宮雪峰,李豪杰,陳志鵬,于 航

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中武器系統(tǒng)正經(jīng)歷從機(jī)械化向信息化、智能化和一體化方向發(fā)展的階段。隨著技術(shù)的發(fā)展,戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境愈加惡劣,為實(shí)現(xiàn)精確打擊和高效毀傷的目的,彈藥研究從無(wú)控彈過(guò)渡到有控彈,精確制導(dǎo)武器、彈道修正彈和巡飛彈等新型武器平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

引信是武器系統(tǒng)中彈藥毀傷的關(guān)鍵子系統(tǒng),其利用環(huán)境信息、目標(biāo)信息或平臺(tái)信息,確保彈藥勤務(wù)和彈道上的安全,并按預(yù)定策略對(duì)彈藥實(shí)施起爆控制[2-3]。引信的安全性至關(guān)重要,在有控彈發(fā)展的背景下,彈藥會(huì)發(fā)生變軌行為,使得彈道不再是單調(diào)拋物線(xiàn)特征。在這種情況下,后坐力和離心力等傳統(tǒng)環(huán)境激勵(lì)將難以滿(mǎn)足引信全壽命安全性要求,因上述原因?qū)е碌陌踩允鹿什⒎切「怕适录?如2013年印度無(wú)畏型巡航彈在某次試驗(yàn)過(guò)程中,飛行至4 500 m高度、飛行馬赫數(shù)達(dá)到0.7且全彈已飛行15 min有余時(shí),偏離預(yù)定軌跡,不得不終止任務(wù);2022年6月俄軍“薩姆”防空導(dǎo)彈發(fā)生了失控調(diào)頭并撞向地面的嚴(yán)重安全性事故。

保障的引信安全性的關(guān)鍵在于對(duì)彈藥時(shí)空關(guān)系的把控,指的是引信隨彈藥發(fā)射后經(jīng)歷的各階段時(shí)間與空間范圍內(nèi)對(duì)控制量的識(shí)別,并根據(jù)上述信息進(jìn)行的控制。在引信中這種研究通常是致力于提高毀傷效果的研究,如普承恩等[4]研究了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)落點(diǎn)預(yù)測(cè)的二維彈道修正制導(dǎo)方法;賀強(qiáng)等[5]研究了基于比例因子的改進(jìn)落點(diǎn)預(yù)測(cè)修正算法;黎海清等[6-7]研究了落點(diǎn)預(yù)測(cè)制導(dǎo)率的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈修正控制和制導(dǎo)火箭彈落點(diǎn)預(yù)測(cè)導(dǎo)引控制。上述研究都對(duì)提高彈藥命中精度和毀傷效果做出了重要的貢獻(xiàn)。

在安全與解除保險(xiǎn)方面鮮有對(duì)空間信息特征的直接利用的研究。近年來(lái),高智安[1]利用彈炮距離信息設(shè)計(jì)了引信安全起爆系統(tǒng);秦禹[8]通過(guò)激光測(cè)距方法利用彈炮距離信息進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);徐建國(guó)[9]提出了基于彈炮間距和相對(duì)彈道高信息的引信軟件化設(shè)計(jì);在電子安全系統(tǒng)上,李少卿[10]設(shè)計(jì)了一種將彈目距離作為第三級(jí)解除保險(xiǎn)激勵(lì)的電子安全系統(tǒng)。上述方法可以滿(mǎn)足傳統(tǒng)彈藥引信單次解保的安全性要求,但若應(yīng)用于可變彈道軌跡的彈藥中,僅依靠距離標(biāo)量作為解保依據(jù),且以設(shè)定閾值的思想判斷距離信息,可能會(huì)出現(xiàn)將非正常彈道誤判為正確彈道的情況,利用空間信息解保不能保證時(shí)空關(guān)系的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng),難以滿(mǎn)足引信未來(lái)高性能、全壽命安全性乃至全域安全性的控制需求。

