0 引言
对空射击精度是高炮武器最核心的战术技术指标,直接决定了高炮武器的毁歼概率和作战效能。传统的对空射击精度试验方法都是通过实弹射击实现的,一般分为靶机直接射击方案和对虚拟目标点的避开射击方案,不管采用哪种方案,需要在试验过程中取得每一次射击后的弹着点偏差数据。弹着点偏差数据的测量一般采用基于同帧画幅处理的2台经纬仪交会测量的方法,根据获得的图像数据处理出目标与靶心的偏差量。该方法在实际的射击试验中由于射击的弹丸较多,弹幕交汇点都距经纬仪较远,同时光电经纬仪易受复杂气象条件的影响,造成目标图像成像质量较差,导致中靶点的图像判读误差较大。同时,使用光电经纬仪测量,存在试验布场组织复杂,后期图像及数据处理困难且周期长等问题。
针对上述问题,提出了一种基于靶机加装多目标探测雷达的高炮射击精度测试方案,使用靶机上安装的多目标探测雷达进行射击弹丸的弹着点偏差测量,在射击时可实时测量弹丸相对于目标靶机的弹着点偏差数据,并结合试验时靶机和高炮的系统数据,建立射击精度计算模型进行高炮对空射击精度的统计。
1 测试方案及工作原理
1.1 测试方案
目前,基于靶机安装探测雷达的导弹脱靶量测试技术较为成熟,但将该系统应用于高炮对空射击精度测试仍需解决高炮弹丸体积小(35 mm弹药,RCS约为0.01 m2)、射速高和单次射击弹丸数量多而导致的雷达目标分辨困难和漏检率高等难题。
随着多目标雷达检测理论及其相关算法的飞速发展,多目标雷达探测系统技术的成熟,使多目标雷达探测系统进行弹丸目标位置的测量成为可能。通过在动态空中目标加装多目标雷达探测系统,直接测量遭遇面上的弹丸散布(相对于空中目标),可以快速计算出高炮的射击精度。其测试原理如图1所示。
图1 高炮射击精度测试示意图
Fig.1 Schematic diagram of firing accuracy test of antiaircraft gun
靶机上加装的多目标探测雷达在火炮实施射击时实时测量火炮弹丸相对于靶机的位置,并通过靶机上安装的雷达主机和无线发射模块,将测量的弹丸位置数据发送至地面接收站,地面接收站将雷达测量数据实时在数据显示和处理终端上显示,并对弹丸的位置进行数据处理,得到弹丸相对于靶机的位置数据。同时在靶机上安装位置测试设备(差分GPS),结合靶机姿态、遭遇点距离、高炮射击角度等参数,对自行高炮射击精度进行计算分析。
1.2 多目标雷达工作原理
多目标探测雷达系统的工作原理基本相同,以081电子集团的多目标雷达测试系统为例进行介绍。多目标雷达测试系统由机载部分和地面部分组成。机载部分主要包含雷达主机、雷达前端、通信天线组成。地面部分主要包含地面接收站和显示终端。多目标雷达测试系统组成框图如图2所示。
图2 多目标雷达测试系统组成
Fig.2 Block of multi-target radar test system
雷达前端作为一个完整的功能模块主要由天线单元、收发前端、数模转换器和FPGA处理器组成,其主要完成连续波信号的产生、发射、接收、数模转换、滤波、数字信号处理、以及打包传输等功能;雷达主机主要数字后端和电源组成,数字后端完成信号处理,主要包括傅里叶变换、阵列信号处理、目标检测和航迹滤波等功能,电源为各模块供电;通信天线为无线通信提供数传功能。一个雷达主机可携带4组天线模块,每个天线模块覆盖90°×90°的区域,四面天线模块一共可以覆盖90°×360°的区域;天线单元通过一组发射天线和一组方向互相垂直的接收天线通过信号处理将信号移相合成,分别测量目标的方位与俯仰,共同测量目标的距离,得到目标的三坐标信息。通信天线和地面接收站组成无线数据传输链路,将多目标雷达测量的数据传输至地面接收站,并通过数据线传送显示终端电脑显示和处理。
