基于SAR的遠程精確打擊應用

佘燕翔，張海峰，曹唯偉

（中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，江蘇 無錫 214063）

基于SAR的遠程精確打擊應用

佘燕翔，張海峰，曹唯偉

（中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，江蘇 無錫 214063）

利用SAR（合成孔徑雷達）探測識別并將目標定位，將目標的位置信息送給制導炸彈，通過制導炸彈精確打擊目標，實現(xiàn)防區(qū)外精確打擊或戰(zhàn)略轟炸是遠程轟炸的發(fā)展趨勢。對聯(lián)合直接攻擊彈藥（JDAM）的研發(fā)情況進行了描述，結合當前SAR的發(fā)展狀況，對采用SAR圖像進行目標識別定位，通過制導武器進行防區(qū)外武器投放精確打擊地面固定目標探討，提出了基于SAR進行制導武器投放控制的一種思路。

聯(lián)合直接攻擊彈藥，小直徑炸彈，合成孔徑雷達，轟炸，制導

引言

國外戰(zhàn)斗機和轟炸機已裝備SAR用于對地精確打擊，如F-15戰(zhàn)斗機和F/A-18戰(zhàn)斗轟炸機以及B-2、B-2A轟炸機。美國西屋公司的AN/APG-76多模式合成孔徑雷達已經(jīng)出口以色列，用于裝備F-4E空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機，SAR分辨率為1 m～0.3 m、可投放空地導彈及聯(lián)合直接攻擊彈藥。

美國AN/APQ-181配裝B-2飛機，在高度13300 m，可同時攻擊32個目標，其SAR2模式可進行目標識別、定位，可用AGM-154C滑翔炸彈進行攻擊，投放JDAM及各種炸彈。

目前，美軍現(xiàn)役戰(zhàn)機如B-2A、B-1B、B-52、 F-22A、F-16C/D/E/F、F-15E、F-117A、F-14A/B/D、AV－8B、P-3C；S-3B等裝備有SAR功能的雷達，都可以投放JDAM，只是海、空軍飛機投放的型號略有差別。

根據(jù)Increment3.1升級計劃，F(xiàn)-22A“猛禽”戰(zhàn)斗機將獲得合成孔徑雷達，小型SDB炸彈投放能力以及電子戰(zhàn)設備。

用光學轟炸瞄準具或常規(guī)轟炸雷達進行瞄準投放常規(guī)炸彈的方法已不適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。制導炸彈已成現(xiàn)代戰(zhàn)爭中空對地的主要攻擊武器。裝備具有SAR功能的雷達，通過SAR對目標進行精確定位，使用GPS制導炸彈實現(xiàn)精確打擊或戰(zhàn)略轟炸是一種發(fā)展趨勢。

1 JDAM彈藥

衛(wèi)星制導炸彈是在現(xiàn)役普通炸彈上加裝慣性/衛(wèi)星定位（INS/GPS）制導裝置，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)引導、攻擊所指定的目標。有SDB（小直徑炸彈）炸彈、“聯(lián)合直接攻擊彈藥（JDAM）”（增程型號為JDAM-ER）、“聯(lián)合防區(qū)外攻擊武器（JSOW）”（一種由INS/GPS制導的滑翔炸彈），典型代表為美軍的聯(lián)合直接攻擊彈藥，其具有晝/夜、全天候、防區(qū)外、投射后不管、多目標攻擊能力，是最先研制成功的第四代制導炸彈。

美國發(fā)展的制導炸彈型號最多，其次是俄羅斯、法國、以色列、英國和南非等。中國正在研發(fā)一系列防區(qū)外投射的中國版本JDAM制導炸彈。

1.1 JDAM彈藥的組成及原理

JDAM由戰(zhàn)斗部、懸掛螺栓、內(nèi)置1 760數(shù)據(jù)總線接口、保護夾殼、炸彈尾錐體整流罩、尾部舵機、制導艙、電纜和尾部控制舵面等組件組成。實際上是用新的INS/GPS制導組件配合現(xiàn)有的戰(zhàn)斗部、引信和控制組件組裝而成的精確制導炸彈。

