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        自行高炮慣導(dǎo)精度對(duì)空情融合影響的仿真分析*

        2022-03-23 09:06:34隋國芳白桂明邊月奎
        火力與指揮控制 2022年2期
        關(guān)鍵詞:炮塔慣導(dǎo)坐標(biāo)系

        隋國芳,胡 迪,白桂明,邊月奎,劉 芳

        (1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所,太原 030006;2.解放軍32382 部隊(duì),北京 100071;3.解放軍63961 部隊(duì),北京 100012;4.西北機(jī)電工程學(xué)院,陜西 咸陽 712099)

        0 引言

        隨著自行高炮武器系統(tǒng)信息化水平的提升,應(yīng)用于武器平臺(tái)的傳感器種類及數(shù)量越來越多,然而,單純依靠提高傳感器探測(cè)精度來滿足武器系統(tǒng)對(duì)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和打擊的需求,不僅成本增加而且技術(shù)復(fù)雜,因此,就需要對(duì)各傳感器獲取的探測(cè)信息進(jìn)行融合處理,從而獲取被探測(cè)對(duì)象的全面、客觀、精確信息。

        自行高炮武器系統(tǒng)空情信息融合處理通過對(duì)不同探測(cè)源獲取的信息進(jìn)行融合,提高系統(tǒng)探測(cè)精度及跟蹤范圍覆蓋,是武器系統(tǒng)信息化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵問題,影響信息融合精度指標(biāo)的因素一般包括:情報(bào)源誤差、目標(biāo)探測(cè)器探測(cè)誤差、定位定向誤差、姿態(tài)測(cè)量誤差、通信時(shí)延、數(shù)據(jù)處理時(shí)延以及模型誤差等。本文僅討論慣性測(cè)量元件對(duì)空情信息融合精度影響進(jìn)行分析。

        1 自行高炮武器系統(tǒng)坐標(biāo)系

        1.1 自行高炮武器系統(tǒng)坐標(biāo)系

        自行高炮武器系統(tǒng)空情信息融合是將分布在不同探測(cè)源獲取的空情信息進(jìn)行融合,形成統(tǒng)一的空情態(tài)勢(shì)信息,而信息融合首要任務(wù)就是要將基于不同坐標(biāo)系的空情信息進(jìn)行配準(zhǔn)。

        一般而言,自行高炮武器系統(tǒng)的坐標(biāo)系包括雷達(dá)坐標(biāo)系、炮塔坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系及導(dǎo)航坐標(biāo)系。所謂雷達(dá)坐標(biāo)系,是以雷達(dá)回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)O,炮塔縱向向前為x軸正向,炮塔橫向向右為y軸正向,垂直于炮塔平面向上為z軸正向;炮塔坐標(biāo)系以炮塔回轉(zhuǎn)中心與火力線交點(diǎn)為原點(diǎn)O,沿火力軸向前為x軸正向,橫軸向右為y軸正向,垂直向上為z軸正向;車體坐標(biāo)系則是以車體的炮塔回轉(zhuǎn)中心與車體縱軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)O,縱向前為x軸正向,橫向向右為y軸正向,垂直向上為z軸正向;導(dǎo)航坐標(biāo)系O以慣導(dǎo)安裝位置為原點(diǎn),正北為正軸正向,正東為軸正向,垂直向上為軸正向,即“東-北-天”坐標(biāo)系,導(dǎo)航坐標(biāo)系如圖1 所示。

        圖1 導(dǎo)航坐標(biāo)系

        1.2 基本坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

        車際間信息共享時(shí),首先將目標(biāo)探測(cè)信息轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系。由于雷達(dá)坐標(biāo)系、炮塔坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系與車輛姿態(tài)和航向相關(guān),因此,車際間的信息共享均基于導(dǎo)航坐標(biāo)系。可通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移完成雷達(dá)坐標(biāo)系到炮塔坐標(biāo)系、炮塔坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、車體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

        由于雷達(dá)與炮塔、炮塔與車體之間是剛性連接的,因此,車體坐標(biāo)系和炮塔坐標(biāo)系之間的差異僅在于:安裝位置引起的坐標(biāo)平移和炮塔相對(duì)于車體航向之間轉(zhuǎn)角;車體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的差異在于:安裝位置引起的坐標(biāo)平移和航向與姿態(tài)引起的旋轉(zhuǎn)角度差異。其余坐標(biāo)系之間的關(guān)系依次類推,兩個(gè)坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2 所示。

        圖2 車體坐標(biāo)系和炮塔坐標(biāo)系的關(guān)系

        2 信息融合誤差源分析

        2.1 自行高炮武器系統(tǒng)信息交互方式

        戰(zhàn)車在搜索到目標(biāo)空情后,應(yīng)用慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的航向與姿態(tài)信息對(duì)空情信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化,即坐標(biāo)的平移與旋轉(zhuǎn),將空情信息轉(zhuǎn)化到導(dǎo)航坐標(biāo)系下,進(jìn)行信息共享。指揮車在接收到戰(zhàn)車空情后對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析,獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系下的目標(biāo)空情信息,在接收到空情信息后依據(jù)平臺(tái)信息使用需求,將其轉(zhuǎn)換為特定坐標(biāo)系下的目標(biāo)空情信息。平臺(tái)間的空情信息轉(zhuǎn)換流程如圖3 所示。

