CN109814405B - 一种测控布站方案综合量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器测控领域，具体涉及一种测控布站方案综合量化评估方法，包括步骤确定测控布站方案的仿真输入参数；对步骤S1的测控布站方案进行布站性能仿真，包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；制定测控布站方案综合量化评估策略，确定评估参数；对测控布站方案进行量化评估。本发明测控布站性能更优，解决了当前多套测控设备同时布站的一般靶场飞行任务，没有一种综合量化评估方法的问题。

Description

一种测控布站方案综合量化评估方法

技术领域

本发明属于飞行器测控领域，具体涉及一种测控布站方案综合量化评估方法。

背景技术

飞行器测控系统是靶场飞行试验的重要分系统，它是一个庞大、复杂的体系，主要由光学、雷达、遥测遥控设备及配套的软硬件设备组成，负责完成空中飞行目标的捕获、识别、定位和监视，并同时完成目标飞行试验弹道、景象、遥测参数、目标特性、毁伤效应等试验数据的测量和获取等重要任务，为试验鉴定、任务指控、任务评估等提供数据信息。

在一般的靶场测控保障体系中，测控站点在前期建设时会兼顾多类型任务，因此对于特定飞行试验，可供测控设备选择的布站方案不是惟一的，测控任务开展前的一项重要工作就是进行制定布站方案，通过对不同方案的性能进行仿真和评估，力求在有限的测控条件下达到最佳的测控效果。

目前在靶场测控领域，对于交会测量、测量误差等单项布站性能的研究比较多，可供借鉴的成果比较丰富，但对于涉及雷达、遥测遥控、光电经纬仪等多种复杂测控手段，多套测控设备同时布站的一般靶场飞行任务，对其布站方案的总体性能进行综合量化评估一直是业界难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对于多套测控设备同时布站的一般靶场飞行任务，目前没有一种综合量化评估方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种测控布站方案综合量化评估方法，包括以下步骤：

S1、确定测控布站方案的仿真输入参数；

S2、对步骤S1的测控布站方案进行布站性能仿真，包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；

S3、制定测控布站方案综合量化评估策略，确定评估参数；

S31、确定跟踪覆盖性评估权值p_co和跟踪质量评估权值p_qu，并且p_co+p_qu＝1；

S32、根据任务测控对象特点描述其对外测、遥测、光测的依赖程度，从而确定外测、遥测、光测的评估权值P_w、P_y、P_g；

其中，跟踪覆盖性评估权值P_cw、P_cy、P_cg，并且P_cw+P_cy+P_cg＝1；跟踪质量评估权值P_qw、P_qy、P_qg，且P_qw+P_qy+P_qg＝1；

S33、在跟踪质量评估中，根据同一类各台设备所在位置，以及任务对不同航段的重视程度，确定每台设备的权重P_wi、P_yi、P_gi，并且

N_w，N_y，N_g为外测、遥测、光测所包扩的设备数量；

S34、分别确定外测、遥测、光测的测量误差、计算太阳照射夹角和电波传播余隙的评估权值p_er、p_sa、p_gp，且p_er+p_sa+p_gp＝1；

S4、对测控布站方案进行量化评估：

S41，对于跟踪覆盖性评估：

外测、遥测、光测的跟踪覆盖性评分S_cw、S_cy、S_cg使用如下公式计算：

其中，n_ci为任务航线上的某点被同时覆盖的某类设备数量，下标i为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，N_s为参加任务某类设备的总数量。

S42，对于跟踪质量评估：

S421，外测、遥测、光测中每一台设备的跟踪质量评分S_qwi、S_qyi、S_qgi使用如下公式计算：

其中，下标j为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，v_erj、v_saj分别为单台设备在任务航线上某点测量误差和太阳照射夹角仿真值，其中v_erj为归一化处理后的测量误差，v_sar为太阳照射夹角的参考门限值，在仿真前根据任务需求设定，G_jk为电波传播余隙因子，值为0或1，M_j为每条电波传播余隙路径离散点数；

