王 琳，周 俊，胡雷剛，白委寧

（1.陸軍航空兵學(xué)院 某研究所，北京 101121；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電系統(tǒng)是直升機實現(xiàn)目標(biāo)瞄準(zhǔn)、跟蹤、定位功能的全天候電子偵察設(shè)備。光電系統(tǒng)對目標(biāo)瞄準(zhǔn)主要依靠人工參與完成，由于地面背景復(fù)雜，光電系統(tǒng)視場范圍小，目標(biāo)機動等原因，利用光電系統(tǒng)搜索目標(biāo)的時間較長，存在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)難、跟蹤難的問題。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展，利用數(shù)據(jù)鏈提供的目標(biāo)指示數(shù)據(jù)，快速引導(dǎo)光電系統(tǒng)進行目標(biāo)捕獲、跟蹤，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)，是當(dāng)前直升機光電系統(tǒng)探測目標(biāo)的重要發(fā)展方向。

利用數(shù)據(jù)鏈引導(dǎo)光電系統(tǒng)快速瞄準(zhǔn)目標(biāo)，涉及數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用、目標(biāo)信息處理、光電傳感器管理等多項關(guān)鍵技術(shù)。近年來，國外已在Sniper、ATFLIR、Litening 等光電系統(tǒng)上增加了雙向數(shù)據(jù)鏈和組網(wǎng)能力，并在光電系統(tǒng)與地面部隊、空中力量之間建立了信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了視頻圖像和信號情報的近實時交換和處理。上述光電系統(tǒng)大多采用了地理定位、地理跟蹤和地理掃描等方式，并具備對時敏目標(biāo)的高精度位置解算和跟蹤探測能力[1]。國內(nèi)對機載光電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈綜合實現(xiàn)目標(biāo)快速瞄準(zhǔn)的研究相對較晚，成果較少。文獻[2]分析了機載光電平臺的自主引導(dǎo)精度，研究了地面目標(biāo)由大地坐標(biāo)系向光電系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換誤差，并利用無人機平臺進行了飛行試驗驗證；文獻[3]研究了機載光電平臺的目標(biāo)定位誤差，重點分析了載機慣導(dǎo)誤差和光電系統(tǒng)指示誤差對目標(biāo)定位精度的影響；文獻[4]提出了一種適用于機載光電觀瞄系統(tǒng)的線性運動補償方法，并在光電觀瞄系統(tǒng)掛飛試驗中進行了驗證。這些研究成果重點對光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差、載機慣導(dǎo)誤差、運動補償問題進行了分析，基于多源傳感器協(xié)同的目標(biāo)定位算法也有助于提高目標(biāo)的瞄準(zhǔn)精度[5,14-15]。

在網(wǎng)絡(luò)信息條件下，除上述因素外還需要考慮數(shù)據(jù)精度、延遲時間、數(shù)據(jù)率等因素對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響。作者針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的需求，以直升機光電系統(tǒng)為對象，提出光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同瞄準(zhǔn)的基本方式，分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)同瞄準(zhǔn)誤差，并通過仿真和實驗重點研究數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率、延遲時間等對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響。

1 光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)

1.1 光電系統(tǒng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)方式

直升機光電系統(tǒng)主要由可見光攝像機、紅外熱像儀、激光器等高精度測量設(shè)備組成，具有探測精度高、隱蔽性好等特點?？梢姽鈹z像機和紅外熱像儀包含大、中、小3 個視場，其中大視場主要用于大范圍目標(biāo)搜索，中、小視場（長焦距狀態(tài)）用于目標(biāo)跟蹤和瞄準(zhǔn)。由于光電系統(tǒng)在長焦距狀態(tài)下視場小，因此要實現(xiàn)對目標(biāo)的精確瞄準(zhǔn)，必須先解決如何快速捕獲目標(biāo)的問題。

傳統(tǒng)直升機偵察探測過程中，主要依靠飛行員完成目標(biāo)瞄準(zhǔn)，即首先利用光電系統(tǒng)的大視場隨機搜索目標(biāo)，待發(fā)現(xiàn)目標(biāo)可疑區(qū)域后，逐步縮小視場范圍，實現(xiàn)對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)和跟蹤。由于光學(xué)系統(tǒng)視場探測范圍有限，搜索目標(biāo)的時間長、效率低，即使目標(biāo)進入了大視場范圍，因為地面背景復(fù)雜及目標(biāo)偽裝、機動等原因，直升機仍難以快速準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)方式