針對(duì)未來(lái)引信全壽命安全控制需求,本文提出了一種基于空間域信息的引信解除保險(xiǎn)方法,明確了引信空間域的內(nèi)涵,設(shè)計(jì)了基于馬氏距離的空間域特征邏輯判別方法,為安全系統(tǒng)解保設(shè)計(jì)提供一種新的途徑。

1 引信中的空間域

1.1 引信空間域概念及與引信安全的關(guān)系

空間域概念在數(shù)字圖像處理中,指由圖像像元組成的空間,但在引信中,空間域應(yīng)從時(shí)空的角度思考,在引信概念范圍中,指彈藥在某一階段,尤其是發(fā)射后的階段中經(jīng)過(guò)時(shí)間與空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。彈藥時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系是引信保障安全性的依據(jù),引信空間域的概念可從引信安全性概念入手。圖1(a)展示了引信全域安全性要求示意圖,此處的“域”指的是所有區(qū)域,是指在新型彈藥出現(xiàn)的背景下引信在所能經(jīng)歷的所有環(huán)境下的安全性要求,這是一個(gè)基于發(fā)射平臺(tái)和目標(biāo)建立的坐標(biāo)系,由引信傳統(tǒng)安全性要求和新型彈藥的特點(diǎn)相結(jié)合得來(lái),橫軸代表不同的區(qū)域,實(shí)線(xiàn)表示在傳統(tǒng)安全性中已要求的內(nèi)容,虛線(xiàn)代表全域安全性特有的內(nèi)容。傳統(tǒng)安全性的要求可以概括為引信勤務(wù)處理階段作用率小于百萬(wàn)分之一、膛內(nèi)時(shí)小于萬(wàn)分之一、發(fā)射后及安全距離前小于千分之一以下的作用概率及未爆彈處理階段的“三自”要求,可以發(fā)現(xiàn),全域安全囊括了各引信可能經(jīng)歷的各種工作模式,將引信全壽命期間經(jīng)歷分為了多個(gè)區(qū)域,不再像傳統(tǒng)安全系統(tǒng)要求只關(guān)注安全距離以?xún)?nèi)的安全性,而是拓展為勤務(wù)處理階段、發(fā)射階段、安全距離區(qū)域內(nèi)、彈道飛行區(qū)域、任務(wù)中止階段、巡飛區(qū)域、回收彈藥階段、目標(biāo)區(qū)域和使用后(未爆彈處理階段)區(qū)域。

若廣義地描述,可以將引信全域安全的要求濃縮成如圖1(b)形式,即劃分為安全域、待發(fā)域、使用后域和巡飛域,也就是引信空間域的內(nèi)涵。安全域包括了彈藥在膛內(nèi)、出炮口、安全距離內(nèi)及為滿(mǎn)足全域安全要求的飛行彈道區(qū)域。在安全域內(nèi),安全系統(tǒng)可以發(fā)生解保動(dòng)作,但要保障引信的安全性,不允許發(fā)生安全失效。在待發(fā)域內(nèi),引信可以允許進(jìn)入待發(fā)狀態(tài),待發(fā)域的空間范圍與彈藥的種類(lèi)與使命任務(wù)有關(guān),待發(fā)域應(yīng)是以目標(biāo)為基準(zhǔn),若目標(biāo)移動(dòng),則待發(fā)域也隨之轉(zhuǎn)移。使用后域就是彈藥失去最佳起爆時(shí)機(jī)和位置后的區(qū)域,要求引信實(shí)現(xiàn)“三自”或自恢復(fù)保險(xiǎn)狀態(tài)。巡飛域是巡飛彈具有的特殊空間域,因巡飛彈具有巡飛等待作戰(zhàn)命令[15-17]、可協(xié)同打擊和可安全回收[18]的特點(diǎn),在巡飛域中巡飛彈會(huì)出現(xiàn)安全狀態(tài)與待發(fā)狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程,兼具安全域與待發(fā)域的特點(diǎn)。

