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收斂算法,巡航導彈的地形匹配算法是怎么回事?

2021-02-06  軍武數據庫

前幾天發過一篇文章《不同設備各顯其能,遠程導彈射程幾千公里是怎么捕捉目標的? 》,有粉絲說“不太正確!光靠匹配,那導彈豈不是要滿世界的去亂識別了!燃料都燒沒了”。當時W君答應這名粉絲要詳細寫寫導彈的地形匹配算法的。

收斂算法,巡航導彈的地形匹配算法是怎么回事?

地形輪廓匹配(TERCOM,Terrain Contour Matching)是目前用在很多巡航導彈和一部分中遠程彈道導彈上的導航技術。

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主要的用途是讓導彈可以借助于地形的變化而去尋找到目標,借此提高導彈的打擊精度。

這項技術發展與上世紀50年代,即便是到了類似于GPS、北斗、伽利略等衛星導航系統極其普遍的現在,地形輪廓匹配技術在導彈指導方面依舊有至關重要的作用。

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在很多軍迷的認知里一顆偵察衛星已經臨空到你的頭頂了,這個時候衛星似乎應該可以得到地面目標的準確位置。

但……很遺憾一顆衛星飛臨一個國家的領空后,如果不得到這個國家的授權,是很難確定地面目標的位置的。為此很多研究衛星的老航天工作者都在絞盡腦汁去做一件事——不經過對方的授權而取得地面位置的精確坐標。

是不是有點認知刷新呢?

衛星取得地面準確坐標是需要地面站來協助的,這些地面站如果用在航天術語里面叫做控制點。目前各個國家的控制點就只為自己的特定衛星開放,基本上對別國衛星都是保密的。

不通過控制點來測定地面目標的坐標就成了科技成果。

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這些都是可以獲得科技進步獎的科研項目。目前對地面單一目標的反復測量精度基本上都是百米上下,對于地面上無明顯參照物的方位測量精度誤差甚至可以達到幾公里。

讀到這里很多人會有疑惑,“為啥我的手機是可以定位到幾米甚至零點幾米的精度呢?”原因就是手機和導航衛星所構成的系統中,手機是一個導航系統的客戶端,作為服務端的衛星恰恰充當起了控制點的作用。

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而通過空間影像遙感的位置計算則是反過來的。

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地面上的點Pk僅僅可以根據衛星的軌道時序和視場的偏角來做幾何計算,這個計算的前提是——地面是平的,也就是說在Ok和PK的連線上沒有高程差距h。

動用一下大家的幾何思維h需要等于0的局限就很好理解了。問題是地球是圓的嗎?地面是平的嗎?

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地球重力場成像

上圖太空中漂浮的像土豆的物體恰恰就是地球的真實面貌,不僅是表面不平,而且內部的質地還十分不均勻,即便是放眼看上去的圓球由于重力場的變化在衛星成像中地球也并非一個規則的球體。

因此h=0也就成了天方夜譚。那么Pk在地球上的真實坐標也就成了衛星眼里的一個迷。

可以說100%的衛星對他國地面目標的定位都是瞎蒙的,“瞎蒙”的精度最高的是百米上下。在上世紀50年代TERCOM問世的時候對敵方目標的方位估計精度誤差甚至可以達到幾十公里。相信地圖總沒有錯吧?

在中華人民共和國國務院令第664號《地圖管理管理條例》第十三條是這樣寫的:

收斂算法,巡航導彈的地形匹配算法是怎么回事?

每個國家對自己對地圖其實都是嚴格管理的,這里面不僅僅包含著主權信息,也包含著很多絕密的軍事信息,不可能讓人在地攤上買一幅地圖就作為打擊自己的工具,所謂的保密技術處理,其實就是利用投影等差線的手段將重要的區域進行一下扭曲。雖然在地圖上我們依舊可以知道一條路前行5公里是“白房子”,但是這條路的方位和距離會有一些偏差,按照經緯度是很難找到這個“白房子”的具體位置的。你只有按照地圖在現實生活中漸漸地走才可以到達白房子但你如果按照地圖上的經緯度去砸地球以上的一個目標,你是100%砸不到白房子的。誤差甚至比比衛星掃描的誤差還要大很多,好在我們在地球上開車走路都是一個連續的可以修正的過程,不精準的地圖不會影響到我們的工作生活的便利性罷了。

說回TERCOM,從50年代地形輪廓匹配技術推出之后,TERCOM一直是最精確的遠程導彈制導方式之一。

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早期TERCOM系統圖

當年利用偵察機拍攝的紅外圖像對目標地區形成一張張特殊的黑白蒙板膠片,當導彈飛臨一個地區的時候導彈上的光電裝置同樣去拍攝地面輪廓信息的紅外圖像,在導彈內相互比對并且進行一系列的校準。

當年這種裝置由于膠片倉本身的容量是有限的,因此往往會安裝幾個關鍵的導航點的地理輪廓信息,當導彈利用慣性制導陀螺儀飛到導航點范圍內,這個系統才會開始工作。工作的目的就是為了給導彈的陀螺儀提供方位校準信息,以消除陀螺儀在長時間工作狀態下的積累誤差。

后來隨著電子技術的發展,導彈內計算機可以以數據形式存儲地理輪廓信息。

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這時候,結合著衛星遙感的高度信息,導彈可以在雷達測高儀器的幫助下取得自身經過路徑的起伏信息。

如果我們將用一條直線穿過地圖的等高線,這時候我們就可以以直線作為X軸地圖上標記的高度為Y軸取得一個圖標。這個圖標就是地理輪廓信息。

收斂算法,巡航導彈的地形匹配算法是怎么回事?

導彈在飛行的過程中只需要查詢自身路徑下面所經歷的地面起伏頻率是否和設置一致就可以得知自己的飛行方向是否正確。

但是這樣的設計是沒有糾錯能力的。這會讓導彈僅僅知道自己飛得對不對,但怎么改變路徑到對的軌跡上單純的地形輪廓匹配是無能為力的。

這里就得說到收斂算法了。

一般來說會在導彈飛行路徑的某幾個區域(矯正區域)多存儲一些地形輪廓信息。

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這些信息會在導彈的導航計算機內存儲一個包含XYH坐標的矩陣。當導彈探測到和需要航跡并不匹配的地理輪廓的時候,就會迅速的查詢這個矩陣,找到和當前航跡相同的地理輪廓,這時候導彈就會得知自己的偏移量到底有多大,于是導彈就會迅速的調整X軸線方向的位置。

收斂算法,巡航導彈的地形匹配算法是怎么回事?

導彈的航跡就會更靠左一些到更靠右一些,然后稍微再靠左一些,再稍微靠右一些……最終在飛出矯正區域之前就可以得到一個收斂得相對正確的航路。

開始粉絲的那句話“不太正確!光靠匹配,那導彈豈不是要滿世界的去亂識別了!燃料都燒沒了”其實就是沒有考慮到導彈在飛行過程中有這么幾個校準區域。所謂的地形匹配其實就是一個收斂到0的開放算法。

不知道W君這樣給大家講大家是不是就對地形匹配有更深的認識了呢?如果大家還想知道任何導彈和核武器的事情,就直接留言,只要是能講的,W君盡量給大家講清楚。

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