夏家偉,張亞倫,嚴 平

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

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一種改進的炮射駕束制導(dǎo)炮彈導(dǎo)引方法

夏家偉,張亞倫,嚴 平

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

以意大利奧托76mm艦炮對空駕束制導(dǎo)炮彈為背景,為提高炮射制導(dǎo)彈在有限機動能力下攔截反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能,針對多發(fā)制導(dǎo)炮彈同時制導(dǎo)存在過載受限的問題,在原有的作戰(zhàn)流程基礎(chǔ)上,提出了一種改進的動態(tài)前置導(dǎo)引方法。該方法通過計算制導(dǎo)炮彈在給定最大過載條件下運動范圍,解算照射器指向參數(shù),實現(xiàn)對制導(dǎo)炮彈過載控制。建立了制導(dǎo)炮彈攔截三種末端機動樣式的反艦導(dǎo)彈仿真模型,仿真結(jié)果表明,在考慮傳感器跟蹤誤差的情況下,該方法能有效改進制導(dǎo)炮彈過載負荷。

駕束制導(dǎo)；制導(dǎo)炮彈；過載控制；動態(tài)前置導(dǎo)引；仿真

制導(dǎo)炮彈是利用制導(dǎo)技術(shù),使艦炮炮彈在彈道的末段自動探測、跟蹤目標,修正彈道,并準確命中目標的炮彈[1]。制導(dǎo)炮彈的出現(xiàn)使得艦炮武器發(fā)生了革命性變化,極大地提高了艦炮的毀傷概率,擴大了艦炮的打擊范圍[2]。特別是與導(dǎo)彈攻擊方式相比,艦炮制導(dǎo)炮彈具有攜彈量大、使用靈活、價格低廉等特點[3],在作戰(zhàn)中具有近程防空的作用。

20世紀90年代中期,奧托公司研制出76mm對空駕束制導(dǎo)炮彈[4],采用無線電射頻駕束制導(dǎo)系統(tǒng),能夠攔截5km內(nèi)的亞聲速乃至超聲速反艦導(dǎo)彈。該種駕束制導(dǎo)炮彈通過制導(dǎo)波束對飛行中的彈丸進行引導(dǎo)修正[5],實現(xiàn)有效的導(dǎo)彈攔截與末端防御。為了進一步提高駕束制導(dǎo)的精確性和有效性,需針對駕束制導(dǎo)的導(dǎo)引方法進行改進,從而切實提高制導(dǎo)炮彈的命中精度和毀傷概率。

1 制導(dǎo)炮彈導(dǎo)引技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前防空制導(dǎo)炮彈作戰(zhàn)流程一般如下:艦艇傳感器探測來襲目標,火控系統(tǒng)解算確定艦炮對空射擊諸元,逐發(fā)射擊數(shù)發(fā)炮彈。炮彈發(fā)射后到達起控點時,彈上信號接收機和控制系統(tǒng)具備穩(wěn)定工作條件。待所有彈丸進入駕束制導(dǎo)波束后,通過持續(xù)控制照射器波束對準目標當前濾波位置,利用“三點導(dǎo)引法”將彈丸導(dǎo)向目標。

針對制導(dǎo)炮彈的導(dǎo)引方法,研究者們對不同的控制階段進行了相關(guān)的研究:文獻[6-7]對彈丸的導(dǎo)入段過程進行了仿真;文獻[8-9]對“三點導(dǎo)引法”的控制策略進行了研究和仿真;文獻[10]從理論推導(dǎo)層面提出了一種基于部分前置點的駕束導(dǎo)引方法。

