張 合，廖 翔，楊宇鑫，劉 鵬

(南京理工大學(xué)智能彈藥國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

引信從機(jī)械型發(fā)展到機(jī)電型、近炸型，正在朝靈巧與智能型發(fā)展[1]，從控制的視角看，機(jī)械與機(jī)電型引信的炸點(diǎn)控制僅針對(duì)目標(biāo)從觸擊或預(yù)設(shè)時(shí)間上控制炸點(diǎn)，屬于點(diǎn)控制，存在控制精度差與毀傷效能低的缺陷。而后發(fā)展的近炸引信與計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距空炸引信在兩維空間實(shí)現(xiàn)炸點(diǎn)控制，屬于線控制，毀傷效能雖有大幅度提高，但仍沒有把彈藥的威力發(fā)揮到最大。正在發(fā)展的靈巧與智能引信在目標(biāo)距離與方位多維空間實(shí)現(xiàn)炸點(diǎn)控制，屬于面或體控制，可極大地提高彈藥的毀傷效能。隨著精確打擊彈藥、彈道修正彈藥與修正引信的發(fā)展，引信在多維空間的時(shí)空識(shí)別技術(shù)成為迫切需求。為了實(shí)現(xiàn)精確打擊與高效毀傷，引信應(yīng)在彈藥飛行的不同速度與姿態(tài)下的最佳毀傷區(qū)內(nèi)對(duì)炸點(diǎn)精準(zhǔn)控制屬于過程控制也急需發(fā)展，其約束變量為發(fā)射出膛后的時(shí)間零點(diǎn)、飛行空間的三維坐標(biāo)、速度與姿態(tài)、最佳毀傷半徑等作為邊值[2]，通過建立的多輸入與單輸出動(dòng)態(tài)控制數(shù)學(xué)模型，在目標(biāo)與環(huán)境的約束下進(jìn)行過程控制，根據(jù)毀傷不同目標(biāo)類型約束可選用不同的輸出控制量，有空中、地面、海面、地下與水下目標(biāo)約束[3]，如對(duì)付地面有生力量，輸出可選用合理的地面炸高，對(duì)于地下硬目標(biāo)內(nèi)的人與物，輸出可選用出靶后合理的距離，戰(zhàn)斗部毀傷效能將會(huì)大幅度提高。由此，時(shí)空識(shí)別與過程控制對(duì)引信的發(fā)展變的尤為重要，應(yīng)是引信控制理論發(fā)展的主要方向。

1 引信經(jīng)歷的時(shí)空識(shí)別

引信的時(shí)空識(shí)別指的是當(dāng)引信隨彈藥發(fā)射后經(jīng)歷的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)階段、空中或水中運(yùn)動(dòng)階段、到達(dá)目標(biāo)前階段，在每一階段的時(shí)間與空間范圍內(nèi)對(duì)控制量的識(shí)別。在每一階段的時(shí)間有起始量、運(yùn)行量、結(jié)束量，以及誤差控制量；在每一階段的空間有環(huán)境量、位移相關(guān)量、角度相關(guān)量、目標(biāo)量以及誤差控制量。如武器系統(tǒng)與引信具有信息交聯(lián)的功能，部分控制量可在發(fā)射前裝定獲取。因此，引信獲取時(shí)空識(shí)別的信息分為外部信息與內(nèi)部信息，外部信息由武器系統(tǒng)與引信信息交聯(lián)獲取，內(nèi)部或環(huán)境信息由引信自身特種傳感器獲取。

引信隨彈藥發(fā)射時(shí)經(jīng)歷的環(huán)境與時(shí)間、空間、目標(biāo)的種類是引信設(shè)計(jì)的邊值函數(shù)，如何使時(shí)空識(shí)別函數(shù)簡單與實(shí)用是設(shè)計(jì)者根據(jù)不同引信的功能而建立，函數(shù)的基本形式如下：

F=f(T,H(t),R(t),M(t))

(1)

式(1)中，T為引信飛行的時(shí)間，初值為T0，全程與速度相關(guān)，H(t)為環(huán)境量，R(t)為引信飛行的位移量(線位移與角位移)，M(t)為彈藥攻擊的目標(biāo)量。