多目标雷达测试系统采用K波段天线阵列波束合成技术,能够实现对小口径高炮弹丸的准确识别和检出。主要技术参数如下:
1) 最大作用距离:≥18 m(RCS=0.01 m2);
2) 检靶范围:方位 ≥180°,俯仰 ≥90°。;
3) 速度测量范围:20～2 000 m/s;
4) 检测周期:≤1.5 ms;
5) 检靶量测量精度:距离精度≤0.5 m;角度精度≤2.5°。
1.3 多目标探测雷达安装及零位修正
1) 多目标探测探测雷达安装。多目标探测雷达系统在靶机上的安装方式采用外部安装方式,该安装方式将天线置于靶机外表面,主机安装在靶机舱内,可以通过增减天线个数来控制波束覆盖区域,满足不同的使用需求。对于高炮射击精度,需要测量的弹丸散布于靶机四周,需要安装四面天线,可形成绕机身轴一周的环形探测区域。同时天线外表面设计为圆弧状以减小空气阻力,天线和主机通过线缆传输数据并供电,天线外部安装示意图如图3所示。采用外部安装方式的多目标探测雷达系统可在靶机中心形成波束可覆盖绕向360°空域、纵向90°空域雷达探测区域,外部安装空域波束覆盖如图4所示。
图3 天线外部安装示意图
Fig.3 Schematic diagram of antenna external installation
图4 雷达波束空域覆盖
Fig.4 Spatial coverage of radar beam
2) 多目标探测雷达零位修正。多目标探测雷达系统对于弹丸的测量是基于靶机上布置的4组的雷达天线单元的基准进行距离及角度测量的,在测量前需要标校雷达天线与靶机的位置,并根据靶机上姿态测量装置的零位标定雷达测试系统的方位和俯仰零位,才能获得精确的弹丸相对于靶机的位置参数。通过靶机支撑与调平台架将靶机调平,使靶机姿态值(横滚角和纵摇角)均为零,随后多目标探测雷达系统开机,通过雷达感应设备将雷达测试系统的方位和俯仰修零。多目标探测雷达系统零位修正如图5所示。
图5 零位修正测试台架示意图
Fig.5 Zero position correction diagram of multi-target radar system
2 高炮对空射击精度计算模型
根据GJB3856A《高炮武器系统定型试验规程》中高炮对空射击精度的统计方法,需计算每发弹丸的方位角偏差βj和高低角偏差εj。使用多目标探测雷达系统可测量每发弹丸相对于靶机的位置,同时结合射击遭遇点的距离即可计算出每发弹丸的方位角偏差βji和高低角偏差εji。
2.1 遭遇面弹丸相对于靶机的位置
1) 坐标系建立。高炮对空射击精度测试时,雷达测试单元安装在目标靶机上,靶机按匀速直线运动临近飞行,靶机速度应小于300 m/s,高炮跟踪瞄准目标靶机后,在火炮射界内进行射击并测量弹丸位置。根据高炮对空射击精度计算方法,以安装在靶机上的雷达探测系统、靶机和高炮射向分别为基准,建立靶机坐标系、靶机水平坐标系和遭遇面坐标系3个坐标系。靶机坐标系为雷达探测系统坐标系,是每发弹丸的初始位置数据,Y方向为沿靶机机身轴向,X方向为沿靶机机翼纵向,Z向为沿靶机高度方向;靶机水平坐标系是靶机处于水平状态时的坐标系,该坐标系与靶机坐标系原点相同,但相差一个靶机的纵摇角ψ和横滚角θ;遭遇面坐标系是基于高炮射向的坐标系,与靶机水平坐标系原点相同,相差一个炮目方向角b(b为目标运动方向与弹丸射向水平夹角)和高炮高低射角e。3个坐标系之间的转换如图6所示。
图6 坐标系转换
Fig.6 Coordinate system transformation