S422，计算出单台设备的得分，再根据以下公式计算外测、遥测、光测的跟踪质量评估得分：

S43，对测控布站方案进行综合评估：

S431，踪覆盖性评估、跟踪质量评估评分S_co、S_qu使用如下公式计算：

S432，测控布站方案综合评估得分S计算公式为：

S＝S_co·P_co+S_qu·P_qu。

进一步，步骤S1中仿真输入参数包括试验场区地形、任务航线参数、测控设备布站参数、设备模型参数、目标特性参数、仿真想定参数及性能评估输入参数。

进一步，S2中布站性能仿真包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；

其中，跟踪覆盖性仿真包括目标距离仿真分析、目标速度仿真分析、目标加速度仿真分析和目标通视仿真分析；跟踪质量仿真包括以下内容：对于无线电测量设备，包括测量误差和电波传播余隙，对于光学测量设备，包括随任务时间变化的大气折射引入的测量误差及太阳照射夹角。

本法明测控布站性能更优，解决了当前多套测控设备同时布站的一般靶场飞行任务，没有一种综合量化评估方法的问题。

附图说明

图1是电波传播余隙计算示意图。

图2是本发明中布站性能仿真的结构图。

图3是本发明的跟踪覆盖性评估组成图。

图4是本发明的跟踪质量评估组成图。

图5是本发明的布站综合量化评估策略组成图。

图6是飞行轨迹和布站位置示意图。

具体实施方式

一种测控布站方案综合量化评估方法，针对靶场测控领域中测控方案综合量化评估的难题，在对外测、遥测、光测等各类测控手段跟踪覆盖性和跟踪质量进行数值仿真的基础上，将布站性能评估划分为跟踪覆盖性评估、跟踪质量评估和布站方案综合评估三个步骤，最终得到方案总体量化评分，为测控方案设计和辅助决策提供重要依据。

具体包括以下步骤：

S1、进行测控布站方案，确定包括试验场区地形、任务航线参数、测控设备布站参数、设备模型参数、目标特性参数、仿真想定参数及性能评估输入参数在内的仿真输入参数，这些参数均以文件形式保存，各类文件包含的主要内容如下：

(一)地形文件：包含试验场区的地形图，包括各个点的经度、纬度、高程信息。

(二)设备模型配置文件：包含设备模型参数，具体包括各设备的工作范围、作用距离、测量精度等技术指标。

(三)目标特性配置文件：包含目标特性参数，具体包括目标类型、遥测发射功率、光学反射率、目标尺寸等特性参数。

(四)布站规划文件：包含测控设备布站参数，具体包括各类测控手段包含的设备数量、设备代号、设备坐标、设备跟踪质量权值信息。

(五)航线规划文件：包含任务航线参数，具体包括任务航线各离散点的时间、精度、纬度、高程信息。

(六)仿真想定配置文件：包含任务仿真想定参数，具体包括各个设备需要仿真的所有元素。

(七)布站性能评估配置文件：包含性能评估参数，具体包含总体及各类设备的跟踪覆盖性与跟踪质量权值、各类仿真项目的权值。

S2、对步骤S1的测控布站方案进行布站性能仿真，如图2所示，包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；

(一)跟踪覆盖性仿真

跟踪覆盖性仿真主要计算地面设备对航线上各离散仿真点的覆盖情况，包含目标的距离、速度、加速度和通视计算。当设备在航线某一离散点上的距离、速度、加速度和通视仿真计算值不超过设备的性能范围，则认为该点被覆盖，取值为1；仿真值超出设备的性能范围则认为该点不被覆盖，取值为0。其中，目标特征数据来自目标特性配置文件，目标位置数据来自航线规划配置文件，地形高程数据来自标准地形文件，所需设备数据来自各设备的模型库配置文件。经过程序仿真，将计算结果保存在跟踪覆盖性结果文件中。

1、目标距离仿真：目标距离仿真分析是仿真计算目标与设备的距离变化情况，是目标能否被设备覆盖的基本参数。首先，根据各设备参数和目标特性得到设备作用距离极限。之后通过坐标转换，将目标位置信息转换到各站心极坐标系即可求出目标和设备之间的实际距离及目标相对于设备的方位角和俯仰角，将其与相应的极限进行对比即可得到该参数的覆盖性仿真结果。

