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        反導(dǎo)火力單元空間殺傷區(qū)內(nèi)攔截概率研究

        2018-02-05 02:07:56,,,
        關(guān)鍵詞:發(fā)射點(diǎn)反導(dǎo)制導(dǎo)

        ,, ,

        (1.解放軍裝備學(xué)院 研究生三隊(duì),北京 101416; 2.解放軍裝備學(xué)院 航天指揮系,北京 101416 )

        0 引言

        彈道導(dǎo)彈的飛速發(fā)展,使得未來(lái)的空天安全面臨著極大挑戰(zhàn)。反導(dǎo)作戰(zhàn)成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要形式之一,中段反導(dǎo)具有攔截次數(shù)多、實(shí)施攔截早、附帶傷害少等特點(diǎn)[1],所以中段反導(dǎo)作戰(zhàn)在導(dǎo)彈防御中有著至關(guān)重要的作用。反導(dǎo)火力單元的部署問(wèn)題是進(jìn)行反導(dǎo)作戰(zhàn)的前提,對(duì)于火力單元部署問(wèn)題就是使得以最少的部署成本獲得盡可能高的攔截概率,所以火力單元在空間中殺傷區(qū)內(nèi)任意理論攔截點(diǎn)的攔截概率成為部署問(wèn)題的前提。

        目前利用攔截彈與目標(biāo)直接碰撞產(chǎn)生的巨大動(dòng)能來(lái)毀傷目標(biāo),是主要的反導(dǎo)方式之一[2]。為了達(dá)到碰撞殺傷的效果,必須將攔截彈的零控脫靶量控制在一定的精度范圍內(nèi)。本文以末制導(dǎo)初始時(shí)刻的零控脫靶量為評(píng)價(jià)策略,即在末制導(dǎo)初始時(shí)刻的當(dāng)零控脫靶量小于在該時(shí)刻的末制導(dǎo)的修正能力時(shí),攔截彈能夠修正誤差進(jìn)行成功攔截。本文通過(guò)分析某一中段反導(dǎo)武器的殺傷區(qū),選取不同高度和位置的理論攔截點(diǎn)進(jìn)行攔截仿真,完成了針對(duì)火力單元在空間殺傷區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的攔截概率的計(jì)算。

        1 攔截彈數(shù)學(xué)模型

        1.1 攔截彈在空間中的殺傷區(qū)

        選取一典型的中段反導(dǎo)武器其發(fā)動(dòng)機(jī)大致參數(shù)如表1所示[3-4]。

        表1 攔截彈發(fā)動(dòng)機(jī)大致參數(shù)

        該中段反導(dǎo)武器在其第三級(jí)關(guān)機(jī)后[5],直到其下降段之前的范圍內(nèi)可以進(jìn)行攔截,當(dāng)來(lái)襲導(dǎo)彈的彈道軌跡進(jìn)入該包絡(luò)面時(shí)認(rèn)為可以對(duì)其進(jìn)行攔截。本文采用的地球模型為標(biāo)準(zhǔn)的球形,由于攔截彈飛行時(shí)間比較少,并且考慮到中段反導(dǎo)武器可能的部署位置,在緯度較高的地區(qū)科式力的影響相對(duì)較小,本文中采取簡(jiǎn)化的模型,認(rèn)為火力單元在空間中,朝著任意方位發(fā)射殺傷區(qū)的范圍都相同,所以火力單元在空間中的殺傷區(qū)域在任意朝向的軌跡相同。碰撞攔截分為順軌攔截和逆軌攔截,本文僅分析逆軌攔截情況,即火力單元必須部署在攔截點(diǎn)的前面,故將攔截彈在180°范圍內(nèi)在空間中的可達(dá)集作為其在空間的三維殺傷區(qū)范圍。選取的該攔截彈在空間中殺傷區(qū)如圖1所示。

        圖1 攔截彈在空間中的殺傷區(qū)