        圖3 空情共享數(shù)據(jù)處理及傳遞過程

        2.2 空情信息融合過程的誤差來源

        現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合方法大都包含:數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)、濾波3 個(gè)階段,其中,數(shù)據(jù)配準(zhǔn)主要由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和時(shí)間差值方法組成;數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)主流方法包括:最近鄰法、概率數(shù)據(jù)互聯(lián)以及多假設(shè)法等;濾波方法包括最小二乘法、卡爾曼濾波法等。在時(shí)空配準(zhǔn)時(shí),由于定位誤差、授時(shí)設(shè)備誤差、通信時(shí)延可能引起時(shí)空配準(zhǔn)基準(zhǔn)不同從而將誤差引入計(jì)算;在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)時(shí)需要選取回波錄取門限,該門限值的選取是綜合了探測(cè)誤差、定位誤差、配準(zhǔn)誤差以及誤差分布模型以后的一個(gè)綜合結(jié)果,如果誤差選取較準(zhǔn)確,可以保證降低錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)概率;濾波過程在很大程度上受制于前兩個(gè)過程。

        2.3 自行高炮武器系統(tǒng)信息融合誤差源

        自行高炮武器系統(tǒng)空情信息融合的目的在于將分布在不同區(qū)域的自行高炮、指揮車搜索到的空情信息進(jìn)行融合,從而提高跟蹤精度、擴(kuò)大跟蹤覆蓋范圍。其主要過程包括:多源空情信息的時(shí)空配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)濾波等。

        影響信息融合的主要因素包括:1)通信時(shí)延引起的時(shí)間配準(zhǔn)誤差;2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中由模型引起的空間配準(zhǔn)誤差;3)由同步授時(shí)設(shè)備引起的同步誤差;4)由姿態(tài)測(cè)量設(shè)備引起的姿態(tài)誤差;5)由定位設(shè)備引起的定位誤差;6)目標(biāo)探測(cè)器探測(cè)跟蹤誤差。自行高炮武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度直接影響到武器系統(tǒng)效能的發(fā)揮,通信、模型、時(shí)統(tǒng)、定位以及探測(cè)最終都會(huì)以位置誤差的形式反映到對(duì)目標(biāo)的探測(cè)上來。位置誤差與探測(cè)角度誤差的關(guān)系如圖4 所示。

        圖4 位置誤差引起的探測(cè)角度誤差關(guān)系

        圖4 中,表示雷達(dá)實(shí)際位置,' 表示引入定位誤差后的雷達(dá)位置,ε為引入定位誤差后的雷達(dá)探測(cè)誤差角,Δ、Δ、Δ分別為引入定位誤差后雷達(dá)位置在實(shí)際坐標(biāo)系下的、、方向上的誤差投影,Δ表示距離誤差。

        3 慣性測(cè)量誤差對(duì)空情融合精度影響分析

        3.1 慣性測(cè)量引起的位置誤差分析

        在空情信息融合所有的誤差源里,只有慣導(dǎo)誤差會(huì)隨時(shí)間而積累,單獨(dú)應(yīng)用慣性導(dǎo)航設(shè)備會(huì)存在誤差漂移現(xiàn)象、工作時(shí)需要確定起始點(diǎn),但是由于其數(shù)據(jù)率高、短期定位精度高同時(shí)自主性強(qiáng)不受外部干擾,因此,通常情況下通過對(duì)慣導(dǎo)和衛(wèi)星進(jìn)行組合獲取目標(biāo)導(dǎo)航及定位信息,由于實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間無衛(wèi)星定位服務(wù)的情況,因此,這里對(duì)長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)應(yīng)用慣性導(dǎo)航和應(yīng)用組合導(dǎo)航的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

        為了說明兩種使用條件下慣導(dǎo)定位誤差對(duì)目標(biāo)情報(bào)信息的影響,這里對(duì)應(yīng)用兩種精度慣性測(cè)量元件進(jìn)行位置姿態(tài)測(cè)量時(shí)得出的誤差進(jìn)行比較。其中,高精度慣性測(cè)量元件的航向測(cè)量精度、航向保持精度以及導(dǎo)航里程精度分別為mil、mil/h和%D,低精度慣性測(cè)量元件測(cè)量精度是高精度測(cè)量精度的3 倍。兩種精度慣性測(cè)量元件性能參數(shù)見表1。

        表1 兩種精度慣導(dǎo)性能指標(biāo)對(duì)照表

        按照車輛行駛1 h 計(jì)算,此時(shí),由導(dǎo)航系統(tǒng)引起的誤差包括導(dǎo)航里程誤差、航向漂移誤差、初始尋北誤差,這些誤差將在情報(bào)傳遞中疊加到情報(bào)信息中。通過計(jì)算由慣導(dǎo)定位誤差引起的共享目標(biāo)空情信息誤差分別如圖5和圖6 所示。