彈藥部分的環(huán)境與目標(biāo)信息、飛行參數(shù)與起爆模式可通過信息交聯(lián)獲取，具體的交聯(lián)方式見表1。

例如單兵火箭彈空炸引信，考慮單兵火箭彈由于口徑小、重量輕、攜帶方便，在局部戰(zhàn)爭和反恐戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，采用發(fā)射前利用激光測(cè)距機(jī)和其他探測(cè)設(shè)備獲取目標(biāo)距離信息和戰(zhàn)場(chǎng)海拔高度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等環(huán)境信息，通過引信信息交聯(lián)技術(shù)對(duì)引信電路進(jìn)行發(fā)射前能量供給和信息初始化裝定，彈丸發(fā)射后，利用彈載探測(cè)設(shè)備獲取彈丸初速或目標(biāo)位置信息，從而對(duì)彈丸作用時(shí)間或彈道空間軌跡進(jìn)行修正，可提高彈藥對(duì)目標(biāo)的毀傷效能。

小口徑彈藥空炸引信：目前小口徑彈藥研制和改進(jìn)的主要方向是通過配備可編程空炸引信，使彈藥具備精確定點(diǎn)起爆能力以及與系統(tǒng)協(xié)調(diào)、快速反應(yīng)的能力。小口徑彈藥射速快，可達(dá)每分鐘4 500發(fā)以上射速，并且隨著技術(shù)發(fā)展和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)提高，射速還在提升，對(duì)于該小口徑高射速彈藥，可用彈鏈或炮口無線交聯(lián)方式，彈鏈交聯(lián)是彈丸由彈鏈拖動(dòng)進(jìn)膛前的毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成能量供給和信息裝定，炮口裝定是在彈丸發(fā)射出膛口的數(shù)十微秒時(shí)間內(nèi)完成信息裝定，炮口裝定方式要求彈丸飛經(jīng)炮口前彈載電源可靠激活，引信裝定電路正常工作，以便接收炮口裝定信息。

坦克炮彈藥空炸引信底火交聯(lián)：坦克炮彈藥存在首發(fā)命中需求，通過火控計(jì)算機(jī)、底火和彈藥引信進(jìn)行信息交聯(lián)，可完成膛內(nèi)彈藥的發(fā)射前信息傳輸，實(shí)現(xiàn)引信起爆方式和彈道修正彈藥初始信息加載。

表1 武器平臺(tái)與不同彈種引信裝定方式Tab.1 Setting mode of fuze for different weapon platforms and projectiles

彈藥發(fā)展的初期，僅采用一種彈藥對(duì)付一種目標(biāo)[4]，配一種引信完成特定毀傷任務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，要求一種功能彈藥對(duì)付多種目標(biāo)，多功能彈藥對(duì)付多種目標(biāo)，從而配用的引信要求多功能化，實(shí)現(xiàn)引信多功能化的前提必須首先保證引信對(duì)目標(biāo)可探測(cè)，由于目標(biāo)的種類繁多，選擇的引信探測(cè)和起爆控制方式也不同，常用方式如表2所示。

引信探測(cè)可分為環(huán)境探測(cè)和目標(biāo)探測(cè)兩部分，其中探測(cè)函數(shù)可表示為：

D(e,o,ld,us)=[De(e,le),Do(o,lo,us)]

(2)

式(2)中，Dε(·)為環(huán)境探測(cè)函數(shù)，Do(·)為目標(biāo)探測(cè)函數(shù)，le為環(huán)境探測(cè)約束條件，lo為目標(biāo)探測(cè)約束條件。

引信中常用探測(cè)方式見文獻(xiàn)[5]，引信在發(fā)射環(huán)境下主要經(jīng)歷的物理環(huán)境是力學(xué)環(huán)境[6]?？商綔y(cè)力學(xué)量的傳感器有多種，如壓電式、壓阻式、電容式等，發(fā)射過程持續(xù)的時(shí)間在幾毫秒到幾十毫秒，常規(guī)火箭彈主動(dòng)段在幾百毫秒或秒級(jí)。環(huán)境探測(cè)函數(shù)De的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式(3)中，Ae為傳感器放置位置約束造成的信號(hào)增益或衰減，He(t)為環(huán)境探測(cè)的響應(yīng)函數(shù)，由傳感器和放置位置約束決定，el為傳感器靈敏度下限，eu為傳感器探測(cè)范圍上限，tes為探測(cè)開始時(shí)刻，tee為探測(cè)結(jié)束時(shí)刻，上述參數(shù)均為環(huán)境探測(cè)約束條件。