        圖1中火力單元部署在原點(diǎn)O位置,攔截的來(lái)襲導(dǎo)彈的方向?yàn)檠刂鴜軸的負(fù)方向。殺傷區(qū)由4個(gè)曲面和一個(gè)平面組合而成,具有良好的軸對(duì)稱(chēng)性。可以看出其最遠(yuǎn)射程可以達(dá)到450 km左右,攔截高度可以達(dá)到430 km左右。

        當(dāng)來(lái)襲導(dǎo)彈進(jìn)入火力單元的殺傷區(qū)時(shí),認(rèn)為火力單元可以對(duì)來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行攔截。單次動(dòng)能中段反導(dǎo)攔截過(guò)程最終發(fā)生在殺傷區(qū)內(nèi)的一個(gè)小區(qū)域范圍內(nèi),或者說(shuō)發(fā)生在預(yù)測(cè)命中點(diǎn)附近。在進(jìn)行攔截效能評(píng)估之前,首先要解決的問(wèn)題是在火力單元?dú)麉^(qū)范圍內(nèi)任意預(yù)測(cè)命中點(diǎn)的攔截概率值。

        1.2 攔截概率計(jì)算模型

        中段反導(dǎo)發(fā)生在大氣層外,預(yù)測(cè)命中點(diǎn)的攔截概率與脫靶量有密切的關(guān)系。終端脫靶量是由零脫靶量初始誤差和攔截器的修正能力共同決定[6]。本文中假設(shè)來(lái)襲目標(biāo)在中段不進(jìn)行機(jī)動(dòng),當(dāng)攔截器導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)時(shí),攔截器采用理想比例導(dǎo)引的方式進(jìn)行修正。

        在末制導(dǎo)的初始時(shí)刻的脫靶量為:

        (1)

        其中:vf(t)服從(mv,σv)正態(tài)分布,r(t)服從(mr,σr)正態(tài)分布,vIA服從(mV,σV)的正態(tài)分布。vf為相對(duì)速度在視線法向的投影,r為相對(duì)距離[7]。即該方程可以表示為脫靶量由來(lái)襲導(dǎo)彈和攔截彈的視線法向的相對(duì)速度在剩余攔截時(shí)間段內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離。ρf的均值mρf和標(biāo)準(zhǔn)差σρf可采用Rosenbulth法[8]近似計(jì)算得到。

        考慮到脫靶量近似的服從高斯分布,則其概率密度分布函數(shù)可以表示為:

        (2)

        在攔截彈捕獲目標(biāo)的時(shí)刻,攔截彈的末制導(dǎo)修正能力為ZI。則攔截彈對(duì)目標(biāo)成功攔截的概率可以表示為:

        (3)

        利用標(biāo)準(zhǔn)高斯分布計(jì)算公式為:

        (4)

        1.3 攔截彈末段修正能力分析

        考慮到末制導(dǎo)攔截時(shí)間較短,本文采用簡(jiǎn)化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,假設(shè)攔截彈和來(lái)襲導(dǎo)彈在末制導(dǎo)段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面內(nèi)的勻速直線運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以表示為如圖2所示。

        圖2 攔截彈和來(lái)襲彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型

        則末制導(dǎo)段相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為:

        (5)

        式中,rg為攔截彈捕獲目標(biāo)時(shí),彈目的相對(duì)距離。VI和VA為該時(shí)刻攔截彈和來(lái)襲彈的速度。

        本文選取的攔截彈參照SM-3攔截彈,動(dòng)能戰(zhàn)斗部是MK142,在文獻(xiàn)[9]中給出SM-3攔截彈的比沖范圍是260~265 s,Leap的質(zhì)量大約重16.7 kg,推進(jìn)劑4.5 kg,Leap能夠?qū)崿F(xiàn)的加速度為6 g具體參數(shù)如表2所示。

        表2 攔截彈相關(guān)參數(shù)

        燃料的燃燒時(shí)間可由裝藥質(zhì)量(即推進(jìn)劑質(zhì)量)和燃料每秒的消耗量來(lái)表示:

