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运动轨迹特征对紫外告警虚警分析.pdf
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1、-45-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期航空航天对来袭导弹进行提前预警是提升直升机的战场生存力的一种手段。紫外告警是目前主要采用的导弹逼近告警的技术体制。在近 20 年的紫外告警发展历程中,虚警问题仍然是紫外告警设备面临的最重要问题。紫外告警设备在城镇地区中低空飞行时,会由于持续受到地面电焊弧光的干扰而引发少量虚警。本文提出一种导弹逼近运动轨迹特征判别法,对导弹尾后、迎头、侧向、攻击场景进行仿真,通过仿真得出,不同的导弹发射侧向攻击角、高低角以及导弹发射距离,载机飞行姿态等都对导弹与地面干扰源
2、运动轨迹的区分产生影响。该方法的意义在于会增加多数情况下目标告警的置信度。抑制紫外告警虚警模型紫外告警算法是针对紫外告警设备采集到的紫外图像,利用导弹尾焰产生的强紫外光谱辐射特性将导弹目标与背景、辐射干扰源等分离,对导弹进行识别告警。紫外威胁目标的判定原理是接收紫外传感器采集图像,通过图像预处理滤除杂波,搜寻疑似目标并估算目标信号强度,依据辐射空间分布及时序变化等导弹羽烟辐射特征、信号增强速率等导弹逼近特征、惯性视线速率变化导弹运动轨迹特征,结合理论分析、仿真和试验数据库的支持对威胁目标和干扰进行识别判断,从疑似目标中检测出真实目标并使虚警率最低。由于实际导弹发射时,不同的导弹发射侧向攻击角、
3、高低角以及导弹发射距离,载机飞行姿态等都会影响导弹的运动轨迹特征,为保证不漏警,告警算法必须兼容所有可能的不同作战场景下的导弹运动轨迹特征,下面根据比例导引运动模型,分析不同作战场景下的运动导弹弹道轨迹与地面干扰源运动轨迹在二维紫外图像上的方位、俯仰角变化的异同。比例导引模型目前主战导弹多数采用比例导引律制导,国内主流的运动轨迹识别算法一般结合载机姿态、高度、速度、载机经纬度、目标方位、目标俯仰等信息,基于比例导引规律建立导弹相对于载机的运动模型,根据载机与导弹的相对运动模型与空间位置相关特性,判别疑似目标是否符合导弹来袭的运动特征,以此识别导弹。导弹运动相对关系示意图如图 1 所示。,T分别
4、表示导弹速度向量、目标速度向量与基准线之间的夹角,T分别表示导弹速度向量、目标速度向量行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度运动轨迹特征对紫外告警虚警分析邱 琳邱 琳中国直升机设计研究所中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-46-航空航天与目标视线之间的夹角,q 表示目标视线与攻击平面内某一基准线之间的夹角。目标视线的旋转角速度 dq/dt 等于导弹速度向量和目标速度向量在垂直于目标视线方向上分量的代数和除以相对距离 r,即:比例导引法在导弹导向目标过程中导引
5、方程如下所示:d dtdqKdt=图 2 为导弹攻击目标平面仿真原理图,假定在 t=0 时刻,目标和导弹的位置分别为 T 和 M,导弹和目标做匀速直线运动,最终在 B 导弹与目标相遇,0123M M M M为导弹按某种导引律制导的弹道。在仿真时,导弹从开始运行,根据此时导弹与目标各自的速度、相对位置、导弹的发射角度以及导弹所采用的导引律,计算出经过时间间隔 t 后,导弹在坐标系中的位置,按照相同的原理,计算出此后每经过一个时间间隔 t 导弹所处位置,最后用直线将这些点连接起来,即为导弹运动轨迹。这也相当于在0123M M M M上取 n 个点将其 n 等分,并用折线将相邻的点连接起来,用折线来
6、替代0123M M M M。在图中为了方便作图取了 n=3,但在实际仿真中 n 将远大于 3,当 n 足够大时,可以认为弧内部的折线与弧本身是接近重合的。对于弹道仿真而言,当取一个较小的时间间隔 t,导弹在一个时间间隔内所经过的距离与总的弹道长度相比足够小时,可以认为仿真弹道与实际弹道是接近一致的。比例导引法在导弹导向目标过程中,导弹速度向量的旋转角速度 d/dt 与目标视线的旋转角速度 dq/dt 成正比,视线角速率 dq/dt 与比例导引系数 K 值有关,比例导引系数K 值越大,dq/dt 越小,当 K 值确定后,dq/dt 前期开始较大,随着导弹和目标越来越近,dq/dt 逐渐减小。运动
