郭新勝，壽少峻，黨力，趙創(chuàng)社，韓偉

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭對以指揮工程為代表的重要軍事目標(biāo)的生存和保障能力提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求?？找u方多利用巡航導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈等精確制導(dǎo)武器進行精確、迅速的點打擊[1]。此類武器的攔截偏重于中遠程攔截、摧毀，但隨著軍事科技的快速發(fā)展，來襲導(dǎo)彈的快速突防能力得到大幅提升，使得防御有效時間變短，很難對來襲目標(biāo)實施完全攔截。

在超近程范圍內(nèi)，目前尚無有效的防御手段, 所以重點城鎮(zhèn)、軍事要地等關(guān)鍵地域的威脅就被凸現(xiàn)出來，對于要地的超近程防護也成為近年來國內(nèi)外各國大力發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文針對要地的超近程防護分布式火控系統(tǒng)進行了深入研究，著重研究分布式火控系統(tǒng)的原理、組成，及其結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，為超近程防護分布式火控系統(tǒng)的研制提供一些參考價值。

1 超近程防護分布式火控系統(tǒng)

要地的超近程防護系統(tǒng)主要是針對國家重要目標(biāo)的安全防護，包括政治經(jīng)濟中心、首腦機關(guān)、重要工程、軍事要地、工業(yè)基地、重要交通樞紐的防護。依據(jù)要地的防護特點，其主要由光電單元，雷達單元、若干火力單元組成，形成一個嚴(yán)密的超近程防護網(wǎng)，以確保要地的安全[2-3]。

目前國內(nèi)外在要地防空發(fā)展迅速[4-5]，例如美國“密集陣”近距防空武器系統(tǒng)的火炮為6管20 mm“加特林”火炮，每分鐘可射3 000發(fā)，探測跟蹤發(fā)射全部自動化，是目前世界上唯一能實行自動搜索、探測、評估、跟蹤和攻擊目標(biāo)的超近程防御武器系統(tǒng)。它采用搜索雷達、跟蹤雷達和火炮三位一體的結(jié)構(gòu)，其全部作戰(zhàn)均由高速計算機控制完成，不需人工操作，反應(yīng)速度極快，跟蹤距離為10 km。荷蘭、美國“守門員”7管30 mm近程防御武器系統(tǒng)， 發(fā)射率4 200發(fā)/min，射程3 000 m，該系統(tǒng)可以用來抗擊400～500 m內(nèi)低空(5 m高度)飛行反艦巡航導(dǎo)彈，也可攻擊來襲飛機。

超近程分布式火控系統(tǒng)由多個火力單元、光電單元、雷達單元、火控單元等構(gòu)成。它們分散布置在需要防護的要地四周，由火控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮控制，完成對要地的超近程防護，達到最佳防御效果。戰(zhàn)場布設(shè)如圖1所示[5]。

圖1 超近程分布式火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ultra-short-range distributed fire control system structure

其主要工作流程：首先雷達遠距離發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)，并引導(dǎo)光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤來襲目標(biāo)，建立來襲目標(biāo)的彈道航跡，由火控系統(tǒng)判斷目標(biāo)的威脅程度，預(yù)測來襲目標(biāo)的運動軌跡。再依據(jù)系統(tǒng)反應(yīng)時間、火力單元等因素，實時外推出最佳攔截點或者攔截區(qū)域，并計算出采用哪幾組火力單元組合發(fā)射攔截，能夠達到最佳攔截效果。超近程分布式火控結(jié)構(gòu)體系設(shè)計打破了傳統(tǒng)的雷達、光電傳感器與火控解算為一體高炮防空體系結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮各分系統(tǒng)的特點，提高超進程防御的信息利用率，極大地縮短了火力單元的反應(yīng)時間。采用新的火控機理，快速解算，使火控系統(tǒng)具有復(fù)雜背景條件下對付高速、低角、機動小型目標(biāo)的能力[6]。

分布式火控系統(tǒng)設(shè)計組成，如圖2所示。

圖2 超近程分布式火控系統(tǒng)組成Fig.2 Ultra-short-range distributed fire-control system

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

超近程防空分布式火控系統(tǒng)的任務(wù)是及時準(zhǔn)確地將攔截彈丸(戰(zhàn)斗部)發(fā)射到預(yù)毀傷的目標(biāo)區(qū)域或直接命中目標(biāo)。要完成這一任務(wù),需要先搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)，確定預(yù)攔截的目標(biāo)，連續(xù)跟蹤測量目標(biāo)運動參數(shù)，再依據(jù)測量的數(shù)據(jù)建立目標(biāo)的航跡，實時計算射擊諸元并控制火力系統(tǒng)瞄向預(yù)定攔截點，選擇不同的彈種，在最佳時刻發(fā)射，實現(xiàn)攔截，上述任務(wù)均由火控系統(tǒng)完成[7]。因此, 火控系統(tǒng)是武器系統(tǒng)的“大腦”,雷達、光電是武器系統(tǒng)的“眼睛”，是人眼觀察視野的拓展、作用距離的延長以及大腦思維判斷及運算能力在機器上的體現(xiàn),解脫了人對武器的繁重體能操作和瞄準(zhǔn)[8-11]。而要完成這些，首先要解決7個關(guān)鍵問題：