        (6)

        (7)

        其中,F(xiàn)A為平均推力。

        文中選取主要參數(shù)如下:比沖280 s,機(jī)動(dòng)加速度為5 g。 當(dāng)末制導(dǎo)段相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間小于燃燒時(shí)間,即tg

        (8)

        當(dāng)末制導(dǎo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間大于燃燒時(shí)間時(shí),即tg>tr時(shí),末制導(dǎo)修正能力為:

        (9)

        2 反導(dǎo)攔截模型分析

        2.1 攔截過(guò)程分析

        攔截彈碰撞攔截來(lái)襲導(dǎo)彈的過(guò)程發(fā)生在理論攔截點(diǎn)附近。在來(lái)襲導(dǎo)彈的理論攔截點(diǎn)建立一個(gè)坐標(biāo)系,用一個(gè)球心與地心重合,理論攔截點(diǎn)到地心的距離長(zhǎng)度作為半徑的均勻球面與理論攔截點(diǎn)相交。 坐標(biāo)系的定義與北東坐標(biāo)系類(lèi)似,坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于理論攔截點(diǎn),x軸方向在理論攔截點(diǎn)水平面內(nèi)指向正北方向,y軸方向?yàn)檫^(guò)理論攔截點(diǎn)的地心矢徑指向上方,z軸方向由右手定則確定。該坐標(biāo)系可以稱(chēng)之為攔截坐標(biāo)系。如圖3所示

        圖3 攔截坐標(biāo)系示意圖

        圖中h為理論攔截點(diǎn)的高度,OA為來(lái)襲導(dǎo)彈的發(fā)射點(diǎn),T為來(lái)襲導(dǎo)彈的落點(diǎn)。假設(shè)理論攔截點(diǎn)所在的球面上的經(jīng)度為CL,緯度為BL。

        來(lái)襲導(dǎo)彈在理論攔截點(diǎn)的位置矢量為T(mén)A=(xa,ya,za)則攔截點(diǎn)的經(jīng)緯度可以用向量夾角求得。地心坐標(biāo)系的Z軸方向矢量表示為Z=(0,0,1),則理論攔截點(diǎn)的緯度為:

        (10)

        來(lái)襲導(dǎo)彈在理論攔截點(diǎn)的位置矢量,在地心坐標(biāo)系xy平面的投影為T(mén)Axy=(xa,ya,0),地心坐標(biāo)系的X軸方向矢量表示為X=(1,0,0)則理論攔截點(diǎn)的經(jīng)度為:

        (11)

        地心坐標(biāo)系到攔截坐標(biāo)系的關(guān)系如圖4為:

        圖4 地心坐標(biāo)系到攔截坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

        地心坐標(biāo)系到攔截坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,可以由地心坐標(biāo)系經(jīng)三次基元轉(zhuǎn)動(dòng)而成[10],

        LEL=M2(-π/2)M1(BL)M3(-π/2+CL)

        (12)

        M3(ξ)表示繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ξ角度值,表示為:

        (13)

        M2(η)表示繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)η角度值,表示為:

        (14)

        M1(ζ)表示繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ζ角度值,表示為:

        (15)

        將其代入方程(10)整理得:

        (16)

        來(lái)襲導(dǎo)彈在理論攔截點(diǎn)的速度矢量為VA=(vxa,vya,vza),則在攔截坐標(biāo)系中的速度矢量為:VLA=LELVA。

        同樣也可以用此方法計(jì)算得出攔截彈飛行至在理論攔截點(diǎn)時(shí),在攔截坐標(biāo)系下的速度大小和方向。

        來(lái)襲導(dǎo)彈和攔截彈交匯在攔截點(diǎn),所以在攔截過(guò)程當(dāng)中,在攔截彈上建立的攔截坐標(biāo)系和在來(lái)襲導(dǎo)彈攔截點(diǎn)上面建立的攔截坐標(biāo)系重合。當(dāng)來(lái)襲導(dǎo)彈的彈道軌跡確定時(shí),若要在理論攔截點(diǎn)進(jìn)行攔截,攔截彈必須到達(dá)攔截點(diǎn)高度,當(dāng)在理論攔截點(diǎn)的攔截彈的速度大小是確定時(shí),通過(guò)改變攔截點(diǎn)發(fā)射點(diǎn)可以改變攔截彈在理論攔截點(diǎn)的速度方位角,從而求得不同交匯角下的攔截概率值。