隨著數(shù)據(jù)鏈和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)光電系統(tǒng)對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)方式也發(fā)生了深刻改變。直升機網(wǎng)絡(luò)協(xié)同瞄準(zhǔn)是由網(wǎng)絡(luò)中的平臺（如無人機、偵察直升機、預(yù)警機、地面?zhèn)刹靻卧龋┨綔y目標(biāo)信息，然后利用數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)信息發(fā)送給直升機，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈提供的近實時目標(biāo)信息，解算目標(biāo)在光電系統(tǒng)坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角，控制光電系統(tǒng)按照解算角度工作，快速引導(dǎo)目標(biāo)進入光電系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)視場，并用圖像視頻跟蹤的方法捕獲和跟蹤目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)可以解決光電系統(tǒng)目標(biāo)探測效率低的問題，能夠縮短捕獲和跟蹤目標(biāo)的時間，提高直升機空空、空地協(xié)同探測能力。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)誤差分析

直升機光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同瞄準(zhǔn)誤差主要與數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率、傳輸延時以及光電系統(tǒng)指示誤差和響應(yīng)時間等有關(guān)。

1）數(shù)據(jù)精度

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)蔷W(wǎng)絡(luò)單元之間進行信息傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?，其信息精度由網(wǎng)絡(luò)中提供目標(biāo)參數(shù)的傳感器或平臺決定。數(shù)據(jù)鏈信息包括目標(biāo)的位置、速度、角度等，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器（如偵察雷達(dá)、目標(biāo)偵察系統(tǒng)等）在測量目標(biāo)狀態(tài)信息時由于自身探測性能的原因存在一定偏差。

2）數(shù)據(jù)率

由于目標(biāo)信息處理、數(shù)據(jù)鏈通信、使用環(huán)境等各種因素影響，數(shù)據(jù)鏈的目標(biāo)數(shù)據(jù)率會給目標(biāo)狀態(tài)估計帶來影響，并影響目標(biāo)瞄準(zhǔn)解算精度。

3）傳輸延時

數(shù)據(jù)鏈信息在從網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸?shù)街鄙龣C平臺的過程中會產(chǎn)生傳輸延遲，使接收到的目標(biāo)信息產(chǎn)生誤差，進而影響光電系統(tǒng)的目標(biāo)瞄準(zhǔn)精度[5]。數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲與數(shù)據(jù)包格式、消息類型、傳輸距離、處理時間、網(wǎng)絡(luò)參與組、傳輸接入模式、堆棧網(wǎng)絡(luò)數(shù)、終端數(shù)等有關(guān)，主要由數(shù)據(jù)包發(fā)送和到達(dá)的時間確定。有關(guān)資料[6-7]顯示，Link-16 系統(tǒng)的延遲時間一般為40 ms～100 ms；先進戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)鏈（TTNT）的傳輸距離D<185 km 時傳輸延遲小于2 ms 時，傳輸距離185 km

4）光電系統(tǒng)指示誤差

直升機光電系統(tǒng)的指示誤差用系統(tǒng)響應(yīng)指令轉(zhuǎn)動并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后與指令之間的位置誤差表示[8]。誤差有統(tǒng)計值和最大值之分，一般用mrad表示。如圖1所示，系統(tǒng)指令位置在OP，光電系統(tǒng)實際的瞄準(zhǔn)線為OP′，兩者之間的位置誤差即為δz。δz屬于系統(tǒng)誤差，它反映了光電系統(tǒng)響應(yīng)指令的情況，δz越小，指示誤差越小，光電系統(tǒng)的性能越好。

圖1 光電系統(tǒng)指示誤差Fig.1 Indication error of electro-optical system

5）光電系統(tǒng)響應(yīng)時間

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)過程中，光電系統(tǒng)的伺服控制有一定的響應(yīng)時間，由于直升機和目標(biāo)的相對運動，會產(chǎn)生一定的瞄準(zhǔn)誤差，如圖2所示。直升機位于O點，速度矢量為，地面目標(biāo)位于A點，目標(biāo)速度矢量為，光電系統(tǒng)的初始瞄準(zhǔn)線為OM，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈信息解算的目標(biāo)瞄準(zhǔn)線為OA。光電系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)作用下控制瞄準(zhǔn)線由OM向OA轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)響應(yīng)時間為Ts。經(jīng)過Ts后，直升機由O點運動至O′點，目標(biāo)由A點運動至B點。將真實目標(biāo)線O′B與計算瞄準(zhǔn)線OA之間的角度偏差 δr定義為響應(yīng)時間偏差，δr與光電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角速度、直升機和目標(biāo)的機動方式等有關(guān)。

