宇航学报
JOURNAL OF ASTRONAUTICS 
1999年　第20卷　第4期　vol20　No.4　1999




图像制导导弹的先期导引与
搜索规律研究
林海
　　摘　要　只有当目标位于图像导引头的瞬时视场之中时，才有可能识别并捕获目标，但由于图像导引头通常只有较小的瞬时视场，这并不容易做到。为增大目标捕获概率，本文提出了一种具有一维视觉效果、搜索范围较大的搜索规律，以及一种测量参数少、所需设备简单、隐蔽性好的先期导引方法。
　　主题词　图像制导　先期导引　导引头
THE SEARCHING GUIDANCE AND SEARCHING 
PROGRAM OF IMAGE GUIDED MISSILE
Lin Hai
(Beijing Institute of Technology . Beijing . 100081)
　　Abstract　Only when located in the fixed viewing field of image seeker can target be identified and acquired.But it is difficult for image seeker since its fixed viewing field is usually small.To increase target acquisition probability,a searching program with one dimensional visual effect and large searching field and a method of searching guidance,which measures only few parameters,needs simple equipment and has good concealing property,are put forward.
　　Key words　Image guidance Searching guidance Seeker
1　引言
　　图像制导包括电视图像和红外成像制导。它是由弹上的导引头截获目标图像，并将其传输至地面，射手可以通过监示器看到目标图像。地面或弹上的计算机能自动提取目标图像的形心，并计算出偏差。射手只要通过手柄将监示器上的十字线压住目标图像的形心，即可使导弹命中目标。
　　目标捕获是命中目标的前提，而目标识别则是目标捕获的前提。对图像导引头，目标识别需要同时满足两个条件：一是弹目距离小于导引头的识别距离，二是目标位于导引头瞬时视场之中。当弹目距离逐渐拉近时，条件一通常都能得到满足。但图像导引头的瞬时视场较小，因此条件二不易满足。虽然，通过搜索可以获得较大的搜索视场，但由于射手的反应速度有限，搜索速度不能太高，因而搜索区域(搜索视场与地面相交所形成的区域)也不会很大。若搜索区域仍不能覆盖目标，则需要通过先期导引，将导引头光轴引导到弹目线附近，再配以适当的搜索规律，以提高捕获目标的概率。
　　先期导引不同于一般意义上的中制导(Middle Course Guidance)，其实质是根据弹目信息，使导引头光轴尽可能地指向目标，以利于进一步的搜索和捕获，因此先期导引又可称为搜索导引。
　　捕获目标之前，光轴处于电锁或搜索状态。若光轴处在电锁状态，则光轴与弹轴之间将保持一个相对固定的夹角。此时光轴在空间的位置主要取决于弹轴的位置，即导弹的姿态角，因此导引头的瞬时视场将随导弹的姿态而变化。进入搜索状态时，光轴在搜索信号的作用下往复运动。
2　先期导引的必要性
2.1　弹目交汇
　　考虑到射手的反应速度，搜索速度不可能太快，因此搜索视场也不可能太宽。假定搜索视场为±5°，按识别距离3000m计算，搜索区域最宽约为±260m。若目标偏离搜索视场中心线超过±260m，就不能捕获目标。根据仿真计算，各种干扰和目标机动引起的弹目交汇误差很容易达到±1000m的水平，大大超过搜索区域的最大宽度。此外，弹道方案也对弹目交汇有重要影响。若采用曲射弹道，弹道的形状和终点主要取决于发射参数和重力补偿方案。但目标机动和干扰会导致纵、侧向同时出现交汇误差。若采用平飞弹道，由于导引头的搜索区域可以随着导弹飞行水平推进，只要侧向偏差在允许的范围内，不论目标纵向如何机动，迟早都会进入导引头的搜索区域。
2.2　弹道修正
　　为减小目标机动等因素引起的弹目侧向偏差，在捕获目标之前，可以利用地面探测设备获取的弹目信息，用三点法对导弹的飞行弹道进行修正［3，4］。但即使如此，也不一定能使目标进入导引头的瞬时视场和搜索视场。
　　假定对目标和导弹的测量设备位于同一地点。导弹作水平等高飞行，通过对导弹的质心控制，使目标、导弹和测量点保持三点共(铅垂)面。在水平面内，ηT、η分别为目标和导弹的速度矢量前置角，RT、R为目标和导弹距测量点O的距离。VT、V为目标和导弹的速度，如图1，按三点法导引规律有：
　　　　　　　　　　　　　　　(1)