7、轨迹特征仿真模型以毒刺导弹为例进行仿真,毒刺导弹使用比例导引方法导引,最大速度 2.2Ma,燃烧时间 1.6s,假定在发动机工作时导弹为匀加速运动,被动段时为匀减速运动。1101121V(t)V at()atttttVa tt=+=实际仿真过程中,假设载机在水平面上做匀速直线运动,导弹最大速度为 2.2Ma,燃烧时间 1.6s。假定干扰信号来自地面固定干扰辐射源,设定干扰辐射源在地面的位置,在图像上形成轨迹 A,建立地面固定干扰源相对于载机的运动模型。对于同一位置发射的来袭导弹,根据比例导引仿真,得到弹道轨迹 B,同样可以计算方位角和俯仰角,建立来袭导弹的运动特征模型,如图 3、图 4 所示。
8、导弹弹目连线与OXY 面夹角为俯仰角,与 OYZ 面夹角为方位角,初始时刻,地面干扰源位置和导弹发射位置为同一位置。图 4 导弹运动轨迹仿真剖面图图 3 导弹运动轨迹仿真三维图图 2 导弹攻击目标仿真原理图 1 导弹运动相对关系示意图-47-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期航空航天图 7 尾向干扰源和导弹俯仰角轨迹变化表 2 尾后攻击地面干扰源和导弹相对于载机方位、俯仰角变化目标类型发射高低角()运动时刻 T1(s)俯仰角()运动时刻 T2(s)俯仰角()俯仰角变化()地面干扰源-0-11.3
9、09 91-11.200 8-11.309 9-11.200 8导弹00-11.308 81-11.184 8-11.308 8-11.184 8150-11.308 71-10.554 7-11.308 7-10.554 7300-11.308 61-9.944 0-11.308 6-9.944 0450-11.308 51-9.414 2-11.308 5-9.414 2600-11.308 41-9.000 5-11.308 4-9.000 5750-11.308 31-8.731 7-11.308 3-8.731 7图 6 导弹尾后攻击发射三维仿真图图 5 导弹尾后攻击剖面图典型运动场
10、景仿真假设按照如表 1 所示仿真场景参数进行典型运动仿真,主要仿真分析载机不同态势下,运动导弹与地面干扰源在二维图像上位置变化的特征差异。表 1 导弹逼近运动特征仿真场景参数仿真场景参数参数值载机运动速度 VtVt=50m/s载机飞行高度 hh=1 000m导弹最大速度 VmVm=2.2Ma燃烧时间(加速时间)tT=1.6s比例导引系数 Kk=3载机初始位置(0,S,h)地面距离 s(导弹与载机水平投影距离)S=5 000m斜向距离 R(载机与导弹径向距离)R=(SS+hh)1/2最小观测间隔时间0.01s载机平飞,导弹尾后攻击场景假定一尾后攻击的典型场景,载机飞行高度 1km,载机与导弹发射
11、位置水平距离 5km,载机飞行速度 50m/s,导弹发射后以匀加速运动,1.6s 后达到最大速度 2.2Ma。导弹的初始速度方向与地面水平面的夹角称为导弹发射高低角,当导弹在尾向攻击时,由于导弹发射高低角的不同,会生成不同类型的导弹弹道轨迹,如图 5、图 6 所示。由于导弹逼近告警传感器的刚性安装关系,导弹和地面干扰源在图像上的像素坐标变化等同于目标相对于载机俯仰角的变化,在反应时间 1s 内地面干扰源和导弹相对于载机俯仰角变化仿真计算如表 2 所示。导弹向载机尾向逼近过程中,后向地面干扰源和导弹方位角几乎不变化而俯仰角逐渐增大(如图 7 所示)。当导弹高低角(导弹初始速度方向与地面水平面的夹
12、角)较大时,即导弹高低角 30、45、60、75发射时,弹道与地面干扰源俯仰角变化曲线存在明显差异,导弹在 1 秒反应时间内俯仰变化大于 1,相对容易区分。然而,由于导弹以较小高低角发射时(0、15发射时)俯仰角变化与地面干扰源俯仰角变化曲线曲线相似,无法在 1 秒反应时间内,采用目标运动特性精确区分目标与干扰。载机平飞,导弹迎头攻击场景假定一迎头攻击的典型场景,载机飞行高度 1km,载机与导弹发射位置水平距离 5km,载机飞行速度 50m/s,导弹发射后以匀加速运动,1.6s 后达到最大速度 2.2Ma。当导弹在迎头攻击时,由于导弹发射高低角的不同,会生成不同类型的导弹弹道轨迹,如图 8、图
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