        圖5 不同距離上引起的共享空情信息角度誤差對(duì)比

        圖6 不同距離上引起的共享空情信息距離誤差對(duì)比

        從圖5 可以看出:當(dāng)目標(biāo)距離雷達(dá)(測(cè)量點(diǎn))較近時(shí),低精度純慣導(dǎo)和高精度純慣導(dǎo)定位方式下,由定位誤差引起的雷達(dá)探測(cè)角度誤差較大;隨著目標(biāo)距離的增加,定位誤差引起的雷達(dá)探測(cè)角度誤差逐漸變小;在高、低精度慣性定位與衛(wèi)星定位組合導(dǎo)航情況下,誤差相對(duì)穩(wěn)定。值得說明的是,相較于低精度純慣導(dǎo)與衛(wèi)星定位組合方式,高精度純慣導(dǎo)方式在遠(yuǎn)距離上定位誤差引起的角度測(cè)量誤差相對(duì)較小,說明慣性導(dǎo)航設(shè)備精度對(duì)角度測(cè)量誤差的影響相對(duì)較大。從圖6 可以看出:隨著目標(biāo)距離的增加,由定位誤差引起的距離測(cè)量誤差逐漸增大,同樣相比較于低精度慣導(dǎo)與衛(wèi)星定位組合方式,高精度純慣導(dǎo)方式在遠(yuǎn)距離上定位誤差引起的距離測(cè)量誤差相對(duì)較小,與測(cè)角誤差結(jié)果一致。

        3.2 多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)融合精度分析

        由于在不同定位方式下(純慣導(dǎo)、組合導(dǎo)航),定位誤差會(huì)作為測(cè)量誤差引入到目標(biāo)指示雷達(dá)量測(cè)當(dāng)中,同時(shí),目標(biāo)指示雷達(dá)的量測(cè)誤差又會(huì)直接影響航跡的融合效果,最終反映到目標(biāo)分配和作戰(zhàn)決策當(dāng)中。為說明融合源誤差對(duì)融合結(jié)果的影響,這里應(yīng)用概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法(JPDA)分別對(duì)平面內(nèi)相距200 m和相距500 m 的平行飛行目標(biāo)在不同探測(cè)誤差等級(jí)條件下的融合結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果如圖7和圖8 所示。

        圖7 相距200m 的2 個(gè)目標(biāo)在不同誤差等級(jí)下的融合結(jié)果

        圖8 相距500 m 的2 個(gè)目標(biāo)在不同誤差等級(jí)下的融合結(jié)果

        由圖7 可以看出:在目標(biāo)相距200 m 的條件下,當(dāng)探測(cè)誤差均方根差為100 m 時(shí),應(yīng)用JPDA方法可以勉強(qiáng)將兩批目標(biāo)區(qū)分開來,但是當(dāng)探測(cè)誤差均方根差大于100 m 時(shí),可能導(dǎo)致兩批目標(biāo)的交叉。

        由圖8 可以看出:在目標(biāo)相距500 m 的條件下,當(dāng)探測(cè)誤差均方根差為200 m 時(shí),應(yīng)用JPDA 方法可以完全將兩批目標(biāo)區(qū)分開來,但是當(dāng)探測(cè)誤差均方根差為250 m 時(shí),可以勉強(qiáng)將兩批目標(biāo)區(qū)分開來,當(dāng)探測(cè)誤差均方根差為350 m 時(shí),兩批目標(biāo)產(chǎn)生交叉。

        4 結(jié)論

        由于雷達(dá)探測(cè)、通信時(shí)延以及計(jì)算模型引入的誤差相對(duì)固定,因此,上述計(jì)算中僅考慮了慣導(dǎo)引起的共享空情誤差。隨著探測(cè)距離的增大,位置變化所引起的角度變化會(huì)逐漸縮小,位置變化引起的情報(bào)距離誤差會(huì)逐漸增大。即便是沒有衛(wèi)星組合的條件下,在較遠(yuǎn)距離上高精度慣導(dǎo)設(shè)備對(duì)精度的提升效果會(huì)逐漸明顯。值得注意的是,這里只考慮了慣導(dǎo)誤差并未考慮雷達(dá)探測(cè)誤差以及通信時(shí)延、時(shí)統(tǒng)等帶來的誤差。

        在信息融合方面,由于現(xiàn)有設(shè)備給出的誤差等級(jí)均為統(tǒng)計(jì)意義下的均方根誤差,誤差的分布是隨機(jī)的。結(jié)合上述仿真結(jié)果,建議將綜合通信、雷達(dá)探測(cè)、時(shí)統(tǒng)、模型以及慣導(dǎo)測(cè)量誤差控制在目標(biāo)距離均方根差的1/2 以內(nèi)。由于實(shí)際中影響融合的因素是多方面的,例如速度和采樣頻率,對(duì)于高采樣頻率的系統(tǒng)來說,其還應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮速度因素。

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