圖1是JDAM GBU-32構型示意圖。

圖1 JDAM GBU-32及其分解圖

JDAM的制導系統(tǒng)包括導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。導航系統(tǒng)提供位置和速度信息以及自動駕駛儀所需的彈體角度率和加速度信息；控制系統(tǒng)根據(jù)導航系統(tǒng)提供的炸彈位置和速度信息，與已知的標稱彈道和目標位置信息進行綜合，根據(jù)所設計的控制律控制炸彈飛向目標。

JDAM的彈尾有4片控制舵面，其中3片是可動的，1片是固定的。3片可動舵面根據(jù)任務計算機傳來的控制偏轉指令，不斷調(diào)整炸彈的飛行軌跡。

投彈后，攻擊動作就由JDAM在制導系統(tǒng)的引導下自主完成。JDAM在自由下落過程中，還可分為投放階段、優(yōu)化制導階段和攻擊階段。攻擊動作過程如圖2所示。

圖2 攻擊動作過程示意圖

1.2 JDAM彈藥的性能特性

JDAM制導炸彈的最大射程為28 km，改進型（JDAM-ER）最大射程為75 km～110 km，“小直徑炸彈（SDB）”，是美軍研制中的最新、最輕、真正小型化的JDAM炸彈，GBU-39/B射程74 km。

JDAM具有離軸發(fā)射能力，可在設定的命中角30°左右范圍內(nèi)進行側向攻擊。載機如以12 200 m高度，使用0.8 M的速度投彈，可在限定的區(qū)域內(nèi)攻擊任何目標。所以它可攻擊縱軸24.1 km、橫軸30.4 km橢圓形區(qū)域內(nèi)的目標，命中目標精度為13 m。

JDAM除可由作戰(zhàn)飛機從低、中、高空實施水平轟炸外，還可實施俯沖和上仰轟炸；既可實施定軸轟炸也可實施離軸轟炸；既可同時攻擊多個目標，也可同時攻擊單個目標的不同部位；既可攻擊預定計劃的固定目標，也可攻擊載機飛行過程中發(fā)現(xiàn)的新目標。

2 SAR與目標定位

2.1 SAR的基本性能

SAR是一種能夠遠距離全天候進行高分辨力微波成像的雷達，其分辨力與距離無關；它的高分辨率圖像可以用以精確定位地面目標，它的遠距離成像能力可以用于空對面遠距離精確打擊目標。

SAR的成像距離與雷達的功率等有關，同時也與入射角、高度有關，在雷達的功率等性能參數(shù)一定的情況下，受到入射角和高度的限制。圖3為入射角87.4°時，高度與成像斜距的關系圖。

圖3 87.4°入射角時，斜距與高度關系曲線

對不同的目標進行探測、識別、辨別要求的分辨率不同，如對車輛、地面停放的飛機進行識別，分辨率在0.6 m～1.5 m，識別的分辨率在0.3 m～1 m；對橋梁、軍事駐地、機場設備進行識別，分辨率在2 m～4.5 m，辨別的分辨率在0.6 m～1.5 m?？諏Φ卮驌舻腟AR分辨率通常在0.3 m～1 m。

SAR的不足之處是它不能對載機前方的地形成像，在載機前方航跡線±20°范圍內(nèi)的地形成像效果很模糊，不能用以對目標進行識別定位。

2.2 目標定位

2.2.1 粗定位

粗定位是根據(jù)SAR成像畫面求解畫面上各點的經(jīng)緯度坐標。在SAR的畫面上用十字線壓上目標，然后根據(jù)SAR畫面上十字線所壓目標的距離和方位角及載機的經(jīng)緯高、航向等信息求取十字線指定目標的經(jīng)緯度坐標Ms（λs，Φs）。

如圖4所示，用十字線指定畫面上的攻擊目標M并確認，雷達根據(jù)十字線指定目標M到載機的斜距Rc和孔徑中心方位角θac，結合載機上的INS/GPS提供的載機經(jīng)緯高及相關飛行參數(shù)，通過oxy為圖像坐標系、空間直角坐標系OXYZ、地理坐標系OXEYNZS、地心坐標系OeXeYeZe之間的轉換，可求取SAR圖像各對應像素點的經(jīng)緯度［7］。