圖1 引信安全控制能力含義表述及空間域概念表述Fig.1 Schematic diagram of safety control capability of fuze and expression of space domain

1.2 引信空間域特征概念及與時(shí)空對(duì)應(yīng)性的關(guān)系

根據(jù)上一部分介紹可知,彈藥在不同的位置時(shí)引信需要完成的任務(wù)不同,引信安全性與可靠性要求和引信的時(shí)空信息存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。空間域特征指的是可以描述引信在全壽命期間內(nèi),從某一階段開(kāi)始起,描述彈藥經(jīng)歷的時(shí)間t與彈藥的位置、姿態(tài)等空間位置的信息關(guān)系的特征,如在某一時(shí)刻彈藥的三維坐標(biāo)、高度、俯仰角等信息。引信空間域并非絕對(duì),而是一個(gè)相對(duì)概念。當(dāng)以發(fā)射平臺(tái)作為基準(zhǔn)時(shí),此時(shí)空間域信息就是彈藥相對(duì)發(fā)射平臺(tái)的三維坐標(biāo)和角度信息;當(dāng)以目標(biāo)為基準(zhǔn)時(shí),此時(shí)空間域信息就是彈目距離、交會(huì)角度等。空間域是一個(gè)范圍概念,空間域特征與時(shí)間信息共同描述了彈藥的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系,彈藥的時(shí)空對(duì)應(yīng)性可以表達(dá)為

X=(xyzt)T

(1)

式中:X為彈藥的時(shí)空狀態(tài)變量,是一個(gè)包括x,y,z三維空間坐標(biāo)變量加上時(shí)間變量t的空間,在確定采樣間隔后,令i代表采樣點(diǎn)的位數(shù),則每一個(gè)時(shí)間ti都有對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)(xi,yi,zi)。時(shí)間變量t同樣至關(guān)重要,其本身與空間位置特征聯(lián)系還產(chǎn)生了對(duì)時(shí)效性的描述,是彈藥某時(shí)在某處的直接表達(dá),時(shí)效性同樣是引信實(shí)現(xiàn)高性能安全控制與精準(zhǔn)毀傷的重要指標(biāo)。

1.3 空間域獲取方法

引信對(duì)空間域特征的利用存在間接與直接兩種方式,如圖2所示。

圖2 引信空間域特征的兩種獲取方式Fig.2 Two methods of obtaining fuze spatial domain features

間接方式指的是在引信通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),直接獲取環(huán)境的時(shí)域、頻域或能量域等域的特征信號(hào),通過(guò)一定的方法去近似估計(jì)空間域特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥時(shí)空對(duì)應(yīng)性的把握,比如,時(shí)間藥盤(pán)機(jī)構(gòu)和鐘表延期機(jī)構(gòu)等可以將識(shí)別環(huán)境的實(shí)際拉長(zhǎng),從而獲取環(huán)境激勵(lì)的時(shí)域特征來(lái)估計(jì)安全距離并解保;安全解除保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)中易熔合金由于飛行過(guò)程中產(chǎn)生的熱能而熔化,以此實(shí)現(xiàn)彈藥達(dá)到一定速度且持續(xù)一段時(shí)間后解除保險(xiǎn)的目的;慣性筒與雙自由度后坐保險(xiǎn)可以通過(guò)自身的低通濾波特性分辨出跌落環(huán)境和發(fā)射環(huán)境并實(shí)現(xiàn)延期解保等[15]。