图1　弹目几何关系
　　当导弹距目标较远时，R/RT较小，这时η也较小。当弹目距离逐渐接近时，若其它条件不变，η将逐渐增大。目标的前置角ηT对η的影响也较大，当ηT=90°时，η达到最大。若要减小导弹速度矢量前置角η，只能靠增大导弹与目标的速度比。当目标为坦克时，尚可维持较高的速度比。对直升机目标，速度比至少要下降3～4倍。因此对高速飞行的直升机目标进行侧攻时，η会达到较大的取值。
　　如果导引头的光轴在电锁信号的作用下与弹体纵轴在偏航方向保持一致，考虑到导弹的侧滑角β，先期导引成功的必要条件可以归结为：
|η+β|≤α　　　　　　　　　　　　　　　(2)
式中α为导引头的半个瞬时视场或搜索视场。
　　假定导引头有效识别距离为1500～2000m，目标距离为5～10km，则R/RT的取值范围为0.6～0.85，设导弹与目标的速度比为4～8。计算结果表明：仅η的最大值即达到±12.27°，远远超过导引头搜索视场，这说明即使目标和导弹之间不出现位置上的侧向偏差，仍不能满足条件二。
　　除三点法之外，常见的还有前置量法或半前置量法，但其实质都是进一步增大了导弹速度矢量的前置角，因而更无法满足条件二。
　　以上分析表明，在没有先期导引的条件下，即使考虑到导引头的搜索视场，也难以保证正常的弹目交汇，更谈不上识别和捕获目标了。而企图通过一般的导引方法，只对导弹的飞行弹道进行修正，而不对导引头光轴进行适当的引导，仍不能保证捕获目标。
3　先期导引
　　为驱动导引头光轴指向目标，需要知道光轴与弹目线之间的夹角，并由此产生陀螺进动信号，使光轴偏转，直到光轴与弹目线基本重合。为减小弹目交汇误差，改善未制导段的初始条件，在对导引头光轴进行引导的同时，对导弹质心也要进行适当控制。为此，俯仰方向采用高平飞弹道，并使光轴固定在某一个角度，如图2。当弹目距离逐渐拉近时，目标迟早会穿越导引头的瞬时视场。在偏航方向，利用导引关系εM=εT对导弹质心进行控制，使目标、导弹和发射点在俯仰方向三点共面。

图2　高平飞弹道
　　图3中AX为地面坐标系之X轴，设发射时导弹的偏航角为0，且姿态陀螺有开锁误差g0。当导弹飞至M1处时，若无陀螺漂移等引起的误差，陀螺轴将平移至Xg1处；若有，则可能离开Xg1，转到Xg2处，设两者之间的夹角为d。此时，陀螺轴与弹轴之间的夹角为g。而光轴与瞄准线之间的角为：
qT=g+(0-g0)+d-ξφ-εT　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

图3　目标、导弹和测量点之间的关系
　　将qT作为导引头光轴的进动信号，即可驱动光轴向瞄准线转动，如图4。当不考虑陀螺漂移引起的误差时，若Ux=0,则qT→0，光轴→瞄准线。在εM=εT的前提下，瞄准线AT就是弹目线M1T，因此光轴将指向目标。若Ux为搜索信号，则光轴以伪瞄准线为中心进行搜索。当考虑陀螺漂移时，若Ux=0，光轴与弹目线之间将存在一个大小为d的稳态误差角。只要适当控制陀螺的漂移量，使d小于导引头的瞬时视场，仍能满足目标识别所需的第二个条件。因此，识别和捕获概率可大大提高。

图4　光轴驱动结构图
　　此外，这种方法不需要对导弹和目标测距，可以全部采用被动测量设备，保证了系统的隐蔽性。所需要的测量仪器、设备简单轻便，大大降低了武器系统的造价。
4　对地搜索的特点
　　当受条件限制不能进行先期导引时，导引头具有自主搜索能力是完全必要的。若目标为坦克或贴地飞行的武装直升机，搜索往往是居高临下进行的，这和搜索空中目标有很大的不同。主要表现在视觉问题和搜索盲区两方面。
4.1　视觉问题
　　视觉问题主要由图像的移动和变形以及背景的复杂性造成。当导引头的光轴作搜索运动时，监视器上的图像会因光轴的运动而移动。当导弹和目标之间的几何关系发生变化(主要由导弹和目标的运动速度引起)时，目标图像也会在屏幕上移动。为获得更宽的搜索范围，必须提高搜索速度。这样，目标图像的移动速度更快，目标在屏幕上出现的时间很短，射手必须在有限的时间内识别目标并完成捕获。
　　当导引头高低角度变化时，会引起视场重心距导引头的距离变化，图像会产生不均匀拉伸和压缩的现象。即使导引头在空间的角度保持不变，当弹目距离由远变近时，位于监视器中心附近的图像会越来越大，而靠近监视器画面四周的图像就会呈放射状地远离中心并跑出画面。
　　由于地形地物绵延起伏、复杂多变、形态各异、色调明暗不一，地面战场上常有火花、烟雾和尘土，加上目标的迷彩伪装，目标背景十分复杂，大大增加了搜索和识别的难度。
4.2　搜索盲区
　　由于地面对瞬时视场的切割，加上导弹的飞行速度，尽管导引头光轴在空间位置上形成了封闭连续的搜索现场，地面的搜索区域却并不一定连续。例如，当采用“一字形”搜索方案时，由于飞行速度的影响，实际的搜索区域呈“Z”字型向前延伸，出现搜索盲区，如图5所示。导弹速度越大，搜索幅度越宽，盲区就越大。