2、目标速度仿真：速度仿真分析是计算目标相对于设备的径向速度变化，并不是目标实际飞行时的速度。因此，在计算速度时，直接将目标相对于设备的径向距离相减，除以时间差后与设备作用速度极限进行对比。目标的方位角速度和俯仰角速度仿真分析与速度分析相似，直接向方位角和俯仰角相减，再除以时间差。

3、目标加速度仿真：目标加速度仿真，在目标测控中的定义与通常情况一样，直接将速度参数相减，再除以时间即可。方位角加速度与俯仰角角加速度的计算与其基本一样。

4、目标通视仿真：通视是以设备信号发射器为起点，目标航迹为终点，判断两点之间的空间连线是否存在遮挡的参数。通视的仿真方法与计算电波传播余隙相似，计算过程可参考跟踪质量仿真中电波传播余隙仿真。

(二)跟踪质量仿真

1、电波传播余隙仿真

对于定向天线，按实际工作频率和波束宽度，可以定义一个与传播路径成一定角度的圆锥面作为参考面，根据第一菲涅尔区的定义，以一定的间隔沿观测线法向切割菲涅尔区椭球体表面，形成若干圆环，再按一定的角度间隔对圆环采样。实际计算时,以一定的间隔沿观测线法向切割菲涅尔区椭球体表面，形成若干圆环，再按一定的角度间隔对圆环采样，可根据实际的任务特点确定采样密度。根据无线电测量设备菲涅尔区计算公式及坐标转换方法，可以得到每个计算点的具体位置信息，通过与地形文件的高程信息进行对比，确定该点是否被遮挡。计算模型示意图见附图1。

任务前根据实际情况，确定电波传播余隙计算参考值R_e(m),计算每台无线电测量设备对应的第j各航迹仿真点上第k个电波传播余隙仿真值R_jk，若R_jk＞R_e，则该电波传播余隙因子G_jk＝0，若R_jk≤R_e，则该电波传播余隙因子G_jk＝1。

2、太阳照射夹角仿真

为了避免太阳光直射镜面造成测量干扰，甚至损伤设备，在测量时需要考虑太阳、设备和目标之间的夹角。太阳照射角随着太阳赤纬和地方时的变化而变化，根据专门公式，可计算出每个时刻太阳光相对于设备的方位角和俯仰角。再根据目标位置信息和夹角余弦原理，就能得到每个时刻太阳、设备和目标之间的夹角。

任务前根据设备要求，确定太阳照射夹角参考值v_sar(rad),计算每台光侧设备对应的第j各航迹仿真点上的太阳照射夹角v_saj，若v_saj≥v_sar其与参考值的比值

若v_saj＜v_sar其与参考值的比值

不变。

3、无线电测量误差仿真

无线电测量误差由测距、测角、测速等多个元素组成，根据各设备实际技术指标确定各误差参考值为

为测距误差参考值，

为测速误差参考值，

和

为方位和俯仰角测量误差参考值。计算每台无线电测量设备对应的第j各航迹仿真点上各测量误差，同时为了消除量纲不统一的影响，对测量误差进行归一化，则归一化误差为：

并规定当

时，

当

时，比值不变。

的取值计算规则与此相同。

4、大气折射误差

大气对光波的折射导致跟踪架直接测得的方位角A、俯仰角E并不是实际的几何方位角、俯仰角，因此需要对其修正。一般而言大气折射对方位角A影响很小，主要对俯仰角E产生影响。计算方法与无线电测量误差仿真相同。

S3、制定测控布站方案综合量化评估策略，确定评估参数；

(一)不同测控手段评估权值的选取

根据任务实际情况，若目标飞行器为合作目标，则遥测类设备所占权重P_y取值较大；若目标飞行器为非合作目标，则外测类设备所占权重P_w取值较大；任务中对飞行目标姿态测量要求高，则光测类设备所占权重P_g取值较大。但无论各类设备权重取值比例如何变化，都要满足P_w+P_y+P_g＝1。