直接方式指的是引信通過(guò)雷達(dá)測(cè)距、GPS以及姿態(tài)傳感器等方式直接獲取空間特征。直接獲取空間特征在制導(dǎo)武器中早已有了大量應(yīng)用[16-17],例如通過(guò)雷達(dá)識(shí)別彈藥與發(fā)射平臺(tái)的距離從而判斷彈藥是否已經(jīng)飛出安全距離、用加速度傳感器識(shí)別彈藥過(guò)頂點(diǎn)信息解保,也有利用實(shí)際彈道與基準(zhǔn)彈道的對(duì)比、對(duì)比實(shí)際落點(diǎn)與預(yù)期落點(diǎn)的偏差以及利用毫米波或激光等方式測(cè)量彈目距離實(shí)現(xiàn)精確打擊等?？梢钥闯?引信對(duì)空間域特征的利用對(duì)提高彈藥毀傷效能具有積極作用,但將這種特征作為安全系統(tǒng)解保的輸入,如在制導(dǎo)與修正彈藥等具備獲取空間域特征能力的彈藥上采用空間域特征解保方式,有著更低的經(jīng)濟(jì)成本和復(fù)雜度。

2 基于空間域的識(shí)別方法與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)以二維彈道修正引信為例,介紹一種對(duì)空間域特征的利用方法和一種對(duì)彈藥時(shí)空對(duì)應(yīng)性的判斷方法。

2.1 總體設(shè)計(jì)

無(wú)論是何種制導(dǎo)和修正方式,在一定的發(fā)射條件下,都可以確定基準(zhǔn)彈道和實(shí)際彈道,且前者可以由發(fā)射平臺(tái)裝定得來(lái)[18],后者則是引信通過(guò)傳感器或GPS定位等方式獲取的實(shí)時(shí)彈道位置信息。上述兩種彈道信息就是空間域特征,引信可以通過(guò)對(duì)比實(shí)際彈道與基準(zhǔn)彈道偏差實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)與修正,這種方法也可以被運(yùn)用到安全與解除隔離設(shè)計(jì)當(dāng)中,總體流程如圖3所示。

圖3 基于空間域的引信安全系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of fuze safety system based on spaital domain

引信待發(fā)域可在設(shè)計(jì)時(shí)就被確定基本信息,可在裝定時(shí)根據(jù)目標(biāo)實(shí)際空間位置進(jìn)行調(diào)整,也可以根據(jù)彈道上目標(biāo)出現(xiàn)或彈目交互信息進(jìn)行決策并控制安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換。例如,根據(jù)彈藥安全半徑確定解除保險(xiǎn)最小安全距離,根據(jù)目標(biāo)距離信息靈活決策是否進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)或進(jìn)行自毀時(shí)間參數(shù)調(diào)整等。

首先,發(fā)射平臺(tái)裝定預(yù)定條件(如修正彈藥展開(kāi)鴨舵和氣動(dòng)阻力片的時(shí)機(jī))和基準(zhǔn)彈道信息等先驗(yàn)信息。計(jì)時(shí)單元每隔δ使空間域特征記錄彈藥實(shí)際位置信息,其中采樣間隔δ與彈載計(jì)算機(jī)計(jì)算彈道時(shí)的迭代時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)是一致的。時(shí)空對(duì)應(yīng)判斷模塊主要做兩個(gè)工作:一是對(duì)比實(shí)際彈道與基準(zhǔn)彈道給出識(shí)別結(jié)果,二是通過(guò)對(duì)時(shí)間t信息進(jìn)行判斷并給出識(shí)別結(jié)果。其中,時(shí)空對(duì)應(yīng)判斷模塊應(yīng)是基于空間域的安全控制的重點(diǎn)。