圖2 光電系統(tǒng)響應(yīng)時間引起的瞄準(zhǔn)誤差Fig.2 Aiming error caused by response time of electrooptical system

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)信息解算

3.1 目標(biāo)信息坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)過程中，直升機同時接收數(shù)據(jù)鏈的目標(biāo)信息和慣導(dǎo)系統(tǒng)的載機信息，由于數(shù)據(jù)鏈信息、直升機慣導(dǎo)信息、光電系統(tǒng)分別位于地理坐標(biāo)系、機體坐標(biāo)系和基座坐標(biāo)系中，目標(biāo)信息解算前需要進行統(tǒng)一的坐標(biāo)平移和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通常機體坐標(biāo)系與基座坐標(biāo)系的同名軸重合，因此只考慮地理坐標(biāo)系與機體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法[9-10]。

1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

機體坐標(biāo)系(OXYZ)f相對于地理坐標(biāo)系(OXYZ)e的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

2）坐標(biāo)平移變換

設(shè)目標(biāo)在地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為（xe,ye,ze）和（x,y,z），機體坐標(biāo)系的原點在地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)是（a,b,c），則轉(zhuǎn)換關(guān)系為

3）光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)角度計算

經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和平移變換后，將目標(biāo)從地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到基座坐標(biāo)系，實時計算出目標(biāo)相對于基座坐標(biāo)系的方位角 α和俯仰角 β，利用光電伺服控制系統(tǒng)，將光電系統(tǒng)的視場中心實時轉(zhuǎn)換到指定角度，實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。即：

式中：x、y、z為目標(biāo)在光電系統(tǒng)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo) ；α 和 β為光電系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)方位角和俯仰角。

3.2 目標(biāo)信息延遲處理算法

數(shù)據(jù)傳輸延遲會影響目標(biāo)的信息精度，并對目標(biāo)瞄準(zhǔn)誤差產(chǎn)生影響。設(shè)目標(biāo)的狀態(tài)方程和量測方程分別為[11]

針對數(shù)據(jù)傳輸延遲問題，在卡爾曼濾波算法中引入延遲補償，對數(shù)據(jù)鏈的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行濾波，通過前一時刻的目標(biāo)信息和已知的滯后時間，預(yù)測并補償?shù)玫疆?dāng)前時刻，以克服數(shù)據(jù)延時滯后的影響。目標(biāo)信息延遲處理算法分為量測修正、狀態(tài)修正、狀態(tài)預(yù)測及補償。狀態(tài)修正確定k時刻的最佳狀態(tài)估值和協(xié)方差，狀態(tài)預(yù)測產(chǎn)生k+1時刻的先驗估值和誤差協(xié)方差。為了補償數(shù)據(jù)延遲，使延遲的量測數(shù)據(jù)與濾波器的估值一起傳播，這里數(shù)據(jù)傳輸延遲為0.5 s～1 s。

設(shè)數(shù)據(jù)傳輸延遲時間為td，則增加延遲補償環(huán)節(jié)后的卡爾曼濾波算法為

目標(biāo)量測補償值為

根據(jù)目標(biāo)量測補償值，利用（7）式～（13）式就可以估計出延遲td后的目標(biāo)狀態(tài)向量。

3.3 光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線偏差估計

光電系統(tǒng)的測量參數(shù)包括方位角、俯仰角和目標(biāo)距離。由于數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率、傳輸延時、光電系統(tǒng)指示誤差和響應(yīng)時間等因素影響，真實目標(biāo)線ON與計算目標(biāo)瞄準(zhǔn)線ON′之間存在方位偏差 Δα和俯仰偏差 Δβ，如圖3所示。圖3 中N為目標(biāo)在機體坐標(biāo)系內(nèi)的真實位置，N′為計算的光電系統(tǒng)光學(xué)視場中心，M、M′分別為N、N′在機體坐標(biāo)系XOY平面內(nèi)的投影。

圖3 光電系統(tǒng)俯仰偏差和方位偏差示意圖Fig.3 Schematic diagram of pitch and azimuth deviations of electro-optical system

采用蒙特卡羅方法分析計算光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的方位偏差 Δα和俯仰偏差 Δβ。光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線偏差估計方法如下：