(1) 分布式火控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

由于本系統(tǒng)由多個火力單元組成，系統(tǒng)要實現(xiàn)對多個火力單元的調(diào)度和分配，必須通過快速網(wǎng)絡(luò)互連和管理，而且各種目標(biāo)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、武器數(shù)據(jù)等也需要通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫進行交互。對目標(biāo)進行威脅估計和排序，多個目標(biāo)還需完成目標(biāo)分配，然后對目標(biāo)參數(shù)進行濾波，判斷攻擊決策條件，在滿足攻擊決策條件時利用解命中問題的求解方法進行預(yù)定攔截點、攔截開火時間和火控諸元的計算，然后將火控諸元實時分發(fā)給武器系統(tǒng)進行隨動控制。在該系統(tǒng)中快速可靠的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足系統(tǒng)的要求。

(2) 分布式火控諸元的快速解算技術(shù)

本火控系統(tǒng)屬于超近程防護。從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)至目標(biāo)到達僅有3～5 s的時間，留給火控系統(tǒng)的反應(yīng)時間非常短。傳統(tǒng)的高炮火控解算對快速小目標(biāo)的攔截計算難以滿足系統(tǒng)的精度要求，必須探索新的火控原理和模型，實現(xiàn)從搜索捕獲、數(shù)據(jù)錄取、威脅判斷、目標(biāo)指示、火力組織、跟蹤解算到武器瞄準(zhǔn)等全過程的自動控制。處理過程需要根據(jù)光電分系統(tǒng)的輸入輸出信息，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、濾波、預(yù)測與誤差補償?shù)裙ぷ?，完成火控系統(tǒng)射擊諸元快速計算，并進行諸元實時傳遞。

(3) 全系統(tǒng)精度分析技術(shù)各項誤差分析

射擊精度的分析是對火控模型進行檢驗和驗證的必要步驟，通過射擊精度的分析不但可以判斷射擊結(jié)果是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，還可以確定影響系統(tǒng)精度的主要因素。通過對主要影響因素的修正實現(xiàn)對火控模型進行優(yōu)化。精度分析將在考慮不同傳感器會產(chǎn)生各種誤差源的條件下進行多次Monte Carlo仿真，計算出整個武器系統(tǒng)的平均瞄準(zhǔn)跟蹤精度、攻擊精度、平均作戰(zhàn)響應(yīng)時間、平均攔截精度。通過靈敏度分析方法可以確定各種因素對系統(tǒng)精度的影響程度和趨勢。

(4) 分布式火力單元組合效能分析

由于超近程防護系統(tǒng)含有多個火力單元，分散布設(shè)在要地的四周。在攔截來襲目標(biāo)時，針對不同位置的來襲目標(biāo)，采用那些火力單元進行組合發(fā)射攔截，采用一個火力單元或幾個火力單元，或全部火力單元發(fā)射攔截，如何組合能夠發(fā)揮火力單元的最佳費效比。通過建立模型進行仿真分析，將實驗所得數(shù)據(jù)，進行多次Monte Carlo模擬仿真，期望達到最佳的火力單元攔截組合，為設(shè)計提供依據(jù)。

(5) 火力單元發(fā)射時刻的計算

火力單元發(fā)射時間計算根據(jù)預(yù)定攔截點位置、目標(biāo)位置與速度、炮彈的速度與彈道軌跡等計算武器提前發(fā)射的時間?；鹆卧l(fā)射時刻計算的誤差實際上從側(cè)面反映的就是命中概率。火控系統(tǒng)通過光電系統(tǒng)獲取攔截目標(biāo)的參數(shù)，以及火力單元的參數(shù)，結(jié)合火控解算時間和數(shù)據(jù)傳輸時間等因素，進行綜合分析計算，再由外推的攔截點來反推出各個火力單元發(fā)射的不同時刻，如圖3所示。

圖3 分布式火控同一攔截點射擊示意圖Fig.3 Skectch of shooting for one coming point in distributed fire-control system

(6) 超近程防御武器火控原理模型與算法的研究

火控原理模型和算法根據(jù)系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程采用模塊化設(shè)計方法。其主要模型與算法模塊如下圖4所示。

圖4 火控原理與算法結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Fire control principle and algorithm diagram

威脅判斷與目標(biāo)分配模塊根據(jù)威脅判定規(guī)則評定來襲目標(biāo)的威脅等級[12],由此來完成對目標(biāo)作戰(zhàn)單元的分配。威脅評定方法主要根據(jù)目標(biāo)到達時間、相對距離、目標(biāo)數(shù)量與防護目標(biāo)的重要性4個方面進行加權(quán)評定；分配算法則根據(jù)航路捷徑與火力單元的武器數(shù)量綜合考慮。