2.2 時(shí)空對(duì)應(yīng)判斷模塊

對(duì)于部分彈藥而言,在調(diào)整彈道的過(guò)程中會(huì)對(duì)兩種彈道直接做對(duì)比,但其更多關(guān)注的是位置特征,還有部分彈藥更關(guān)注最終落點(diǎn)的方位差,兩者都不能將時(shí)空對(duì)應(yīng)性中“時(shí)”的特征記錄下來(lái)。若要在安全系統(tǒng)中把握彈藥時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以通過(guò)彈藥三維空間坐標(biāo)進(jìn)行判斷的同時(shí)進(jìn)行時(shí)效性判斷,并將兩種判斷結(jié)果進(jìn)行與運(yùn)算。在射擊精準(zhǔn)度的研究上,圓概率誤差(CEP)概念的研究頗多,目前為驗(yàn)證某一彈藥的修正能力,通常采用蒙特卡洛打靶法驗(yàn)證,使炮射方向?yàn)閤,與x在水平面垂直的方向?yàn)闄M向z,高度為y,根據(jù)打靶結(jié)果得到的均方差σx,σy,可根據(jù)下式得到圓概率誤差的計(jì)算結(jié)果:

(2)

式中:σ1=max{σx,σz},σ2=min{σx,σz}。在計(jì)算圓概率誤差過(guò)程中,大多都是按照落點(diǎn)x、z相互獨(dú)立且滿(mǎn)足正態(tài)分布計(jì)算[19-20]。圓概率誤差數(shù)值可以反映出彈道的一些基本特征,如同一種彈藥在同一發(fā)射條件下,無(wú)控與有控下的圓概率誤差存在很明顯的差別,因此圓概率誤差可以作為基于空間域特征的安全控制的參考,根據(jù)不同彈藥打擊目標(biāo)的需求,設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)S,并設(shè)定一個(gè)S倍于圓概率偏差的范圍作為解保距離判斷依據(jù),如將GJB373B-2019中對(duì)引信安全距離前1/1 000安全失效率數(shù)值作為依據(jù),根據(jù)正態(tài)分布表確定一個(gè)與基準(zhǔn)彈道參考點(diǎn)相差3.03Rcep的距離范圍作為解保依據(jù)。需要注意的是,安全系數(shù)S存在的意義是提高基于空間域的安全控制的可靠性,當(dāng)系數(shù)過(guò)大時(shí)可靠性得到滿(mǎn)足但在安全性控制上就失去了意義,系數(shù)過(guò)小時(shí)可以保證足夠的安全性,但可靠性難以保證,因此安全系數(shù)S的選擇需要根據(jù)情況而定。

根據(jù)上述內(nèi)容,可以設(shè)計(jì)出兩種基于空間域特征的安全控制方法:單距離特征和“距離+時(shí)序”方法,其中距離指的是實(shí)際彈道采樣坐標(biāo)點(diǎn)與基準(zhǔn)彈道的距離,時(shí)序指的是到達(dá)一定條件后滿(mǎn)足距離要求的一定時(shí)間關(guān)系,在本文中初步定為持續(xù)時(shí)間特征。

如圖4(a)所示,基于單距離特征判斷解保的方法可以類(lèi)比于在時(shí)域中對(duì)環(huán)境激勵(lì)幅值的判斷。以過(guò)頂點(diǎn)后修正彈藥為例分析,可以看出,不修正彈道可以被識(shí)別為異常彈道,正確修正彈道下可以正常解保,但因?yàn)閺椀朗且粭l三維的曲線(xiàn),即使是兩條完全不相似的曲線(xiàn)(如錯(cuò)誤修正彈道與基準(zhǔn)彈道),也可能出現(xiàn)最小距離滿(mǎn)足解保距離要求的情況,故會(huì)在異常彈道情況下給出解保判決,這也是引言中所提到的在新型彈藥中單靠距離這一標(biāo)量作為解保條件不足以滿(mǎn)足引信全壽命周期安全性要求的原因。

圖4(b)所示的改進(jìn)后的“距離+時(shí)序”識(shí)別方法與時(shí)域中“閾值+持續(xù)時(shí)間”的方法是類(lèi)似的,視覺(jué)上像在一段基準(zhǔn)彈道上確定了一個(gè)“通道”,只有實(shí)際彈道滿(mǎn)足了距離條件并達(dá)到了一定時(shí)間后才能判定為正確彈道并給出解保判決,下述內(nèi)容將用“通道”來(lái)簡(jiǎn)化表述“距離+時(shí)序”。