其中,文獻[10]提出的部分前置導(dǎo)引方法在一定程度上解決了同批次制導(dǎo)炮彈進入制導(dǎo)波束后與照射器后續(xù)跟蹤制導(dǎo)銜接的問題,但依然存在兩點有待完善:1)由火控系統(tǒng)計算生成的部分前置點和目標在該時刻下真實位置存在偏差,導(dǎo)致制導(dǎo)炮彈在起控瞬間沒有嚴格對準目標,需要進行機動修正其運動方位，這一過程中可能引起炮彈過載負荷超過其最大機動能力;2)部分前置導(dǎo)引方法針對駕束制導(dǎo)炮彈運動初期的制導(dǎo)過程進行了優(yōu)化,但沒有充分解決炮彈運動后期由于“三點導(dǎo)引法”造成的過載問題。為了解決上述兩點不足,本文在部分前置導(dǎo)引方法的基礎(chǔ)上提出了新的改進過載導(dǎo)引方法,保證炮彈在整個導(dǎo)引過程中過載不超過由彈丸本身性能決定的最大偏轉(zhuǎn)角度,從而進一步提高導(dǎo)引方法的性能。

2 改進的過載控制導(dǎo)引方法

2.1 部分前置制導(dǎo)諸元解算及射擊階段

部分前置導(dǎo)引法采用的策略如下:在n發(fā)炮彈射擊階段,所有彈丸和照射器都位于同一空間直線上,且當?shù)趎發(fā)炮彈發(fā)射后的起控瞬間,照射器、彈丸、目標恰好共線。如圖1所示。

圖1 炮射駕束制導(dǎo)部分前置導(dǎo)引控制示意圖

以照射器所在位置點為原點O,照射器與目標的連線在海平面上的投影方向為X軸,天頂方向為Z軸,建立符合右手定則的空間直角坐標系。

設(shè)彈丸射擊的時間間隔為Δt,彈丸出膛到起控的時間間隔為t0。目標勻速直線運動的狀態(tài)下,目標運動至部分前置點的時間tn為

tn=(n-1)Δt+t0

第i發(fā)炮彈起控時刻ti時,其位置矢量為

Xi(ti,γ,φ)=(xi,yi,zi)T,(i=1,2,…n)。

其中,ti=(i-1)Δt+t0,γ和φ分別為方向角和俯仰角。我艦(照射器)的空間位置矢量為

XA(ti)=(xAi,yAi,zAi)T,(i=1,2,…n)。

部分前置點的空間位置矢量為

XT(tn)=(xT,yT,zT)T。

n發(fā)彈丸發(fā)射過程中,照射器始終照射在部分前置點位置,且調(diào)整方向角γ和俯仰角φ,能夠使我艦、彈丸、目標在空間上處于同一直線上,因此有

通過迭代求取不同時刻的γ,φ即可控制彈丸運動。當?shù)^程中,發(fā)射炮彈數(shù)i≤n,則繼續(xù)射擊過程;i=n時,停止射擊過程。當n顆彈丸全部打出且第n顆彈丸經(jīng)過t0時間起控時,第一階段結(jié)束,進入第二階段。

2.2 誤差修正機動階段

由于照射器存在觀測誤差,且目標可能進行機動,因此當?shù)谝浑A段結(jié)束時,目標實際位置與理論推導(dǎo)得到的部分前置點XT(tn)存在差距。當最后一發(fā)炮彈進入起控點,需控制照射波束指向目標實際位置,從而引導(dǎo)駕束中的彈丸改變飛行方向,使得照射器、彈丸以及目標重新回到一條直線上。該階段即為誤差修正階段。

當照射波束引導(dǎo)彈丸改變飛行方向時,若目標當前位置與理論推導(dǎo)值相差較大,導(dǎo)致照射波束方向改變過快,彈丸此時需要以較大加速度跟進。由于彈丸本身性能所限,加速度過載存在上限。當加速度超過上限,彈體失控。令amax是彈丸加速度上限,a是彈丸的加速度。由a=v·w,彈丸在Δt時間內(nèi)允許轉(zhuǎn)過角度上限Δαmax=amaxΔt/v(v,w分別為彈丸速度,角速度)。