        在改變不同的交匯角度時(shí),相當(dāng)于將攔截彈在攔截點(diǎn)下的速度矢量繞攔截坐標(biāo)系的y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本文在進(jìn)行攔截概率計(jì)算時(shí),只考慮逆軌攔截情況,即在理論攔截點(diǎn)處來(lái)襲導(dǎo)彈的速度平面和攔截彈速度平面的夾角范圍為[π/2,3π/2]。

        2.2 攔截彈發(fā)射諸元計(jì)算模型分析

        本文將攔截彈的發(fā)射方位角A0,最大理論攻角α(亞聲速段攻角絕對(duì)值的最大值),從發(fā)射到理論攔截點(diǎn)的飛行時(shí)間t,作為發(fā)射諸元。當(dāng)給定A0,α,t,可以在攔截彈的空間殺傷區(qū)內(nèi)唯一確定一點(diǎn)。同樣在以攔截彈發(fā)射點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系中,給定Ac,lc,hc也可以唯一確定一點(diǎn),AC為選擇的目標(biāo)點(diǎn)在以發(fā)射點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系中與x軸正向的夾角,lC為目標(biāo)點(diǎn)在地面的投影在地球表面距離發(fā)射點(diǎn)的距離,hC為目標(biāo)點(diǎn)的高度。攔截彈在空間區(qū)域的殺傷區(qū)即為由(A0,α,t)到(Ac,lc,hc)的一對(duì)一映射。利用插值的方法對(duì)其進(jìn)行逆運(yùn)算求解。

        將攔截彈在圖1中的空間殺傷區(qū)用一組同心球面進(jìn)行劃分,每個(gè)球面上再進(jìn)一步剖分。選擇同一個(gè)球面上與理論攔截點(diǎn)的方位角Ac,射程lc,高度hc彼此相鄰的9個(gè)軌跡點(diǎn),形成一個(gè)類(lèi)似于正方形的小面元,選擇與該球面相鄰的兩個(gè)球面,形成一共27個(gè)點(diǎn)的正方體,如圖5所示

        圖5 球面上9點(diǎn)構(gòu)成的微元

        在計(jì)算求解的過(guò)程中選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格剖分精度,確保每個(gè)正方體微元有足夠小的尺寸。選定一個(gè)理論攔截點(diǎn)c=(Ac,lc,hc),選擇正方體微元中與理論攔截點(diǎn)距離最近的一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)q=(AREF,lREF,hREF)作為參照點(diǎn),當(dāng)微元足夠小時(shí),按二階泰勒展開(kāi)有下列方程:

        (17)

        3 攔截概率的求解步驟

        假設(shè)來(lái)襲導(dǎo)彈的彈道數(shù)據(jù)已知,依據(jù)攔截彈的最大攔截高度,由圖1可知攔截彈的攔截高度范圍在80~430 km,確定在來(lái)襲導(dǎo)彈的軌跡上面的在該高度范圍內(nèi)的弧段為可攔截弧段。攔截點(diǎn)可能發(fā)生在可攔截弧段的任意一點(diǎn)。其求解步驟為:

        1)選定某一可攔截弧段上面的點(diǎn)作為理論攔截點(diǎn),依據(jù)方程(10)和(11)求解出理論攔截點(diǎn)處的經(jīng)緯度。并將來(lái)襲導(dǎo)彈在理論攔截點(diǎn)處的位置速度矢量投影在攔截坐標(biāo)系。