表2 目標(biāo)種類與引信作用方式Tab.2 Target type and action mode of fuze

對(duì)目標(biāo)探測(cè)函數(shù)Do的數(shù)學(xué)表達(dá)式可用式(4)表示：

(4)

式(4)中，o為探測(cè)器t時(shí)刻靈敏度，lo為目標(biāo)探測(cè)器的約束條件，us為目標(biāo)與環(huán)境狀態(tài)輸入量，Ao為目標(biāo)的特性約束造成的信號(hào)增益或衰減，Hd(t)為探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)，由探測(cè)器性能和放置位置約束決定，Ho(t)為目標(biāo)的響應(yīng)函數(shù)，Wo為工作方式開關(guān)矩陣，由裝定信息決定，ol為探測(cè)器靈敏度下限，ou為探測(cè)范圍上限；Wo為對(duì)角陣：

(5)

式(5)中，W1、WN為目標(biāo)探測(cè)開關(guān)，其值為0或1，具體取值受裝定信息中的工作方式和探測(cè)開始及結(jié)束時(shí)間約束。

靈巧引信能夠?qū)崿F(xiàn)一種引信完成多項(xiàng)任務(wù)，根據(jù)目標(biāo)的特性，如反射性能、強(qiáng)度性能、尺度大小等，在彈藥的約束條件下、設(shè)計(jì)出合理的引信探測(cè)系統(tǒng)。

2 引信過程控制

引信過程控制指的是在引信到達(dá)目標(biāo)前完成規(guī)定的特定任務(wù)時(shí)，如開倉、點(diǎn)火、分離與起爆控制，根據(jù)時(shí)空識(shí)別信息，進(jìn)行的動(dòng)態(tài)開環(huán)控制，而硬目標(biāo)侵徹起爆控制又是動(dòng)態(tài)開環(huán)控制的一種特例，即瞬態(tài)開環(huán)控制。靈巧引信是在動(dòng)態(tài)選擇對(duì)象觀測(cè)時(shí)機(jī)和控制輸入時(shí)機(jī)下的開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這類系統(tǒng)的主要特征是：在系統(tǒng)的整個(gè)演變過程中，觀測(cè)和控制僅在某一時(shí)刻或某一時(shí)間段進(jìn)行，即觀測(cè)/控制輸入和觀測(cè)/控制時(shí)機(jī)分別存在邊界約束，因此，控制算法除了需要解算觀測(cè)/控制輸入外還需要選擇觀測(cè)/控制時(shí)機(jī)。單純與基于控制模型的開環(huán)控制系統(tǒng)相比，動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)能夠利用觀測(cè)信息對(duì)控制模型進(jìn)行修正，通過合理的觀測(cè)時(shí)機(jī)和控制時(shí)機(jī)選擇，在總工作時(shí)長較短時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)與模型預(yù)測(cè)控制相似的控制效果，且由于觀測(cè)系統(tǒng)和控制輸出系統(tǒng)均只在觀測(cè)時(shí)機(jī)出現(xiàn)時(shí)工作，動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的能量利用率和較低的算法復(fù)雜度。

圖1 動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of dynamic open-loop control system

引信過程控制的整個(gè)工作過程可分如下四個(gè)階段：發(fā)射準(zhǔn)備階段、膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)階段、環(huán)境和彈丸觀測(cè)與控制階段、起爆控制階段，每個(gè)階段可以觀測(cè)和控制的對(duì)象均不相同，觀測(cè)信息來源也各不相同，因此，每個(gè)信息觀測(cè)對(duì)象和信息來源均有不同的觀測(cè)時(shí)機(jī)約束，其中，起爆輸出只能在起爆控制階段出現(xiàn)，因此，控制時(shí)機(jī)被約束在起爆控制階段。綜上所述，引信過程控制系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)。