當所有彈丸進入起控點后,制導(dǎo)波束需要引導(dǎo)彈丸機動。在火控系統(tǒng)響應(yīng)周期內(nèi),彈丸能夠進行空間機動的范圍邊界是以當前時刻彈丸位置為頂點、以最大偏轉(zhuǎn)角度進行機動在空中形成的軌跡線為母線形成的類似圓錐狀的“喇叭形曲面”Σ。假想的彈丸軌跡線末端點集合形成的拱形面即為制導(dǎo)炮彈的運動范圍Ω。

設(shè)火控系統(tǒng)的響應(yīng)周期為Δt,照射器位置點為O,彈丸當前位置點為S,Δt時間后運動至S′點，則曲線SS′的長度|SS′|=v·Δt,彈丸在曲線上任意一點的角度變化率為w=amax/v。曲面Σ由曲線SS′以彈丸在點S速度方向為軸旋轉(zhuǎn)一周得到，如圖2所示。

圖2 制導(dǎo)炮彈運動范圍示意圖

以火控系統(tǒng)下一響應(yīng)周期開始時刻目標的濾波位置點M′和O、S三點為頂點連成一空間三角形ΔM′OS。ΔM′OS所在平面與運動范圍Ω的交點中距離直線M′S最近的點設(shè)為SN,則照射器在下一系統(tǒng)響應(yīng)周期內(nèi)的照射點位置即為SN點。整個控制流程如圖3所示。

圖3 部分前置點誤差修正階段控制流程

重復(fù)上述的過程,直到照射器、彈丸以及目標重新回到一條直線上,第二階段結(jié)束,第三階段開始。

2.3 動態(tài)前置點引導(dǎo)機動階段

傳統(tǒng)的導(dǎo)引法在此階段開始時將照射波束持續(xù)對準目標當前點位置,而后所有彈丸通過“三點導(dǎo)引法”瞄準和擊中目標,如圖1所示。工程實踐中,三點法具有較好的可操作性,但是會造成制導(dǎo)炮彈的導(dǎo)引過程中過載過大。因此,該階段對傳統(tǒng)的三點導(dǎo)引法進行了改進,在每一火控系統(tǒng)響應(yīng)周期開始時刻計算距離目標最近的彈丸所對應(yīng)的目標的前置點位置,動態(tài)調(diào)整照射波束的指向位置,保證彈丸在其運動范圍Ω內(nèi)以不超過最大偏轉(zhuǎn)角度的加速度過載進行機動,直到照射器、彈丸和距離目標最近的彈丸的目標的前置點共線。隨后照射器對彈丸的引導(dǎo)控制循環(huán)此過程直到毀傷目標。上述過程即為動態(tài)前置點引導(dǎo)射擊階段。

由于彈丸距離照射器越遠(距離目標越近),其轉(zhuǎn)彎軌跡的曲率半徑越大,故而加速度越大。因此只要保證距離目標最近的彈丸加速度過載小于amax,較近處彈丸的過載必然不會超過上限。

綜上,改進后的動態(tài)前置點引導(dǎo)階段控制流程為:在保證彈丸過載不超過加速度上限amax的情況下,動態(tài)調(diào)整照射波束的指向點,直到第i發(fā)彈丸對準目標的前置點,穩(wěn)定飛行方向后繼而擊中目標。若目標毀傷,則停止導(dǎo)引,剩余炮彈啟動自毀程序;反之,若目標未毀傷,則照射波束再次動態(tài)調(diào)整至推算得到的目標前置點上,第i+1發(fā)炮彈以相同方法機動。重復(fù)上述過程,直到目標毀傷或彈丸耗盡。整個控制流程如圖4所示。

圖4 前置點引導(dǎo)射擊階段控制流程圖

3 仿真分析

3.1 對抗環(huán)境仿真

為了精確進行彈丸運動仿真,需要充分考慮戰(zhàn)場中反艦導(dǎo)彈和制導(dǎo)炮彈的對抗過程。仿真過程中分別選用三種末端機動方式的反艦導(dǎo)彈作為火力打擊目標,三種機動方式分別為:大角度俯沖攻擊樣式、二次降高攻擊樣式、躍升俯沖攻擊樣式。其攻擊樣式示意圖及彈道參數(shù)如表1所示。