圖4 兩種基于空間域特征的引信安全控制過(guò)程Fig.4 Two fuze safety control processes based on spatial domain features

采用通道識(shí)別的好處是大幅度減小了在錯(cuò)誤彈道下的誤判概率,但是識(shí)別效果與選定的距離與通道長(zhǎng)度(持續(xù)時(shí)間大小)直接掛鉤,很顯然在選取距離一定時(shí),當(dāng)通道長(zhǎng)度過(guò)短,則識(shí)別過(guò)程越接近單距離特征判斷方法,當(dāng)通道長(zhǎng)度足夠長(zhǎng),對(duì)實(shí)際彈道的識(shí)別結(jié)果就越精確,但解保時(shí)間會(huì)相對(duì)延后,且會(huì)對(duì)引信弱硬件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力作出更高的要求。

2.2.1 空間位置判斷方法

一般研究過(guò)程中的距離度量會(huì)選取歐氏距離,但根據(jù)前文的介紹,作為判斷依據(jù)的圓概率偏差在大多數(shù)情況下在x和z方向上的標(biāo)準(zhǔn)差σ具有差異性,且還存在兩方向偏差數(shù)據(jù)相關(guān)的情況,若采用歐氏距離,則會(huì)忽略?xún)煞较蛑笜?biāo)度量的差異性,因此,引入馬氏距離,馬氏距離的計(jì)算公式為

(3)

式中:m和n對(duì)應(yīng)兩個(gè)數(shù)據(jù)組,Σ-1代表多維隨機(jī)變量的協(xié)方差矩陣的逆矩陣。在解算彈道過(guò)程中,m=(xz),n=(μxμz),Σ中各元素表達(dá)為

(4)

由上述兩式可知,當(dāng)式(4)中x,z不相關(guān)(Cov(x,z)=Cov(z,x)=0)且對(duì)角元素相等時(shí),馬氏距離就是歐氏距離;當(dāng)對(duì)角元素不相等時(shí)且x、z不相關(guān),馬氏距離可以簡(jiǎn)化成為

(5)

式中:μx和μz分別為基準(zhǔn)彈道采樣點(diǎn)空間域特征數(shù)值。若取3.03Rcep作為距離邊界,則最大容許馬氏距離DMmax=3.03。上述式子表達(dá)了通道的邊界確定過(guò)程,在實(shí)際測(cè)量中,通道截面應(yīng)與基準(zhǔn)彈道垂直,每一個(gè)截面上橫向軸z長(zhǎng)度不變,縱向軸x相當(dāng)于繞著橫向軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,設(shè)已測(cè)得實(shí)際與基準(zhǔn)點(diǎn)間最小三向坐標(biāo)偏差Δx、Δy、Δz,則計(jì)算得來(lái)的實(shí)際馬氏距離DMr如下所示:

(6)

采用通道方法的判斷依據(jù),就是在規(guī)定時(shí)間t內(nèi),判斷是否一直滿(mǎn)足DMr

2.2.2 時(shí)效性判斷方法

如前文所述,時(shí)效性也是衡量高性能安全控制的重要指標(biāo),故對(duì)時(shí)效性的判斷過(guò)程不能省略。時(shí)效性判斷分為兩方面:總識(shí)別時(shí)間和延時(shí)的判斷。

對(duì)總識(shí)別時(shí)間的判斷,就是從識(shí)別動(dòng)作開(kāi)始后允許的最大識(shí)別時(shí)間tmax。在定采樣頻率下,設(shè)已采到第i個(gè)數(shù)據(jù),則應(yīng)滿(mǎn)足iδ