(二)跟踪覆盖性评估权值p_co和跟踪质量评估权值p_qu的选取

跟踪覆盖性评估主要侧重测控设备对任务预测航迹的覆盖范围，而跟踪质量评估侧重对预测航迹上每一个离散点测量的精度。根据实际任务，要求对飞行目标全程测控的条件下，跟踪覆盖性评估权值p_co>跟踪质量评估权值p_qu；如果只关注重点航段的测量精度，而不需要测控设备全程跟踪目标，则跟踪质量评估权值p_qu>跟踪覆盖性评估权值p_co；无特定需求下，可令跟踪覆盖性评估权值p_co＝跟踪质量评估权值p_qu。但无论两个权重取值比例如何变化，都要满足p_co+p_qu＝1。

(三)跟踪质量评估中同类设备权重的选取

在跟踪质量评估中，相同测控手段的不同设备所占比重也不同。根据不同设备所在位置的不同以及任务对不同航段的重视程度的不同，如果任务中对某一航段特别关注，则覆盖该航段的测控设备的权重较大，其他设备的权重较小。任务无特别要求情况下，各设备权重可相等，但无论各设备权重如何分配，对于一类测控手段，

n_w，n_y，n_g为外测、遥测、光测等不同测控手段所包扩的设备数量。

(四)各跟踪质量要素的评估权值的选取

根据实际任务要求和各类别测控设备的特点，对于不需要计算的跟踪质量要素，其评估权值赋值为0；对于测量精度要求高的任务，则测量误差评估权值赋值比重较高。例如，无线电测量设备不需要计算太阳照射夹角，则对于此类设备，可令p_sa＝0。光电类设备直射太阳会烧毁成像器件，此类设备的p_sa取值比重一般较大，而光电设备不需要计算电波传播余隙，则其p_gp＝0。

即：

S31、确定跟踪覆盖性评估权值p_co和跟踪质量评估权值p_qu，并且p_co+p_qu＝1；

S32、根据任务测控对象特点描述其对外测、遥测、光测的依赖程度，从而确定外测、遥测、光测的评估权值P_w、P_y、P_g；

其中，跟踪覆盖性评估权值P_cw、P_cy、P_cg，并且P_cw+P_cy+P_cg＝1；跟踪质量评估权值P_qw、P_qy、P_qg，且P_qw+P_qy+P_qg＝1；

S33、在跟踪质量评估中，根据同一类各台设备所在位置，以及任务对不同航段的重视程度，确定每台设备的权重P_wi、P_yi、P_gi，并且

N_w，N_y，N_g为外测、遥测、光测所包扩的设备数量；

S34、分别确定外测、遥测、光测的测量误差、计算太阳照射夹角和电波传播余隙的评估权值p_er、p_sa、p_gp，且p_er+p_sa+p_gp＝1；

S4、对测控布站方案进行量化评估：

(一)跟踪覆盖性仿真与量化评估

在对目标跟踪覆盖性进行仿真分析时，首先得到目标点相对于某一设备的距离、速度、加速度和通视信息，之后根据设备作用极限进行判断，如果该目标点的所有覆盖性信息都满足条件，则认为该设备可以覆盖此目标点。以此类推，分析所有设备对整个目标路径的覆盖情况。保存每个目标点能被同时覆盖的每类设备的个数。

根据跟踪覆盖性评分公式，用每个目标点被覆盖的某类设备数量除以该类设备的总数，遍历整个路径并累加计算结果后，再除以航线目标点总数，并乘以100，得到该类设备对任务航线上所有目标点的跟踪覆盖性评分。最终，计算出各类设备对整个航线的跟踪覆盖性评分。