靶机坐标系下弹丸的点迹位置数据为(dL1,βL1,εL1)和点2(dL2,βL2,εL2),经转换靶机坐标下的弹丸位置可表示为
(1)
靶机水平坐标下的弹丸位置可表示为
(2)
遭遇面坐标下的弹丸位置可表示为
(3)
2) 遭遇面弹丸位置。根据上述式(1)—式(3),同时结合弹丸射击时刻的靶机姿态参数、炮目方位角和高低射角可将每发弹丸的2个点迹位置转换为基于遭遇面坐标系的位置,记每发弹丸2个点迹分别为(Xyj1,Yyj1,Zyj1,)和(Xyj2,Yyj2,Zyj2,)。在雷达检测区域内,近似认为弹丸做直线运动,则每发弹丸2个点迹连线与遭遇面的交点即为弹丸与靶机在遭遇面上的交汇位置。
遭遇面坐标系下弹丸直线运动方程为
(4)
则遭遇面上的弹丸位置,即为Yy=0时的弹丸位置。计算可得弹丸位置如下:
(5)
2.2 多目标探测雷达系统测试数据处理
多目标探测雷达系统会对弹丸经过测量区域的点迹进行测量,每个点迹的测量数据主要包括距离(dL)、方位角(βL)和俯仰角(εL)。多目标探测雷达系统探测时会存在大量的虚警点,需要对测试数据进行处理,筛选弹丸真实的测量数据。弹丸交汇时雷达测试原始点迹如图7所示。
图7 雷达原始点迹
Fig.7 Original radar trace
根据多目标雷达检测周期(1.5 ms)和检测范围,结合弹丸的运动速度可知,高炮对空射击的弹丸经过检测区域时,雷达至少能对弹丸检测3～5次,为了防止虚假航迹引起目标误判,一般将航迹总点数大于2点判为目标,否则判为虚假航迹。根据上述原则统计结合高炮射频,将筛选的有效数据按每发弹丸进行统计,选取距离的最大和最小值作为每发弹丸的2个点迹有效数据。此时每发弹丸将对应2个点迹位置数据,分别记为点1(dL1,βL1,εL1)和点2(dL2,βL2,εL2)。
2.3 对空射击精度计算模型
对空射击时,遭遇面上弹丸的位置与弹目方位角偏差、弹目高低角偏差的关系如图8所示,根据图中几何关系可以得到每发弹丸的方位角偏差和高低角偏差。
图8 遭遇面上弹丸的偏差量
Fig.8 Deviation of projectile on encounter surface
每发弹丸的方位角偏差和高低角偏差如式(6)所示:
(6)
式(6)中: Xyj0、Zyj0分别为第j发弹丸遭遇面上的方位偏差和高低偏差;Rj为第j发弹丸弹目交会时与炮口的距离;βj,εj分别为第j发弹丸的方位角偏差和高低角偏差。
根据GJB3856A《高炮武器系统定型试验规程》中高炮对空射击精度的统计方法,则该航路上的高炮对空射击精度可表示如式(7)和式(8)所示。
对空射击精度系统误差:
(7)
式(7)中: n为该航路的射弹数;mβ、mε分别为弹目方位角的系统误差和弹目高低角的系统误差。
对空射击精度随机误差:
(8)
式(8)中: σβ、σε分别弹目方位角的随机误差和弹目高低角的随机误差。
2.4 模型参数获取
对空射击精度测试流程中涉及的参数和设备有多目标测试系统的弹丸位置数据、靶机的位置数据和姿态数据、高炮的炮目方向角和高低射角。3个设备之间以北斗天文时间作为时间基准,以多目标雷达探测系统的时间为基准,根据探测到弹丸的时间为数据提取时刻,截取靶机姿态数据和高炮炮目方向角和高低射角数据。
靶机坐标系下的弹丸位置通过多目标雷达探测系统测得;靶机姿态量通过靶机上安装的姿态测量装置根据弹目交汇时刻提取;高炮的炮目方向角和高低射角通过高炮上数据记录装置根据弹目交汇时刻提取;遭遇面与炮口的距离根据通过靶机上的差分定位装置根据高炮位置和弹目交汇时刻进行计算。
3 对空射击精度测试误差分析