引信過程控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)最佳毀傷控制，即控制彈丸完全按照任務(wù)設(shè)定的位置和狀態(tài)起爆。理想狀態(tài)下，最佳毀傷控制模型為一個(gè)多輸入單輸出的二階系統(tǒng)：

(6)

式(6)中，Xf為彈丸狀態(tài)，Af1為一次積分位置反饋參數(shù)，Af2為二次積分位置反饋參數(shù)，Bt1為任務(wù)輸入?yún)?shù)，Bt2為環(huán)境輸入?yún)?shù)，Ut1為目標(biāo)狀態(tài)輸入，Ut2為環(huán)境狀態(tài)輸入，yf為起爆輸出，輸出函數(shù)δ(·)為一狄拉克函數(shù)。式(6)的含義為，彈丸的飛行狀態(tài)由狀態(tài)方程控制，當(dāng)彈丸狀態(tài)與任務(wù)狀態(tài)完全一致時(shí)，yf=1輸出控制信號(hào)，否則yf=0不輸出控制信號(hào)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 最佳毀傷控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Structure diagram of optimal damage control system

引信動(dòng)態(tài)開環(huán)控制在特定時(shí)刻或特定時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)Xf及其一階和二階導(dǎo)數(shù)、Ut1和Ut2的瞬態(tài)值，修正控制模型，并通過控制模型和控制算法計(jì)算合適的控制時(shí)機(jī)，當(dāng)引信到達(dá)控制時(shí)機(jī)時(shí)，輸出控制信息。動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)的工作目標(biāo)為：通過合理的選擇各狀態(tài)的探測(cè)時(shí)機(jī)，并設(shè)計(jì)控制模型和控制算法，使得控制信息yf=1出現(xiàn)時(shí)刻td的|Xf(td)-Bt1Ut1(td)|盡量小。

引信動(dòng)態(tài)開環(huán)控制模型如圖3所示，系統(tǒng)分為動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)和被控對(duì)象兩部分，動(dòng)態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)無法對(duì)彈丸飛行進(jìn)行控制。

圖3 引信動(dòng)態(tài)開環(huán)控制模型Fig.3 Dynamic open-loop control model of fuze

圖3中Ur為基準(zhǔn)輸入、Tf為控制狀態(tài)、Dm為模型輸入對(duì)輸出狀態(tài)的影響參數(shù)、θ(·)為單位階躍函數(shù)、Um0為模型輸入、to0至to4為觀測(cè)時(shí)機(jī)、Ut2為環(huán)境狀態(tài)輸入、Bt1為任務(wù)輸入?yún)?shù)、Bt2為環(huán)境輸入?yún)?shù)、td為彈丸起爆時(shí)刻、yd1為起爆時(shí)刻彈丸與任務(wù)的狀態(tài)差。從圖中可以看出，動(dòng)態(tài)開環(huán)控制在觀測(cè)時(shí)機(jī)to0至to4觀測(cè)被控對(duì)象的各個(gè)參數(shù)，并將其輸入控制狀態(tài)演變算法和控制模型修正算法中，通過比較兩個(gè)算法的輸出結(jié)果確定控制時(shí)機(jī)td和控制輸出yf，控制時(shí)機(jī)td決定了最終的控制誤差yd1。其動(dòng)態(tài)開環(huán)控制模型為：

(7)

式(7)中，Tf為控制狀態(tài)、n為控制狀態(tài)數(shù)量、Br為基準(zhǔn)輸入對(duì)控制狀態(tài)的影響參數(shù)、Bt為任務(wù)狀態(tài)輸入對(duì)控制狀態(tài)的影響參數(shù)、Dti為任務(wù)狀態(tài)輸入對(duì)輸出狀態(tài)的影響參數(shù)、Dmi為模型輸入對(duì)輸出狀態(tài)的影響參數(shù)、Dri為基準(zhǔn)輸入對(duì)輸出狀態(tài)的影響參數(shù)、Ut0=ft(Ut1(to0),Ut2(to1))為任務(wù)狀態(tài)輸入、Um為模型輸入函數(shù)，根據(jù)不同的觀察時(shí)機(jī)，考察不同的距離量、速度量或加速度量，公式如下：