图5　一字形搜索方案的地面视场
　　由于搜索规律与导弹的飞行速度、典型弹道、弹目几何关系的变化规律以及导引头自身的特点和参数等密切相关，要设计出合理的搜索规律必须对上述因素进行综合分析。
5　一维视觉效果搜索规律
　　一维视觉效果是指通过合理的搜索规律设计，使射手观察到的屏幕图像只作水平移动而没有纵向移动。能获得这种一维视觉效果的搜索规律称为一维视觉效果搜索规律。
　　图6所示为平飞段导引头的搜索示意图。设导弹速度为V，导弹平飞高度为H，导引头识别距离为D，瞬时视场为±α，光轴与基准线夹角为q，与地面交点(视场重心)为O0。显然，为获得最大的地面视场，导引头光轴的起始位置应为：
　　　　　　　　　　　　　　(4)

图6　导弹飞行时视场的移动
　　假定导引头偏航方向作匀速的往返搜索，周期为T(往返一次)。根据一维视觉效果搜索规律的要求，在时间T/2内，视场重心O0不应随导弹的飞行而改变，因此俯仰方向的搜索速度应为：
=Vsinq/R=Vsin2q/H　　　　　　　　　　　　　　(5)
　　随着光轴由q0逐渐增加到q1，视场纵深将逐渐由XS0减小到XS1，当Δt=T/2时，导弹往前飞行了VT/2米。然后，光轴在俯仰方向迅速跳跃回到q0，进入偏航方向搜索的下半个周期。无盲区的必要条件是跳跃前后视场重心之间距等于或小于光轴位于(q1-α)或(q0+α)时的视场纵深。除此之外，还应使该距离等于VT/2。因q越大，视场纵深越小。为了使搜索区域有一定的重叠，可将无盲区的条件变为：
　　　　　　　　　　　　　　(6)
　　这样，对于给定的导引头和以上诸参数，只要能求出导引头的偏航搜索周期T，即可求出q1。于是俯仰方向的搜索规律即可描述成：在时间t0～t0+T/2内，光轴由q0起按式(5)给出的速度搜索至q1，然后在阶跃信号的作用下跳回q0。由此求解出的搜索规律可以保证无设计盲区、良好的一维视觉效果和最大的地面视场。由图6，有：
　　　　　　　　　　(7)
当(q1±α)较小时，tg(q1±α)≈(q1±α)。考虑到瞬时视场通常很小，略去α的二阶小量，整理后得：
X0q21-Hq1-2Hα=0　　　　　　　　　　　　　(8)
其中q1、α均以弧度为单位。而
　　　　　　　　　　　　　(9)
由式(8)即可解得q1，进而求得搜索周期T，然后解出一维视觉效果的搜索规律。此处q1只能取正值，故有唯一解：
　　　　　　　　　　(10)
当足够小时，可进一步表示为：
　　　　　　　　　　　(11)
而任一时刻t导引头光轴的位置为：
　　　　　　　　　　(12)
　　以上公式当q＜15°时有很好的精度。求出搜索周期T后，再根据射手捕获目标所需要的时间Tg，即可算出偏航方向的搜索范围。
　　设飞行高度H=300m，α=±1.5°，Tg=1s，D=3000m，V=250m/s，由上述公式求得：q0=7.23°，q1=9.51°，T=4.68s，偏航方向搜索范围为±3.51°，所获得的地面视场见图7。由图中可以看出，在设计的搜索区域中，没有盲区出现。

图7　一维视觉效果搜索规律的地面视场
　　由于一维视觉效果搜索规律减小了图像的纵向移动速度，射手对图像的分析、判断较为准确，有助于提高对目标的捕获概率。此外，由于识别和捕获的难度降低，捕获所需要的时间可以缩短，搜索速度可以适当提高，既增大了搜索区域而又不致于出现盲区，从而提高了目标捕获概率。
作者单位：北京理工大学 . 北京 . 100081
参考文献
1　邓仁亮.光学制导技术.北京：国防工业出版社，1992
2　John W Roach,Aggarwal J K.Determining the Movement of Objects from a Sequence of Image.IEEE PAM1-2,No.6.1980
3　Leslaw Paradavski.Position Determination from Modern Radar Systems-new Theoretical Results and Their Practical Aspects.IEEE International Radar Conference.1995,USA
4　Sacks J M,Coleman G B.Target Acquisition System and Method.USP 4,739,401.1988.4
收稿日期:1999年1月4日
修回日期:1999年4月13日