攻擊決策模塊通過預(yù)置攔截點給火力單元提供攻擊決策，并判斷來襲目標(biāo)是否滿足攻擊條件，組織火力。

目標(biāo)參數(shù)濾波與航跡預(yù)測模塊對目標(biāo)運動參數(shù)進行濾波融合處理，同時對目標(biāo)未來軌跡進行預(yù)測。濾波與預(yù)測方法包括卡爾曼濾波、α-β-γ濾波、最小二乘估計方法等諸多方法[13]。

預(yù)置攔截點與火控諸元計算模塊根據(jù)預(yù)測的目標(biāo)運動參數(shù)(航向、速度等)、目標(biāo)飛行時間以及攔截器的運動計算攔截目標(biāo)的預(yù)置點，以及火力單元應(yīng)該轉(zhuǎn)動的俯仰角、方位角。預(yù)定攔截點的計算方法采用彈目相對運動方程求解的方法。諸元的計算則根據(jù)預(yù)定攔截點位置進行計算。

(7) 超近程防御武器火控系統(tǒng)諸元解算技術(shù)研究

火控諸元的計算主要是要求解彈頭與目標(biāo)相遇的問題，其實質(zhì)是確定武器與目標(biāo)運動在空間相遇點的位置并計算出武器未來點的高低方位角。預(yù)定攔截點的計算方法采用彈目相對運動方程求解的方法。諸元的計算則根據(jù)預(yù)定攔截點位置進行計算。由于該系統(tǒng)是由多個火力單元組成的分布式火控系統(tǒng)，在計算預(yù)先攔截點與火控諸元的過程中，坐標(biāo)系的選定和建立以及攔截武器彈道方程的建立是求解彈目相對運動的基礎(chǔ)。可以防御陣地中心為坐標(biāo)系原點建立空間直角坐標(biāo)系，x軸與目標(biāo)航路在水平面上的投影平行，正向與目標(biāo)航向相反；y軸與x軸垂直；z軸垂直于Oxy平面向上為正?？臻g直角坐標(biāo)系為慣性參考系，主要用于確定目標(biāo)彈的中心位置、空間姿態(tài)等。目標(biāo)彈坐標(biāo)系的原點O1為目標(biāo)彈的質(zhì)心位置，O1x1軸沿目標(biāo)彈的縱軸，指向下為正方向；O1z1軸位于過質(zhì)心點的鉛直縱向?qū)ΨQ面與橫向?qū)ΨQ面的交線，指向上為正；O1y1按右手法則確定，目標(biāo)彈坐標(biāo)系為動坐標(biāo)系。其攔截坐標(biāo)關(guān)系如圖5所示(其中Mq為預(yù)定攔點)。

3 目標(biāo)航跡外推仿真分析

通過上述關(guān)鍵技術(shù)的梳理，在以光電為基礎(chǔ)的分布式火控系統(tǒng)中，結(jié)合系統(tǒng)的各項誤差，光電的測距精度、位置精度、火力單元的隨動精度和散布精度等因素，通過卡爾曼、最小二乘估計、線性最小二乘法等方法，對目標(biāo)航跡進行簡要的仿真，得到目標(biāo)的外推航跡及誤差，如圖6所示。

圖5 攔截坐標(biāo)關(guān)系圖Fig.5 Intercept coordinate relations figure

圖6 目標(biāo)航跡外推仿真Fig.6 Object trajectory prediction simulation

仿真模擬勻加速直線運動，以初速度以1 240 m/s的速度來襲，其中加速度為124 m/s2,在8 000 m處開始跟蹤測量，對測量疊加噪聲。跟蹤8.5 s后，外推1.5 s。分別以不同的濾波算法外推仿真，得到結(jié)果如圖6所示，仿真均以x向為例，其中右圖為局部放大。

由圖6可以看出，隨著外推時間越長其產(chǎn)生的誤差就越大，而且外推攔截點的精度決定了攔截的精度和毀傷效果，這是非常重要的。從仿真的結(jié)果來看，采用線性最小二乘法外推誤差為35.82 m，采用最小二乘法外推誤差為103.15 m，采用卡爾曼濾波外推的效果較好，誤差僅為5.15 m。

4 結(jié)束語

隨著戰(zhàn)爭形式由平臺中心戰(zhàn)向信息戰(zhàn)的轉(zhuǎn)變,超近程防空的技術(shù)需求和重要性越來越明顯。不同于傳統(tǒng)的火控系統(tǒng),要地的超近程防空分布式火控系統(tǒng)具有許多新的特點,因此在原有理論與方法的基礎(chǔ)上,需要提出新的研究思路和分析方法。本文針對超近程防空火控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)健技術(shù)問題進行了研究探討和仿真,為超近程防空分布式火控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了一些新的思路。相信隨著理論與實踐的不斷結(jié)合,該項研究將更加深入。

本文初步探討了超近程防護系統(tǒng)的綜合設(shè)計技術(shù),給出了系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能,提出了系統(tǒng)綜合設(shè)計的主要研究內(nèi)容,并分析了系統(tǒng)綜合設(shè)計的幾項關(guān)鍵技術(shù)，對于采用各種濾波算法來提高目標(biāo)航跡外推的準(zhǔn)確性，還需要再進一步深入研究。

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