表1 反艦導(dǎo)彈末端機動方式

仿真過程中選取的觀測誤差設(shè)為服從高斯白噪聲的距離、方位角、俯仰角誤差。并設(shè)想追蹤目標運動軌跡的過程中采用卡爾曼濾波[11],仿真參數(shù)[12]選取如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)論

首先,對文獻[10]提出的部分前置點法進行仿真。通過Matlab進行仿真,得到三種情況下制導(dǎo)炮彈過載隨時間變化的圖像。得到的仿真結(jié)果圖像如圖5(a)所示。

實驗結(jié)果表明:使用部分前置點法的過程中,當炮彈3進入起控點后所有炮彈進行方向機動時,三發(fā)炮彈的過載迅速上升,炮彈1和炮彈2的加速度過載超過上限。在隨后“三點法”導(dǎo)引的過程中,三發(fā)炮彈的加速度均存在波動上升的趨勢。其中,對躍升俯沖攻擊樣式的導(dǎo)彈進行機動時,三發(fā)炮彈的過載在“三點導(dǎo)引”的后期均出現(xiàn)超過上限的情況。

使用相同的參數(shù)對本文提出的動態(tài)前置點方法進行仿真,得到的仿真結(jié)果圖像如圖5(b)所示。實驗結(jié)果表明:使用動態(tài)前置點法的過程中,當炮彈3進入起控點后所有炮彈進行方向機動時,彈丸的過載均被控制在上限數(shù)值以下,且持續(xù)了約0.5s的時間后過載明顯下降。其原因為:將照射波束移向動態(tài)前置點的過程中炮彈以最大能力機動,因此炮彈需要時間調(diào)整其運動方向與姿態(tài)。另外,炮彈2和炮彈3的過載均在過載上限值以下,且全過程的加速度過載變化趨勢與炮彈1相同。

圖5 制導(dǎo)炮彈過載隨時間變化的仿真圖像

4 結(jié)束語

本文以炮射駕束制導(dǎo)彈部分前置導(dǎo)引方法為基礎(chǔ),在充分考慮戰(zhàn)場實際噪聲干擾的背景下,提出了基于過載控制的動態(tài)前置導(dǎo)引方法。該方法對于起控后炮彈的飛行修正過程以及火力跟蹤打擊過程進行了改進,在保證炮彈過載滿足性能約束的條件下,對炮彈的機動過程進行了有效的導(dǎo)引控制。仿真結(jié)果顯示,該方法對炮彈過載的改善效果顯著,為艦載炮射制導(dǎo)彈的后續(xù)研究提供了理論依據(jù)。

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An Improved Guidance Control Method for Gun LaunchedProjectiles Based on Beam Rider Guidance

XIA Jia-wei, ZHANG Ya-lun, YAN Ping

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

According to the precision guided ammunition by a radio frequency beam rider for OTO 76mm gun developed by Oto Melara, an improved dynamic guidance control method based on original combat operation are introduced to limit overload for multiple guided projectiles. By calculating the range of maneuver of the guided projectiles under the condition of the given maximum overload, the method calculates the direction parameters of the transmitter, and realize the overload control of the guided projectile. A simulation model is established to simulate the process of three kinds of Terminal-Maneuvering anti-ship missile tracked by guided projectiles. Considering the tracking error of sensors, the results show that new proposed guidance control method ameliorate overload of projectiles effectively.

beam rider; guided projectile; overload control; dynamic lead-angle guidance; simulation

2017-03-20

夏家偉(1994-),男,湖北武漢人,碩士研究生,研究方向為艦艇指控。 張亞倫(1994-),男,碩士研究生。 嚴 平(1972-),男,博士,副教授。

1673-3819(2017)03-0126-04

TJ765.3；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.027

修回日期： 2017-04-06