根据上述对空射击精度模型可知,影响高炮对空射击精度的主要误差源有多目标雷达测试系统测试误差、靶机姿态测量误差、设备间的时间对准误差等。其中多目标雷达测试系统的距离测试误差最大为0.5 m,角度测量误差最大为2.5°;靶机姿态测量误差取决于靶机上安装的姿态测量装置精度,目前使用的姿态测量装置精度可以到达5密位以内,远高于雷达测试系统角度测量精度;设备间的时间对准采用基于北斗天文时间,时间对准误差小于50 ms,同时通过数据差值等处理手段可以进一步降低时间对准误差。综上可知,多目标雷达测试系统测试误差是对空射击精度的主要误差源,本文中主要分析多目标雷达测试系统测试误差对对空射击测试精度的影响。
根据多目标雷达测试系统的测试精度和测试范围,在极限测试情况下,可将测试系统测试弹丸按最大测试误差等效为一个圆柱体,因方位与高低向测试误差相同,在此处仅计算其在方位上的测试精度,其测试精度原理分析如图9所示。
图9 测试精度原理
Fig.9 Schematic of test accuracy
图9中β1为目标真实方位角,β2为测量后转换的测量方位角,则该系统的测试精度可以表示如下:
(9)
根据多目标雷达测试系统测试精度和测量距离,将弹丸等效为直径1 m,长度1.5 m的圆柱体,斜距离区间取1～5 km,则可得到系统对空射击的测试精度为通过计算最大的测量误差,可计算得出该系统的测试精度约为95%。
4 对空射击测试试验
在高炮射击精度测试试验中,为避免弹丸对靶机和探测系统造成毁伤,同时保证试验测试数据、降低测试和试验费用,一般采用对靶机目标的避开射击方案,即相对于目标靶机的真实位置,人为修正方位火控诸元,让弹丸散布于目标靶机的侧方,并对弹丸的散布误差进行测量和计算,在计算结果上去掉修正的火控修正量,从而得到火炮的真实射击精度。按避开射击方法要求,在方位上修正4密位,2 km遭遇时,弹丸散布中心与目标靶机位置相差8 m,能够实现避开射击并保证雷达测试的距离范围。
以某35 mm自行高炮进行了基于靶机加装多目标探测雷达的高炮射击精度测试,射速1 000发/min,单次射击15连发,测试3组,检查弹丸检出率和测量效果。靶机加装多目标探测雷达测试的弹丸位置(已去除方位修正)如图10所示。
图10 遭遇面弹丸相对于靶机位置
Fig.10 Position of encounter surface projectile relative to target machine
根据对空射击测试的弹丸相对于靶机的位置数据,结合上述计算方法及可计算高炮对空射击精度的系统误差和随机误差,具体结果如表1所示。
表1 对空射击精度对比
Table 1 Comparison of air firing accuracy
射击精度第1组/mil方位高低第2组/mil方位高低第3组/mil方位高低射击弹数/发151515雷达检出弹数/发151515遭遇点/m1 8502 0251 995系统误差1.041.221.061.341.410.76随机误差1.762.261.661.841.562.04
根据试验结果,靶机加装多目标雷达探测系统能够对小口径高炮射击的弹丸进行检出,弹丸检出率100%;对空射击精度测试结果与高炮对空射击效果相符,其数据处理过程更加简单快捷,测试成本更低。
5 结论
本文中建立了基于靶机加装多目标探测雷达的高炮射击精度测试方法体系,进行了35 mm高炮的对空射击精度测试试验验证,试验结果表明:基于靶机加装多目标探测雷达的高炮射击精度测试方法实施过程简单、数据提出和处理便捷,测试误差较小、弹丸检出率高,能够实现高炮对空射击精度的测量。
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