圖4 機載SAR成像定位坐標轉換關系圖

機載SAR圖像上每一點的經(jīng)度和緯度分別為：

Re為地球長半徑，Re=6 378 140 m，地球橢球扁率a=1/298.257，地球短半徑Rp=（1-a）Re。xe、ye、ze為目標M在地心坐標系OeXeYeZe中投影。

2.2.2 精確定位

精確定位是以SAR圖像上點Ms（λs，Φs）為中心，在衛(wèi)星數(shù)字地圖上提取以Ms（λs，Φs）為中心的衛(wèi)星數(shù)字地圖圖像作為基準地形圖像，采用基于特征匹配的圖像匹配方法將以Ms（λs，Φs）為中心的SAR圖像和衛(wèi)星數(shù)字地圖圖像進行特征匹配，將SAR圖像平移、旋轉后與數(shù)字圖像重合，依據(jù)衛(wèi)星數(shù)字地圖中各點的經(jīng)緯度坐標來度量SAR圖像上各點的經(jīng)緯度坐標。

3 基于SAR的轟炸控制與瞄準

3.1 轟炸原理

以水平轟炸為例進行探討。采用連續(xù)計算投放域（CCRR）的原理進行瞄準轟炸。

CCRR瞄準的基本原理：在載機接近目標的過程中，由機載火力控制系統(tǒng)不間斷地、實時地計算出載機正確投彈區(qū)域（投放域），并與載機現(xiàn)實位置進行比較，從而求出載機到投放域的機動飛行信息，由飛行員操縱載機向投放域飛行，當載機飛行到投放域（“籃筐”）內(nèi)，控制系統(tǒng)自動發(fā)出投彈信息。

不同的制導炸彈其投放域不同，它的形狀和大小取決于載機飛行高度、速度、離軸角、制導炸彈的氣動參數(shù)與彈體參數(shù)等。下頁圖5是連續(xù)計算投放域CCRR的投放示意圖。

3.2 彈藥分配

在成像畫面上指定要轟炸的目標，并獲取目標位置信息，SAR畫面上指定的目標自動填入目標區(qū)?？梢杂枚鄠€炸彈打擊同一個目標，也可以用一個炸彈打擊一個目標。彈藥的分配可以由轟炸員人工分配，也可以自動分配。

圖5 連續(xù)計算投放域CCRR示意圖

目標用M表示，炸彈位號用B表示。根據(jù)畫面上的彈藥分布表進行分配并在畫面上顯示分配結果。如圖6所示的目標/彈藥分配。

圖6 目標/彈藥分配示意圖

3.3 瞄準

3.3.1 方位瞄準

通過SAR將目標定位后，設目標的經(jīng)緯度為M（λ1，Φ1），載機的即時經(jīng)緯度為F（λ2，Φ2）。

載機位置F點到目標位置M兩點連線相對于正北的夾角（方位角）Km為：

其中：Δλ=λ1-λ2，ΔΦ=Φ1-Φ2

方位瞄準原理如圖7所示。

設轟炸區(qū)域中部目標M（λ1，Φ1）與載機F（λ2， Φ2）點的連線為瞄準線，根據(jù)M（λ1，Φ1）與F（λ2，Φ2）點的經(jīng)緯度坐標實時計算瞄準線的瞄準角Km，同時計算方位轉彎信號ΔK（即方位瞄準誤差），ΔK= Km-（Kj+Ψ），方位瞄準的過程就是操作飛機使ΔK= Km-（Kj+Ψ）逐步趨于0的過程。ΔK＞0時，飛機向右轉，ΔK＜0時，飛機向左轉，可根據(jù)畫面上的提示進行人工瞄準，也可通過全球定位輔助瞄準系統(tǒng)自動瞄準。在轟炸學中，Ψ是由于退曳Δ引起的橫偏角，與制導炸彈的離軸角相比可忽略。