1）根據(jù)直升機本機測量參數(shù)和數(shù)據(jù)鏈測量參數(shù)的誤差分布特點，確定直升機位置、航向和目標(biāo)位置參數(shù)的測量誤差；

2）對直升機的位置參數(shù)和數(shù)據(jù)鏈的目標(biāo)參數(shù)進行隨機抽樣處理；

3）根據(jù)3.2 節(jié)中的目標(biāo)信息延遲處理算法進行目標(biāo)狀態(tài)外推估計；

4）根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)估計結(jié)果，利用（3）式和（4）式計算網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)線的角度參數(shù)；

5）根據(jù)真實目標(biāo)線和計算的目標(biāo)瞄準(zhǔn)線，估計光電系統(tǒng)的方位角偏差和俯仰角偏差。

4 仿真實驗分析

通過仿真實驗來研究直升機光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)方法。直升機平臺慣導(dǎo)誤差也是影響光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的重要因素，其誤差大小與慣導(dǎo)系統(tǒng)精度有關(guān)，可將其近似為系統(tǒng)誤差。仿真研究中對部分模型進行了簡化處理，假設(shè)系統(tǒng)固定偏差已經(jīng)消除，只存在多個隨機誤差因素。試驗中直升機的初始位置為1 000 m、500 m、100 m，直升機在空中保持平飛的速度為80 km/h、20 km/h、0 km/h；地面目標(biāo)的初始位置為2 500 m、6 000 m、0 m，目標(biāo)在地面做勻速運動的速度為50 km/h、20 km/h、0 km/h。

式中：T為數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)率；var2為量測噪聲的方差。

設(shè)量測矩陣為

實驗選取不同數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率和延遲時間進行仿真計算，研究它們對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響。默認(rèn)初始參數(shù)設(shè)置為[12-13]：數(shù)據(jù)精度為50 m（1δ），數(shù)據(jù)率為1 s，延遲時間為100 ms；仿真時長為200 s。在分析數(shù)據(jù)精度的影響時，設(shè)置數(shù)據(jù)精度分別為50 m（1δ）、100 m（1δ）、150 m（1δ），數(shù)據(jù)率為1 s，延遲時間為100 ms。在分析數(shù)據(jù)率的影響時，設(shè)置數(shù)據(jù)率分別為1 s、2 s、3 s，數(shù)據(jù)精度分別為50 m（1δ），延遲時間為100 ms。在分析延遲時間的影響時，設(shè)置延遲時間分別為100 ms、500 ms、1 000 ms，數(shù)據(jù)精度為50 m（1δ），數(shù)據(jù)率為1 s。光電系統(tǒng)方位角和俯仰角偏差為100 次Monte Carlo 仿真計算的平均值，仿真實驗結(jié)果分別見表1、表2、表3 和圖4所示。在相同仿真條件下，未采用目標(biāo)信息延遲處理算法的瞄準(zhǔn)線偏差對比如圖5所示。

表1 數(shù)據(jù)精度對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響Table 1 Influence of data accuracy on network cooperative target aiming of electro-optical system

表2 數(shù)據(jù)率對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響Table 2 Influence of data rate on network cooperative target aiming of electro-optical system

表3 數(shù)據(jù)延遲時間對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響Table 3 Influence of data delay time on network cooperative target aiming of electro-optical system

圖4 數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率、延遲時間對比Fig.4 Comparison of data accuracy,data rate and delay time

圖5 目標(biāo)瞄準(zhǔn)線偏差對比Fig.5 Comparison of target aiming line deviation

通過以上分析可以看出：數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率和延遲時間都是影響光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的主要因素。為了減小網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的誤差，應(yīng)盡量減小數(shù)據(jù)延遲時間，同時提高數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)精度。此外，采用合理的目標(biāo)信息延遲處理算法，對提高目標(biāo)狀態(tài)估計精度、減小目標(biāo)瞄準(zhǔn)線估計誤差具有一定作用。

5 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)是直升機光電系統(tǒng)探測目標(biāo)的重要方向，利用數(shù)據(jù)鏈提供的信息能夠快速解算出目標(biāo)方位角和俯仰角，引導(dǎo)光電系統(tǒng)快速對目標(biāo)區(qū)域進行搜索。本文提出了直升機光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的基本方式，分析了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)誤差，仿真研究了數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)率、延遲時間對光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)的影響。直升機光電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)方法還可適用于其他平臺，下一步可采用多源信息融合技術(shù)來減小網(wǎng)絡(luò)協(xié)同目標(biāo)瞄準(zhǔn)誤差。