(8)

動(dòng)態(tài)開環(huán)控制精準(zhǔn)度,即最佳控制時(shí)機(jī)td以及控制誤差yd1，由yf出現(xiàn)時(shí)刻Xf和Ut的距離決定：

td=min(yf-1(1))
yd1=|Bt1Ut(td)-Xf(td)|

(9)

不同的觀測(cè)時(shí)機(jī)to0至to4和控制狀態(tài)Tf，可以對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有的地面武器多功能引信系統(tǒng)：

1) 若to0為彈丸發(fā)射后至彈丸起爆的整個(gè)時(shí)間段，且目標(biāo)信息探測(cè)由引信自身進(jìn)行，則該引信通過觀測(cè)目標(biāo)與彈丸的相對(duì)距離控制彈丸起爆，該引信為近炸引信，如激光近炸引信，無線電近炸引信等；

2) 若to4為彈丸碰目標(biāo)時(shí)刻，且to2為to4時(shí)刻至彈丸起爆的整個(gè)時(shí)間段，則該引信通過觀測(cè)碰目標(biāo)后的加速度變化控制彈丸起爆，則該引信為加速度侵徹引信；

3) 若to0和to1為彈丸發(fā)射前或發(fā)射過程中的某個(gè)時(shí)刻，且由火控系統(tǒng)解算，to4為彈丸出炮口時(shí)刻，控制狀態(tài)Tf為時(shí)間變量，則該引信為可裝定電子時(shí)間引信；

4) 若to0和to1選擇與3)相同，且to4為彈丸出炮口后全彈道過程，控制狀態(tài)Tf為彈丸旋轉(zhuǎn)次數(shù)變量，則該引信為計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距引信。

3 引信時(shí)空識(shí)別與過程控制的發(fā)展

彈引系統(tǒng)通過膛內(nèi)發(fā)射完成靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)換，從時(shí)間與空間概念上講，設(shè)計(jì)炮口為起始點(diǎn)，包含時(shí)間零點(diǎn)與坐標(biāo)零點(diǎn)，在引信中應(yīng)有一定的傳感器檢測(cè)出炮口信號(hào)，作為引信時(shí)空識(shí)別的設(shè)計(jì)輸入初值，由引信的環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)獲取。彈引系統(tǒng)在空間飛行出現(xiàn)的彈道軌跡與理想彈道間產(chǎn)生的變化，是空間三個(gè)位移量與三個(gè)角度量的表征，必須采用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)六個(gè)量，并與理想彈道進(jìn)行比對(duì)，獲取偏差并進(jìn)行修正。到達(dá)目標(biāo)前臨近戰(zhàn)斗部毀傷半徑外一定距離，引信近場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)需獲取目標(biāo)信息，如目標(biāo)類型、目標(biāo)特征與目標(biāo)形體等，決定起爆時(shí)間與距離。因此，未來必須發(fā)展小型與集成化的速度、加速度與角速度傳感器處理芯片，通過快速運(yùn)算獲取彈丸在空間的位移量和角度量，彈上修正機(jī)構(gòu)快速修正彈道，使彈丸進(jìn)入最佳毀傷區(qū)，引信實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)起爆控制。因此，未來的修正彈藥、制導(dǎo)彈藥同引信如采用一體化設(shè)計(jì)，融入引信的過程控制方法，將大幅度提高彈藥的毀傷效能。

4 結(jié)論

引信炸點(diǎn)控制從最初機(jī)械型與機(jī)電型的點(diǎn)控制，發(fā)展到近炸型的線控制，正朝著靈巧與智能型的面與體控制方向發(fā)展，時(shí)空識(shí)別與過程控制的發(fā)展、動(dòng)態(tài)開環(huán)控制的概念提出與數(shù)學(xué)模型的建立將推動(dòng)引信技術(shù)的發(fā)展，在今后一段時(shí)間內(nèi)，完善引信動(dòng)態(tài)開環(huán)控制理論與試驗(yàn)驗(yàn)證是進(jìn)一步的工作。