圖7 方位瞄準原理示意圖

3.3.2 距離瞄準

距離瞄準是在完成方位瞄準后，在飛機進入正確的轟炸航線前提下，繼續(xù)按轟炸航線飛行，使飛機到瞄準點（目標M）的距離滿足彈藥的投放條件。即根據(jù)載機飛行高度、速度，制導炸彈的離軸角、氣動參數(shù)與彈體參數(shù)等實時計算彈藥的射程Ax并與飛機到瞄準點的距離FM比較，當FM-Ax≤0，完成距離瞄準。

3.4 投放

當滿足投放條件時，“籃筐”閃爍，說明投彈初始條件已經(jīng)建立，可投射JDAM炸彈。對以多目標攻擊，需要實時計算攻擊多個目標的投放條件。

投放條件如下：

4 精確打擊應用流程構想

4.1 地面準備

制定作戰(zhàn)任務計劃，內(nèi)容包括明確作戰(zhàn)目標、預計使用的彈藥準備、預定航線準備、備用航線準備、雷達功能使用準備、航線上主要航路點設定、4顆跟蹤衛(wèi)星以及備份衛(wèi)星的序號、制導炸彈數(shù)量、預定投彈點位置坐標以及投彈初始條件、命中目標時的參數(shù)（如命中角）、執(zhí)行任務需要的數(shù)字地圖等。將任務計劃內(nèi)容通報作戰(zhàn)飛行人員，并將制成的作戰(zhàn)計劃任務數(shù)據(jù)裝入機載任務計算機。

作戰(zhàn)計劃任務航線如圖8所示。

計劃打擊目標M，設置航路點A、B、C、D、E、F、T。載機從A點出航，沿航路線飛行，到達B點后進入航路，在BC段進行空中準備，CD段成像尋找目標，DE段高分辨率成像定位，EF段進行彈藥分配和裝訂目標數(shù)據(jù)，F(xiàn)T段瞄準，進入投放域后開彈艙投彈。

圖8 作戰(zhàn)計劃任務航線準備

4.2 空中準備

設置航路點，根據(jù)導航畫面，沿預定航線出航。接通制導炸彈電源進行自檢測，然后加載任務數(shù)據(jù)。

如圖8所示，到達預定航線點B時，進行空中傳遞對準，將機載INS/GPS系統(tǒng)的全部導航信息，傳遞給彈載INS/GPS系統(tǒng)，并加上精確的時間標記，以便對每顆INS/GPS制導炸彈進行標定，以保證在一個穩(wěn)定精確的坐標系統(tǒng)中完成瞄準和攻擊任務。

4.3 目標成像及定位

如圖8所示，到達預定航線點C時，雷達開輻射，飛機沿CD航線飛行，先用RBM（真波束地形測繪）方式扇掃COP區(qū)域，用十字線壓上預定攻擊目標M位置，雷達天線指向目標M區(qū)域，對M點周圍地形進行寬幅前斜視成像尋找目標，當畫面上出現(xiàn)橋梁時，鎖定畫面，雷達自動保存圖像數(shù)據(jù)并完成圖像匹配，用十字線壓上橋梁目標M（λ，Φ）的具體位置，如圖8中ST1圖像。

以M（λ，Φ）點為成像中心，雷達轉入高分辨率SAR成像，飛機沿DE航線飛行，當畫面上出現(xiàn)橋梁時，鎖定畫面，雷達自動保存圖像數(shù)據(jù)并完成圖像匹配，用十字線壓上橋梁上想要轟炸的位置，并通過“確認”按鍵確認要轟炸的目標，如圖8中ST2畫面，通過十字線可對畫面上任意目標進行精確標定，標定的目標將在畫面上給出目標標識符和目標編號，目標信息包括經(jīng)緯度坐標、目標編號等保存到目標列表中。經(jīng)圖像匹配后的SAR圖像保存在圖像存放區(qū)以便調(diào)用。

