CN117633406A - 一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法，通过比较同一时刻下目标现在点位置(通常情况下，在目前跟踪过程中，无法获取目前真实现在点位置，而采用目标滤波所得到的位置量代替)和火控预测目标未来点位置，建立了基于目标滤波数据和未来点数据偏差的预测模型，对未来点进行边预测边修正，以提高高炮武器系统射击精度。

Description

一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法

技术领域

本发明属于要地近程反导高炮武器系统领域，特别是一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法。

背景技术

在现代高技术战争条件下，空袭与反空袭已成为战争之初的主要战争模式并贯穿始终，决定着战争的胜负。随着精确制导技术的发展，精确制导武器呈现出机动越来越灵活、速度越来越高的发展趋势，对军事要地及重点工程构成巨大威胁。随着高炮火控技术的发展，高炮武器系统的射击精度也越来越高，采用直接命中体制的高炮武器系统已成为可能。对于近程反导高炮武器系统而言，通常使用穿甲弹等弹药，利用该弹的穿透能力实现对来袭弹药的毁伤能力，任何外界条件引起的射击误差都将影响武器系统的毁伤概率。

高炮武器系统通常由跟踪设备、火控设备、高炮等设备组成。高炮武器系统射击误差主要由目标跟踪误差、火控解算误差、高炮随动误差等组成。单纯提高目标跟踪精度，一方面可提高的空间极其有限，另一方面还会引起装备成本的大幅提高。有研究表明，高炮武器系统在射击过程中，火控解算误差是引起高炮武器系统误差的主要因素，而系统误差对射击毁歼的概率影响最大。进一步的说，现代火控解算射击诸元误差主要是由目标运动模式的假定与目标实际运动规律不一致引起的，且随着预测时间的增加，射击误差也呈现增加趋势。

为了提高高炮武器系统的射击精度，常用的射击校正方法有虚拟校射、闭环校射等。虚拟校射是在效力射之前实施，一般在目标来袭方向设定虚拟试射点，通过发射实际弹丸，测量弹丸与虚拟点的平均偏差。其优点是能够在一定程度上减小弹道气象、系统零位一致性等导致的系统误差。但是其缺点是(a)需要在目标效力射之前实施，而随着来袭目标的突袭性及快速性，操作手难以有时间实施虚拟射；(b)虚拟校射容易提前暴露我方防空阵地，不利于战术行动；(c)虚拟校射无法减小由目标预测所造成的误差。(d)虚拟校射还需系统配置具有测量弹目偏差能力的传感器。闭环校射是在高炮射击过程中，跟踪设备连续测量弹丸与目标在等距离时的偏差，火控设备对测量的脱靶量数据进行变换、滤波、分离，并预测后继弹丸的脱靶量，进而实时校正射击诸元。其优点是一种综合的一揽子校射方案，不是针对某一种射击误差的修正。但是其缺点是(a)诸多高炮武器系统同样不具备测量弹目偏差的能力；(b)闭环校射需要是目标进入射程范围之后，更主要的是需要高炮实际持续发射弹丸方可实施，且射击开始后的一个弹丸飞行时间内没有脱靶量观测数据，极大压缩了闭环校射的作用时间。(c)随着来袭目标的速度越来越快，射击窗口也就越来越短，面对超高速来袭目标，闭环校射可发挥的作用也就越来越有限。

机动目标跟踪和预测技术在近程反导高炮火控系统中是一个永恒的课题，很大程度上依赖目标运动模型建立的准确性。但不论采用何种目标运动假定，预测出的目标航路与真实航路之间总存在一定的误差。本发明提出了一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法，在高炮武器系统跟踪目标过程中，对火控预测的未来点坐标进行修正，以减小未来点预测的误差，提高高炮武器系统射击精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法。

一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法，其包括：

步骤1、计算目标运动要素、未来点数据、弹丸飞行时间：

高炮武器系统跟踪设备实时跟踪来袭目标，火控设备实时接收跟踪设备发送的目标跟踪数据，并进行目标运动要素解算获得当前时刻目标运动状态X(k)的估计值；根据目标运动状态外推预测目标未来点位置和弹丸飞行时间T_fk，具体为：

目标状态从k时刻外推到k+T_fk时刻的计算公式如下：

式中：表示/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；/>表示在k时刻，火控设备预测的在k+T_fk时刻目标的未来点位置/>在地理坐标系X、Y和Z方向分量；f_x(T_fk)，f_y(T_fk)，f_z(T_fk)表示经过一个弹丸飞行时间T_fk，目标在地理坐标系X、Y和Z方向的预测提前量；

步骤2、计算一个弹丸飞行时间后，目标现在点数据

步骤3、计算同一时刻对齐下，目标现在点与未来点的位置偏差：

k+T_fk时刻未来点位置偏差表示为：

式中：和/>为滤波数据/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；和/>为滤波外推偏差d(k+T_fk)在X、Y和Z方向的分量；