(二)跟踪质量仿真与量化评估

在对目标跟踪质量进行仿真分析时，根据任务要求，首先确定太阳照射夹角和电波传播余隙的参考门限值v_sar(单位：rad)、v_gpr(单位：m)；然后计算各类测控手段所包含的所有设备各跟踪质量要素在任务航线上某点仿真值v_eri、v_sai、v_gpi，对于各设备的测量误差，将各项误差归一化整合为总误差再进行计算；根据单台设备跟踪质量评分公式，计算出S_qwi、S_qyi、S_qgi，再结合跟踪质量评估中同类设备权重，计算出各类测控手段的跟踪质量评估得分S_qw，S_qy，S_qg。

(三)布站方案综合评估方法

将每类设备的跟踪覆盖性评分和跟踪质量评分乘以对应的权值，就可以得到每类设备的综合布站评估结果。再将各个设备的综合评估结果乘以综合评估权值，最终得到布站方案的综合评估结果。

即：

S41，对于跟踪覆盖性评估：

外测、遥测、光测的跟踪覆盖性评分S_cw、S_cy、S_cg使用如下公式计算：

其中，n_ci为任务航线上的某点被同时覆盖的某类设备数量，下标i为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，N_s为参加任务某类设备的总数量。

S42，对于跟踪质量评估：

S421，外测、遥测、光测中每一台设备的跟踪质量评分S_qwi、S_qyi、S_qgi使用如下公式计算：

其中，下标j为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，v_erj、v_saj分别为单台设备在任务航线上某点测量误差和太阳照射夹角仿真值，其中v_erj为归一化处理后的测量误差，v_sar为太阳照射夹角的参考门限值，在仿真前根据任务需求设定，G_jk为电波传播余隙因子，值为0或1，M_j为每条电波传播余隙路径离散点数；

S422，计算出单台设备的得分，再根据以下公式计算外测、遥测、光测的跟踪质量评估得分：

S43，对测控布站方案进行综合评估：

S431，如图3和图4所示，踪覆盖性评估、跟踪质量评估评分S_co、S_qu使用如下公式计算：

S432，如图5所示，测控布站方案综合评估得分S计算公式为：

S＝S_co·P_co+S_qu·P_qu。

下面结合某次布站方案对本评估方法和实施步骤进行详细说明。

实施例1

参与任务的设备包含3台光电经纬仪，2台遥测设备，2台雷达设备；

一.确定各评估权值

现对某地域飞行目标进行轨迹测量，根据任务要求，列出以下布站评估建议并设定权值：

1、强调目标轨迹覆盖的完整性，因此跟踪覆盖性评估权值设定较大。设定跟踪覆盖性评估权值p_co＝0.7，跟踪质量评估权值p_qu＝0.3；

2、重点关注目标在高空段的图像信息，因此光电经纬仪设备的权值较大，且位于目标高空段附近设备的权值较大。设定光电经纬仪的跟踪覆盖性与跟踪质量权值均为P_g＝0.6，遥测权值为P_y＝0.2，外测权值为P_w＝0.2；

3、各设备的跟踪质量评估权值根据具体布站位置确定；

4、对于遥测与外测设备，跟踪质量权重无明确优先关系，因此平分各项跟踪质量评估权值；对光电经纬仪而言，重点关心太阳照射夹角对设备成像的影响，因此在跟踪质量评估中，太阳照射夹角评估权值为0.7，大气折射误差评估权值为0.3。

二.输入布站方案

方案一：三台光电经纬仪分别放置在B、K、F点，如图6所示，每点设备的跟踪质量权值分别为0.3/0.4/0.3；两台遥测分别放置在I、L点，每点设备的跟踪质量权值分别为0.4/0.6；两台雷达分别放置在A、G点，每点设备的跟踪质量权值分别为0.5/0.5。

方案二：三台光电经纬仪分别放置在I、D、L点，每点设备的跟踪质量权值分别为0.3/0.4/0.3；两台遥测分别放置在A、G点，每点设备的跟踪质量权值分别为0.4/0.6；两台雷达分别放置在J、F点，每点设备的跟踪质量权值分别为0.5/0.5。