在對(duì)延時(shí)的判斷上,關(guān)注的是自識(shí)別動(dòng)作開(kāi)始的某一時(shí)間t,與第i個(gè)實(shí)際采樣點(diǎn)中距離最接近的基準(zhǔn)彈道曲線(xiàn)上的理論離散點(diǎn),其相較于在此時(shí)間彈藥本身應(yīng)該在基準(zhǔn)曲線(xiàn)中所處的位置點(diǎn)超前或落后的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)Δi,根據(jù)采樣間隔求出延時(shí)時(shí)間Δt=Δiδ,依據(jù)延時(shí)信息完成對(duì)時(shí)間對(duì)應(yīng)性的判斷,總體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

圖5 時(shí)效性判斷方法設(shè)計(jì)Fig.5 Timeliness judgment method design

3 仿真驗(yàn)證

以某二維修正彈的彈道為例,將正常修正的實(shí)際彈道作為輸入,驗(yàn)證通道識(shí)別方法的可行性與快速性,再以其他情況下彈道作為輸入驗(yàn)證其安全性。

3.1 正常修正彈道仿真

在不同發(fā)射條件和環(huán)境下,誤差導(dǎo)致的實(shí)際彈道情況各不相同,但可以肯定的是,無(wú)論實(shí)際彈道如何變化或采用何種制導(dǎo)與修正方式,這種有控彈藥彈道始終是以貼近基準(zhǔn)曲線(xiàn)或目標(biāo)為目的,因此取文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,可以進(jìn)行管道識(shí)別方法在彈道識(shí)別方面的共性問(wèn)題的仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)來(lái)源于一種炮射衛(wèi)星制導(dǎo)二維修正彈,仿真初速v0=900 m/s,初始射角θ0=35°,射程約25 km,根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)繪制出3種彈道:基準(zhǔn)彈道、修正彈道和預(yù)測(cè)彈道,如圖6所示。

圖6 3種彈道示意圖Fig.6 Diagram of three trajectories

其中,修正彈道的起始點(diǎn)取(15 000 m,6 000 m,55 m),落點(diǎn)取(24 900 m,0 m,5 m),預(yù)測(cè)彈道為不修正時(shí)模擬無(wú)控彈的彈道,落點(diǎn)約為(24 600 m,0 m,90 m),起點(diǎn)取(15 000 m,6 400 m,0 m)。仿真中選擇50 ms的采樣間隔,實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際需求選取采樣間隔。距離匹配窗口長(zhǎng)度取11,即L=5。上述文獻(xiàn)中圓概率誤差數(shù)據(jù)σx=20.681,σz=4.859,則判斷依據(jù)為實(shí)際坐標(biāo)代入式(6)計(jì)算實(shí)際馬氏距離并要求結(jié)果小于3.03即可。設(shè)判斷10個(gè)采樣點(diǎn)滿(mǎn)足管道識(shí)別需求,即需要t=500 ms內(nèi)實(shí)際彈道均處在管道內(nèi),時(shí)延設(shè)置Δtmax=1 s。根據(jù)上列設(shè)置,加載管道識(shí)別方法,識(shí)別結(jié)果如圖7所示,約在實(shí)際彈道x=22 300 m,z=24.679 m處解除保險(xiǎn),每一次計(jì)算距離、匹配和判斷的過(guò)程耗時(shí)49.5 μs,因此即使選擇采樣間隔更小,也具有足夠好的實(shí)時(shí)性?；鶞?zhǔn)和修正彈道采樣點(diǎn)中間的虛線(xiàn)連線(xiàn)代表了在此采樣點(diǎn)發(fā)生了時(shí)延,其中,加號(hào)“+”標(biāo)記代表了在該采樣點(diǎn)的時(shí)間尺度上實(shí)際位置超過(guò)了本應(yīng)該在的位置,反之則用圓圈“o”標(biāo)記,代表了位置上的落后,仿真過(guò)程中產(chǎn)生的的具體時(shí)延量值以及總體量值表示如圖8所示。