步骤4、在任意采样时刻k_n，利用d(k+T_fk)偏差，预测k_n+T_fkn时刻未来点位置偏差：

即：

式中：T_fk和T_fkn分别表示弹丸目标从现在点k和k_n时刻到达各自未来点所需要的时间；d(k+T_fk)表示目标在k+T_fk时刻滤波真值位置与预测位置之间的实际偏差；k+T_fk是小于或等于k_n的已计算出d(k+T_fk)的最大时刻；d_p(k_n+T_fkn)表示在k_n时刻目标弹丸在k+T_k和k₁+T_k1时刻滤波真值位置与预测位置之间的偏差；

步骤5、在k_n时刻，对k_n时刻对应的未来点进行修正；

利用偏差模型修正弹丸预测未来点的位置，在k_n时刻对计算出的未来点进行修正，修正后的预测未来点位置为/>即为：

其中，λ为范围在(0,1)之间的比例系数；

步骤6、在k_n时刻，将修正后的未来点数据实时代入火控设备进行诸元解算，即可实现武器系统的闭环控制。

较佳的，所述步骤2的具体包括：

若k+T_fk不是△T的整数倍，利用插值获取k+T_fk时刻目标现在点数据：

式中：(n-1)△T<k+T_fk<n△T，n≥1，n为整数；表示系统利用滤波获得的n△T时刻目标位置真值；/>表示系统利用滤波获得的(n-1)△T时刻目标位置真值。

本发明具有如下有益效果：

本发明针对高炮武器系统火控解算中，目标运动模型假定与目标实际运动不匹配产生的目标运动假定误差，导致高炮射击诸元有较大误差问题，本发明通过比较同一时刻下目标现在点位置(通常情况下，在目前跟踪过程中，无法获取目前真实现在点位置，而采用目标滤波所得到的位置量代替)和火控预测目标未来点位置，建立了基于目标滤波数据和未来点数据偏差的预测模型，对未来点进行边预测边修正，以提高高炮武器系统射击精度。

附图说明

图1为采用常规方法计算高炮诸元方法流程图；

图2为基于未来点修正的高炮诸元计算方法流程图；

图3为使用基于未来点修正的高炮诸元计算方法实弹射击脱靶量数据；

图4为采用常规方法计算高炮诸元实弹射击射击脱靶量数据。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明针对高炮武器系统火控解算中，目标运动模型假定与目标实际运动不匹配产生的目标运动假定误差，导致高炮射击诸元有较大误差问题，通过比较同一时刻下目标现在点位置(通常情况下，在目前跟踪过程中，无法获取目前真实现在点位置，而采用目标滤波所得到的位置量代替)和火控预测目标未来点位置，建立了基于目标滤波数据和未来点数据偏差的预测模型，对未来点进行边预测边修正，以提高高炮武器系统射击精度。

本发明采用的解决方案是一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法，如图2所示，在目标进入高炮射程后，高炮武器系统在跟踪来袭目标过程中，火控设备接收来自跟踪设备的目标跟踪数据，进行目标运动要素、未来点数据、弹丸飞行时间及高炮诸元的解算。火控设备在一个弹丸飞行时间后，通过比较当前目标现在点数据与之前计算未来点数据，计算出目标现在点与未来点偏差，并建模预测当前时刻的一个弹丸飞行时间之后的目标现在点与未来点偏差，进行修正未来点数据，利用修正后的未来点数据进行高炮射击诸元的解算。具体包括以下步骤：

步骤1、计算目标运动要素、未来点数据、弹丸飞行时间。

高炮武器系统跟踪设备实时跟踪来袭目标，火控设备实时接收跟踪设备发送的目标跟踪数据(目标距离、方位角、俯仰角等)，并进行目标运动要素解算获得当前时刻目标运动状态X(k)的估计值(k＝n△T,n≥1,n为整数，△T为系统运算周期，k为第n个系统运算周期的采样时刻)；根据目标运动状态外推预测目标未来点位置/>和弹丸飞行时间T_fk，具体为：

目标状态从k时刻外推到k+T_fk时刻的计算公式如下：

式中：表示/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；/>表示在k时刻，火控设备预测的在k+T_fk时刻目标的未来点位置/>在地理坐标系X、Y和Z方向分量；f_x(T_fk)，f_y(T_fk)，f_z(T_fk)表示经过一个弹丸飞行时间T_fk，目标在地理坐标系X、Y和Z方向的预测提前量。

步骤2、计算一个弹丸飞行时间后，目标现在点数据

在k时刻时，以k时刻为起始时刻，经过T_fk时间后，即在k+T_fk时刻，得到目标状态估计值为若k+T_fk恰是△T的整数倍，则可直接利用状态估计获得的/>反之，若k+T_fk并不是△T的整数倍，则说明k+T_fk处在两个相邻周期火控解算采样时刻之间，则需要利用插值获取k+T_fk时刻目标现在点数据：

式中：((n-1)△T<k+T_fk<n△T，n≥1，n为整数)；表示系统利用滤波获得的n△T时刻目标位置真值；/>表示系统利用滤波获得的(n-1)△T时刻目标位置真值。

步骤3、计算同一时刻对齐下，目标现在点与未来点的位置偏差。

k+T_fk时刻未来点位置偏差可以表示为：

式中：和/>为滤波数据/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；/>和/>为滤波外推偏差d(k+T_fk)在X、Y和Z方向的分量。