方案一与方案二之间的对比在于布站位置的不同，其余条件完全一样。

三.仿真和性能评估

仿真和性能评估结果如下表所示：

表1 方案1光测设备仿真评估得分

表2 方案1外测设备仿真评估得分

表3 方案1遥测设备仿真评估得分

表4 方案1仿真评估总得分

表5 方案2光测设备仿真评估得分

表6 方案2外测设备仿真评估得分

表7 方案2遥测设备仿真评估得分

表8 方案2仿真评估总得分

通过仿真和性能评估,根据两个方案的汇总表格可以看出：两个方案的跟踪质量得分相差不大，但方案二的跟踪覆盖性总分比方案一高出4.6154分，而此次飞行中更注重覆盖性(权值为0.7)，因此乘以权值后，方案二的总分高出3.7396，所以方案二的测控布站性能更优。

Claims (3)

1.一种测控布站方案综合量化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定测控布站方案的仿真输入参数；

S2、对步骤S1的测控布站方案进行布站性能仿真，包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；

S3、制定测控布站方案综合量化评估策略，确定评估参数；

S31、确定跟踪覆盖性评估权值p_co和跟踪质量评估权值p_qu，并且p_co+p_qu＝1；

S32、根据任务测控对象特点描述其对外测、遥测、光测的依赖程度，从而确定外测、遥测、光测的评估权值P_w、P_y、P_g；

其中，外测、遥测、光测的跟踪覆盖性评估权值分别为P_cw、P_cy、P_cg，并且P_cw+P_cy+P_cg＝1；外测、遥测、光测的跟踪质量评估权值分别为P_qw、P_qy、P_qg，且P_qw+P_qy+P_qg＝1；

S33、在跟踪质量评估中，根据同一类各台设备所在位置，以及任务对不同航段的重视程度，确定每台设备的权重P_wi、P_yi、P_gi，并且

N_w，N_y，N_g为外测、遥测、光测所包扩的设备数量；

S34、分别确定外测、遥测、光测的测量误差、计算太阳照射夹角和电波传播余隙的评估权值p_er、p_sa、p_gp，且p_er+p_sa+p_gp＝1；

S4、对测控布站方案进行量化评估：

S41，对于跟踪覆盖性评估：

外测、遥测、光测的跟踪覆盖性评分S_cw、S_cy、S_cg使用如下公式计算：

S_cw或S_cy或

其中，n_ci为任务航线上的某点被同时覆盖的某类设备数量，下标i为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，N_s为参加任务某类设备的总数量；

S42，对于跟踪质量评估：

S421，外测、遥测、光测中每一台设备的跟踪质量评分S_qwi、S_qyi、S_qgi使用如下公式计算：

S_qwi或S_qyi或

其中，下标j为任务航线离散点编号值，N为任务航线离散总点数，v_erj、v_saj分别为单台设备在任务航线上某点测量误差和太阳照射夹角仿真值，其中v_erj为归一化处理后的测量误差，v_sar为太阳照射夹角的参考门限值，在仿真前根据任务需求设定，G_jk为电波传播余隙因子，值为0或1，M_j为每条电波传播余隙路径离散点数；

S422，计算出单台设备的得分，再根据以下公式计算外测、遥测、光测的跟踪质量评估得分：

S43，对测控布站方案进行综合评估：

S431，踪覆盖性评估、跟踪质量评估评分S_co、S_qu使用如下公式计算：

S432，测控布站方案综合评估得分S计算公式为：

S＝S_co·P_co+S_qu·P_qu。

2.根据权利要求1所述一种测控布站方案综合量化评估方法，其特征在于，步骤S1中仿真输入参数包括试验场区地形、任务航线参数、测控设备布站参数、设备模型参数、目标特性参数、仿真想定参数和性能评估输入参数。

3.根据权利要求1所述一种测控布站方案综合量化评估方法，其特征在于，S2中布站性能仿真包括跟踪覆盖性仿真和跟踪质量仿真；

其中，跟踪覆盖性仿真包括目标距离仿真分析、目标速度仿真分析、目标加速度仿真分析和目标通视仿真分析；跟踪质量仿真包括以下内容：对于无线电测量设备，包括测量误差和电波传播余隙，对于光学测量设备，包括随任务时间变化的大气折射引入的测量误差及太阳照射夹角。

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