圖7 管道識(shí)別方法結(jié)果Fig.7 Result of pipeline recognition method

圖8的左側(cè)縱軸是發(fā)生時(shí)延時(shí)采樣點(diǎn)的位移個(gè)數(shù),右側(cè)縱軸代表了整個(gè)識(shí)別過(guò)程中彈道在各采樣點(diǎn)時(shí)存在的總體延時(shí)。此次仿真過(guò)程在約50～100采樣點(diǎn)處有最大的時(shí)延:位置超前3個(gè)單位,時(shí)間上發(fā)生了150 ms的超前。后直至識(shí)別結(jié)束時(shí),由于發(fā)生了兩次位置滯后,最終時(shí)空對(duì)應(yīng)性數(shù)值結(jié)果為+50 ms,符合設(shè)定的條件范圍,證明管道識(shí)別方法具有足夠的快速性,且能很好地監(jiān)控彈道的時(shí)空對(duì)應(yīng)性并輸出解保命令。

圖8 時(shí)效性量值判斷Fig.8 Timeliness quantity judgement

3.2 其他彈道仿真

根據(jù)制導(dǎo)率的原理,可以通過(guò)對(duì)彈道坐標(biāo)施加加速度產(chǎn)生的位移影響的方式來(lái)構(gòu)建其他彈道模型,為驗(yàn)證通道方法的準(zhǔn)確性和安全性,表1展示了多次改變參數(shù)后得到的識(shí)別結(jié)果。從表中可以得知,序號(hào)1,2表示通道方法可以有效識(shí)別正常彈道信息;3,4表明該種識(shí)別方法存在一定的誤差容忍范圍;1,3,5表明了采用馬氏距離的識(shí)別方法可以識(shí)別出兩個(gè)方向偏差的差異性;6,7,8表明該種識(shí)別方法在異常彈道情況下會(huì)因多種判別邏輯的存在而保證對(duì)異常彈道情況的準(zhǔn)確剔除。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證表明,通道識(shí)別方法可以滿(mǎn)足引信安全系統(tǒng)的快速性需求,參數(shù)設(shè)置合理時(shí)能夠保證足夠的安全性。

表1 不同參數(shù)下識(shí)別結(jié)果Table 1 Recognition results under different parameters

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于空間域特征的引信安全控制方法,也稱(chēng)通道識(shí)別方法,該方法能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出彈藥飛行過(guò)程中的位置信息與基準(zhǔn)彈道曲線(xiàn)的空間位置差異,同時(shí)具備對(duì)時(shí)效性的把握,利用空間與特征實(shí)現(xiàn)引信的安全控制。該方法利用馬氏距離來(lái)度量空間位置差距,建立距離匹配窗口的方式來(lái)確定兩彈道間最接近的采樣點(diǎn),并基于此過(guò)程記錄下識(shí)別時(shí)間與時(shí)間對(duì)應(yīng)性(時(shí)延)信息作為時(shí)效性依據(jù)之一,用馬氏距離數(shù)值作為距離解保依據(jù)并判斷是否小于最大容許距離差作為位置判斷依據(jù),再根據(jù)滿(mǎn)足要求的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)推算出滿(mǎn)足距離條件的時(shí)間作為時(shí)效性判斷依據(jù)之二,上述3種判斷依據(jù)在邏輯上進(jìn)行與運(yùn)算構(gòu)成了通道識(shí)別方法。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證可知,本文的識(shí)別方法擁有足夠的快速性與安全性,能夠識(shí)別出多方向距離的差異性,對(duì)修正彈道有一定的誤差容忍范圍,對(duì)異常彈道能夠通過(guò)邏輯判別準(zhǔn)確篩出,證明了基于空間域特征的安全系統(tǒng)解保方法的可行性,為引信安全系統(tǒng)高性能安全控制提供了一種新的設(shè)計(jì)思路,并為解保策略的設(shè)計(jì)提供參考。