步骤4、在任意采样时刻k_n，利用d(k+T_fk)偏差，预测k_n+T_fkn时刻未来点位置偏差：

即：

式中：T_fk和T_fkn分别表示弹丸目标从现在点k和k_n时刻到达各自未来点所需要的时间；d(k+T_fk)表示目标在k+T_fk时刻滤波真值位置与预测位置之间的实际偏差。k+T_fk是小于或等于k_n的已计算出d(k+T_fk)的最大时刻。d_p(k_n+T_fkn)表示在k_n时刻目标弹丸在k+T_k和k₁+T_k1时刻滤波真值位置与预测位置之间的偏差。

步骤5、在k_n时刻，对k_n时刻对应的未来点进行修正。

利用偏差模型修正弹丸预测未来点的位置，在k_n时刻对计算出的未来点进行修正，修正后的预测未来点位置为/>即为：

其中，λ为范围在(0,1)之间的比例系数。

步骤6、在k_n时刻，将修正后的未来点数据实时代入火控设备进行诸元解算，即可实现武器系统的闭环控制。

下面结合具体试验对本发明做进一步详细的描述:

在某近程反导高炮武器系统射击试验中，目标速度约为300m/s临近飞行，高炮在捷前距离目标1800m处开始射击，分别为使用基于未来点修正的高炮诸元计算方法和采用常规方法计算高炮诸元，实弹射击试验结果见附图3、附图4。

附图3为使用基于未来点修正的高炮诸元计算方法实弹射击脱靶量数据。

附图4为采用常规方法计算高炮诸元实弹射击射击脱靶量数据。

由附图3、4可知，采用基于未来点修正的高炮诸元计算方法实弹射击，脱靶量测量装置测得的方位脱靶量和高低脱靶量都比较稳定，在射弹数约为125发时，目标被成功击毁，高低脱靶量在125发后逐步增大是因为目标被击毁后降落导致。未采用针对修正弹丸目标预测运动状态的闭环校射方法的射击试验中，雷达测得方位脱靶量逐渐放大，系统发散。可见采用针对修正弹丸目标预测运动状态的闭环校射方法能够明显地减小系统误差，提高高炮武器系统射击精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于未来点修正的高炮诸元计算方法，其特征在于，包括：

步骤1、计算目标运动要素、未来点数据、弹丸飞行时间：

高炮武器系统跟踪设备实时跟踪来袭目标，火控设备实时接收跟踪设备发送的目标跟踪数据，并进行目标运动要素解算获得当前时刻目标运动状态X(k)的估计值；根据目标运动状态外推预测目标未来点位置和弹丸飞行时间T_fk，具体为：

目标状态从k时刻外推到k+T_fk时刻的计算公式如下：

式中：表示/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；/>表示在k时刻，火控设备预测的在k+T_fk时刻目标的未来点位置/>在地理坐标系X、Y和Z方向分量；f_x(T_fk)，f_y(T_fk)，f_z(T_fk)表示经过一个弹丸飞行时间T_fk，目标在地理坐标系X、Y和Z方向的预测提前量；

步骤2、计算一个弹丸飞行时间后，目标现在点数据

步骤3、计算同一时刻对齐下，目标现在点与未来点的位置偏差：

k+T_fk时刻未来点位置偏差表示为：

d(k+T_fk)＝(△x_k+Tfk,△y_k+Tfk,△z_k+Tfk)^T

式中：和/>为滤波数据/>在地理坐标系X、Y和Z方向的分量；和/>为滤波外推偏差d(k+T_fk)在X、Y和Z方向的分量；

步骤4、在任意采样时刻k_n，利用d(k+T_fk)偏差，预测k_n+T_fkn时刻未来点位置偏差：

即：

式中：T_fk和T_fkn分别表示弹丸目标从现在点k和k_n时刻到达各自未来点所需要的时间；d(k+T_fk)表示目标在k+T_fk时刻滤波真值位置与预测位置之间的实际偏差；k+T_fk是小于或等于k_n的已计算出d(k+T_fk)的最大时刻；d_p(k_n+T_fkn)表示在k_n时刻目标弹丸在k+T_k和k₁+T_k1时刻滤波真值位置与预测位置之间的偏差；

步骤5、在k_n时刻，对k_n时刻对应的未来点进行修正；

利用偏差模型修正弹丸预测未来点的位置，在k_n时刻对计算出的未来点进行修正，修正后的预测未来点位置为/>即为：

其中，λ为范围在(0,1)之间的比例系数；

步骤6、在k_n时刻，将修正后的未来点数据实时代入火控设备进行诸元解算，即可实现武器系统的闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种基于未来点修正的高炮诸元计算方，其特征在于，所述步骤2的具体包括：

若k+T_fk不是△T的整数倍，利用插值获取k+T_fk时刻目标现在点数据：

式中：(n-1)△T<k+T_fk<n△T，n≥1，n为整数；表示系统利用滤波获得的n△T时刻目标位置真值；/>表示系统利用滤波获得的(n-1)△T时刻目标位置真值。