船做勻速直線運(yùn)動(dòng)，最后飛機(jī)的實(shí)際速度vf為兩者合成，如圖9所示。

圖8 機(jī)載直線測量俯視圖

圖9 機(jī)載直線測量運(yùn)動(dòng)示意圖

根據(jù)上述參數(shù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，本文模擬了艦船在直線航行時(shí)，飛機(jī)保持不變的方位角60°向艦船飛行的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算參數(shù)如表3所示，計(jì)算示例結(jié)果如表4和圖10所示，程序可以輸出測量時(shí)間點(diǎn)、被測艦船橫縱坐標(biāo)、測量飛機(jī)橫縱坐標(biāo)、相對方位角、飛機(jī)與艦船的實(shí)際距離等逐點(diǎn)參數(shù)，并自動(dòng)記錄在Excel中。根據(jù)以上圖表數(shù)據(jù)的對比分析，飛機(jī)從逼近到遠(yuǎn)離目標(biāo)艦船的整個(gè)過程中，相對艦船的方位角都沒有發(fā)生變化，且運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線，實(shí)施測量時(shí)非常方便。

表3 機(jī)載直線測量初始參數(shù)

表4 機(jī)載直線測量仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

圖10 機(jī)載直線測量二維仿真投影軌跡

4 結(jié)論

本文根據(jù)海面艦船紅外目標(biāo)特性測量的要求，確定了艦船紅外特性的測量難點(diǎn)，根據(jù)航路規(guī)劃假設(shè)條件，提出了相應(yīng)的航路規(guī)劃方法，包括岸基圓周測量法、機(jī)艦載圓周測量法、艦載菱形測量法以及機(jī)載直線測量法，并重點(diǎn)對機(jī)艦載圓周測量法和機(jī)載直線測量法進(jìn)行了航路規(guī)劃仿真，分析了相應(yīng)測量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)了航跡模擬仿真的APP程序，為實(shí)際測量提供了有益參考。