        2)依據(jù)建立的攔截彈在空間中的殺傷區(qū)內(nèi)選定在理論攔截點(diǎn)高度上可達(dá)到的可達(dá)集軌跡,在這些可達(dá)集軌跡點(diǎn)中選擇某一點(diǎn)作為理論攔截點(diǎn),由此選出某一條符合條件的攔截彈軌跡。移動(dòng)該攔截彈彈道軌跡,使其在理論攔截點(diǎn)處的點(diǎn)與來(lái)襲導(dǎo)彈的彈道軌跡上面的理論攔截點(diǎn)重合。

        3)將攔截彈彈道軌跡繞攔截坐標(biāo)系的y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而改變攔截彈和來(lái)襲目標(biāo)的交匯角。如圖6所示。

        圖6 攔截彈和來(lái)襲導(dǎo)彈在攔截點(diǎn)交匯示意圖

        4)求解攔截彈發(fā)射點(diǎn)所在的經(jīng)緯度和發(fā)射諸元參數(shù)。

        在攔截彈的殺傷區(qū)內(nèi),假設(shè)選取理論攔截高度處一個(gè)點(diǎn)c=(Ac,lc,hc),利用插值法,將選取的27個(gè)點(diǎn)代入公式(17)求得該點(diǎn)的發(fā)射諸元參數(shù)。

        此點(diǎn)與攔截坐標(biāo)系原點(diǎn)重合,在步驟1中根據(jù)求得的理論攔截點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),確定一個(gè)攔截彈道和來(lái)襲彈道在理論攔截點(diǎn)的平面夾角θC。假設(shè)在理論攔截點(diǎn)時(shí)刻,來(lái)襲導(dǎo)彈的速度在攔截坐標(biāo)系內(nèi)的xz平面內(nèi)的投影與x軸方向的夾角為θA。則攔截彈道平面與x軸方向的夾角為:

        θI=θA+θC

        (18)

        計(jì)算攔截彈發(fā)射點(diǎn)在攔截坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)。其位置關(guān)系如圖7所示。

        圖7 發(fā)射點(diǎn)與攔截點(diǎn)球面三角形

        圖中OL為攔截點(diǎn)在地球表面的經(jīng)緯度,OI為攔截彈發(fā)射點(diǎn)在地球表面的經(jīng)緯度,lC為攔截彈發(fā)射點(diǎn)到攔截點(diǎn)在地面上的投影的距離。OI為攔截彈彈道平面與正北方向的夾角。θLI為發(fā)射點(diǎn)和攔截點(diǎn)的經(jīng)度差。

        利用球面三角形邊的余弦公式

        (19)

        求得發(fā)射點(diǎn)的緯度BI。在利用球面三角形的正弦公式:

        (20)

        求得發(fā)射點(diǎn)和攔截點(diǎn)的經(jīng)度差,則發(fā)射點(diǎn)的緯度為:

        CI=CL+θLI

        (21)

        通過(guò)求解的理論攔截點(diǎn)的發(fā)射諸元參數(shù),可知攔截彈飛行至理論攔截點(diǎn)的時(shí)間為tI,來(lái)襲導(dǎo)彈飛行至理論攔截點(diǎn)的時(shí)刻為tL,則攔截彈的發(fā)射時(shí)刻為:

        t0=tL-tF

        (22)

        在地心坐標(biāo)系下建立來(lái)襲導(dǎo)彈相對(duì)于攔截彈的運(yùn)動(dòng)方程,攔截彈的位置矢量為:

        WI=(wIx,wIy,wIz),攔截彈速度為VI=(vIx,vIy,vIz),來(lái)襲導(dǎo)彈的位置矢量為:WA=(wAx,wAy,wAz),來(lái)襲導(dǎo)彈的速度為VA=(vAx,vAy,vAz)。則彈目相對(duì)距離為:

        (23)

        相對(duì)速度為:

        (24)

        相對(duì)距離:

        (25)

        當(dāng)彈目距離為L(zhǎng)時(shí),攔截彈捕獲目標(biāo),并根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行采用理想比例導(dǎo)引進(jìn)行修正。

        在攔截過(guò)程中,視線方向?yàn)閿r截彈質(zhì)心到來(lái)襲導(dǎo)彈的質(zhì)心的矢量,則視線法向的相對(duì)速度為:

        (26)

        攔截彈捕獲目標(biāo)的初始時(shí)刻,攔截彈和來(lái)襲導(dǎo)彈的位置和速度在攔截坐標(biāo)系上的3個(gè)分量誤差均服從高斯分布。利用公式(1)~(4)求解出在該交匯角度下的在理論攔截點(diǎn)處的攔截概率。

        4 仿真結(jié)果及分析

        在攔截器捕獲目標(biāo)的初始時(shí)刻,攔截器和目標(biāo)的位置速度由理論彈道值和誤差值的和,在該時(shí)刻都是服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的誤差。假設(shè)位置差的任意方向的誤差為r~N(0,1 000m),速度任意方向的誤差為v~N(0,10m/s)。

        在可攔截弧段上選取h=100 km,h=200 km,h=300 km,兩個(gè)速度平面夾角從90°到270°時(shí),攔截概率的變化值如圖8所示。

        圖8 攔截概率隨速度平面交匯角的變化

        由圖可知在攔截概率在速度平面夾角為從90°到180°再到270°時(shí),攔截概率先降低后升高,在180°時(shí)攔截概率最低。碰撞交匯角對(duì)攔截概率的影響最大為0.15左右。

        在殺傷區(qū)內(nèi)的同一攔截高度處可以有很多個(gè)攔截點(diǎn),這些攔截點(diǎn)可以由距離攔截彈的地表距離決定,攔截概率隨著地表距離的變化如圖9所示。

        圖9 攔截概率隨據(jù)發(fā)射點(diǎn)地表距離的變化

        由圖可知攔截概率距離發(fā)射點(diǎn)越遠(yuǎn)攔截概率越高。由圖8至圖9可以看出攔截概率隨著攔截高度的增加而減少。攔截高度作為單一變量對(duì)攔截概率影響如圖10所示。

        圖10 攔截概率隨著攔截高度的變化

        5 結(jié)論

        針對(duì)反導(dǎo)武器在殺傷區(qū)內(nèi)的攔截概率問(wèn)題,在假定來(lái)襲彈道軌跡確定的情況下,通過(guò)在攔截彈殺傷區(qū)內(nèi)選取在不同高度,不同地表弧段距離的攔截點(diǎn),在不同交匯角下的攔截概率值,可以得出以下結(jié)論:

        1)當(dāng)交匯角為單一變量時(shí),攔截概率隨著交匯角的增加而降低。

        2)當(dāng)攔截高度為單一變量時(shí),攔截概率隨著高度的增加而增加,即在越高的地方攔截概率越好。

        3)當(dāng)攔截點(diǎn)距發(fā)射點(diǎn)的地表距離為單一變量時(shí),攔截概率隨著距離的增加而增加,即在距離發(fā)射點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方攔截越好。

        上述3個(gè)變量成為影響殺傷區(qū)內(nèi)攔截概率的主要因素,根據(jù)本文建立的模型,當(dāng)來(lái)襲彈道數(shù)據(jù)和上述3個(gè)變量都已知時(shí),可以對(duì)攔截概率進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。將攔截概率與理論攔截點(diǎn)在殺傷區(qū)內(nèi)的位置關(guān)系對(duì)應(yīng)起來(lái),為反導(dǎo)作戰(zhàn)和部署提供一定的參考。

        另外本文中采用簡(jiǎn)化的末制導(dǎo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,攔截過(guò)程和實(shí)際有一定的差距,并且攔截成功與否還與多方面因素相關(guān),若要得到高精度的攔截概率必須綜合考慮各方面因素。

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