一旦完成目標定位，雷達就可以關閉輻射。

4.4 彈藥分配及數(shù)據(jù)裝訂

在EF段，進入方位瞄準過程的同時，轟炸員從SAR圖像存放區(qū)提取已標定目標的畫面，通過“彈藥分配”控制鍵彈出“目標/彈藥分配表”（見圖6），根據(jù)指定的目標，從目標數(shù)據(jù)區(qū)和彈藥區(qū)選擇目標和彈藥，選中的目標和彈藥自動發(fā)送到“目標/彈藥分配表”中。確認目標/彈藥分配表，如果要調(diào)整彈藥分配，可以對目標/彈藥分配表進行調(diào)整，一旦確認無誤，即可通過“裝訂數(shù)據(jù)”命令鍵，按照目標/彈藥分配表的配置將載機的經(jīng)緯高、速度、所要攻擊目標的坐標、炸彈命中角數(shù)據(jù)及所要跟蹤的每個衛(wèi)星的星歷表、GPS絕對時間和電離層/對流層延時估算值等，通過數(shù)據(jù)總線裝入彈載任務計算機。“目標/彈藥分配表”見圖6所示。

4.5 瞄準和攻擊

在FT段進行瞄準，通過“瞄準攻擊”畫面進行瞄準攻擊，如圖9所示。

圖9 瞄準攻擊畫面

攻擊畫面上具有載機位置標識符、目標標識符、載機F到目標M的實時瞄準角、目標相對于載機的距離、方位瞄準誤差ΔK控制信息、籃筐、瞄準線、方位操縱線、載機高度、航速、航向等信息。多目標打擊時，轟炸員在SAR畫面上從轟炸的目標中選擇一個中部的目標進行瞄準，瞄準可人工完成，也可以自動完成。

首先進行方位瞄準，方位操縱線與瞄準線重合后進行距離瞄準，當載機飛到距目標一定距離時，打開機身下的武器艙門，投射架處于彈射投放準備狀態(tài)；當載機飛進入“籃筐”之內(nèi)時，“籃筐”閃爍，目標進入制導炸彈有效打擊距離范圍內(nèi)，表示投彈初始條件已經(jīng)建立，可投射JDAM炸彈。

可由火控計算機控制自動投彈，也可以人工投彈。炸彈與載機安全分離后，彈載GPS接收機一旦快速截獲機載GPS接收機所跟蹤的4顆選定衛(wèi)星，炸彈便進人自主攻擊預定目標階段，各自沿預定彈道飛向各自目標或同一目標的不同部位。

炸彈從武器艙內(nèi)按預定順序投放完畢，載機立即關閉艙門并沿預定航線返航。也可通過SAR對轟炸區(qū)域再次成像，對轟炸效果進行評估。

5 結束語

和傳統(tǒng)的轟炸方式相比，采用SAR進行目標精確定位，然后根據(jù)目標的位置操作飛機轉彎飛行進行瞄準，采用GPS制導炸彈對目標實施遠距離精確打擊，是未來精確打擊的發(fā)展趨勢。本文的研討為精確打擊提供了一種思路和設想，對于精確轟炸技術發(fā)展具有積極的推動作用，文中還有許多技術要點有待進一步深化研究。這種基于SAR的精確打擊技術不但可以用于機載武器火控系統(tǒng)，也可以用于導彈末制導精確打擊中。

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Discussion on Application of Long-range Precision Attack Based on SAR

SHE Yan-xiang，ZHANG Hai-feng，CAO Wei-wei
（Radar and Avionics Institute，Aviation Industry Corporation of China，Wuxi 214063，China）

The target is detected，recognized and located by using SAR，and the target location information is sent to the guidance bomb.The target is attacked precisely by guidance bomb;therefore，to realize standoff precision attack or strategic bombing is the trend for long-range bombing.This paper focuses on the development of Joint Direct Attack Munition（JDAM）.According to the development of SAR technology，the situation of conducting target recognition and location via SAR image and standoff weapon delivery to attack ground fixed target by guidance weapon is discussed.Finally an idea for guidance weapon delivery control based on SAR is presented.

JDAM，SDB，SAR，bombing，guidance

TJ630

A

1002-0640（2014）09-0005-06

2013-07-15

2013-09-06

佘燕翔（1957- ），男，云南玉溪人，研究員。研究方向：機載火控雷達總體技術、轟炸雷達總體技術。