多源信息融合的引制一體化技術研究

商旭升， 史志忠

(1.海軍研究院，北京 100161； 2.上海航天技術研究院，上海 200233)

在空戰(zhàn)中,壓制和摧毀敵方的預警飛機、反潛機、電子干擾機和偵察機等是取得局部制信息權，奪取戰(zhàn)場優(yōu)勢的重要環(huán)節(jié)。攻擊這類機動輻射源的活動目標,最有效的方法是反輻射導彈。當前，先進預警機的最大升限已達到近12000 m,而且速度和機動性能都有了很大的進步,特別是在面臨威脅的情況下，可通過短時關機躲避打擊。為此,發(fā)展一種綜合使用多種探測手段，在高空快速攻擊預警機的反輻射導彈武器成為重要的發(fā)展方向。

隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜，目標性能的日益提高,作戰(zhàn)空域的不斷擴大,導彈與目標的交會情況變得十分復雜,導彈引信要完成對目標的識別、精確定位、最佳殺傷需要更多的信息。因此必須采取一系列措施以提高引信與戰(zhàn)斗部的配合效率。開展制導引信一體化(Guidance Integrated Fuze,GIF)技術研究[1],綜合利用制導引信提供的彈目交會信息實現自適應起爆控制是提高引戰(zhàn)配合效率的最佳途徑之一。具體地說,一體化是指近炸引信和導引頭在工作體制、結構和電路設計及信號處理等方面綜合考慮，以便引信系統(tǒng)能充分利用彈上制導探測設備所提供的信息，計算出目標相對彈體最佳起爆方位角、最佳延遲時間等參數，自適應控制戰(zhàn)斗部起爆，提高引-戰(zhàn)配合效率，其中心內容是信息共享和設備共用，最終目的是提高引戰(zhàn)配合效率、抗干擾性和可靠性。

目前國內外空空導彈末制導導引頭多采用被動紅外、微波雷達和毫米波雷達導引頭,這些導引頭雖然在一定程度上滿足末制導段識別和跟蹤目標的要求,但存在低的探測概率和不可接受的高的虛警概率問題。傳統(tǒng)引信一般采用環(huán)視探測方式,探測高速交會目標存在的問題是炸點可能滯后,戰(zhàn)斗部破片往往落在目標的尾部,極大地影響了對目標的毀傷效果。采用GIF設計技術,在彈道終端將導引頭探測器作為引信探測器使用,通過共享導引頭數據的方式實現前視探測,使得引信系統(tǒng)能夠充分獲取雙模導引頭提供的彈目交會信息，實現最佳起爆控制,提高引戰(zhàn)配合效率。對于前向探測引信,剩余飛行時間是一項非常重要的參數,它和其他參數 (如彈目接近速度、脫靶量、 破片飛散速度、 視線角和目標易損部位等) 一起，通過特定的算法確定戰(zhàn)斗部的最佳起爆時間[2]。

武器系統(tǒng)的最終目的是實現對目標的最大殺傷。GIF中心內容是信息共享和設備共用。本文通過對反輻射導彈技術和預警機目標特性綜合分析,利用某型導彈為基礎,將某型艦載預警機作為攻擊目標，初步設計了引戰(zhàn)配合系統(tǒng)技術方案。在引戰(zhàn)配合過程中，綜合利用導彈制導和引信測量信息進行引戰(zhàn)配合技術研究，在末端制導過程中根據目標與導彈的相對運動信息進行實時彈目交會情況預測，建立了最佳起爆時機、起爆方向、目標殺傷概率等系統(tǒng)建模，最后通過仿真計算驗證了引戰(zhàn)配合系統(tǒng)方案的有效性。

1 目標特性分析

GIF系統(tǒng)對于目標特性的研究主要包括3個方面：① 目標近場散射特性直接影響近炸引信啟動特性；② 目標易損特性直接影響戰(zhàn)斗部的殺傷性能；③ 目標運動和體型特性直接影響引戰(zhàn)配合效果，在引戰(zhàn)配合規(guī)律設計時，應充分考慮不同目標類型的影響。

1.1 目標近場散射特性分析

引戰(zhàn)系統(tǒng)必須根據采用的近炸引信類型和參數，如無線電或者激光、工作波段、發(fā)射信號、天線方向圖、可能的交會條件等參數，對典型目標的近場散射特性開展專項研究。預警機其體型大于常規(guī)作戰(zhàn)飛機，機身無特殊的隱身設計，或者未見涂覆隱身材料的報道，其遠距離、整機條件下的雷達散射截面積(RCS)大于常規(guī)作戰(zhàn)飛機的RCS值，約為100.0～200.0 m2。另外，預警機具有極強的主動電磁干擾能力。

根據上述某型預警機目標近場散射特性的初步分析，可以概括目標的近場散射特點為：散射特征強、電磁干擾能力強。因此，近炸引信考慮采用毫米波無線電+激光引信復合工作方式，其中，毫米波無線電引信為主引信，激光引信作為輔助探測裝置，主要用于無線電引信受干擾情況下替代無線電引信完成對目標的檢測。

1.2 目標易損特性分析

防空導彈戰(zhàn)斗部對目標造成毀傷就是要破壞目標的各種功能，使其不能完成預定的作戰(zhàn)任務，喪失作戰(zhàn)能力。大多數情況下，用來評價飛機破壞程度的常用級別是“C”級和“KK”級，預警機的毀傷等級可以按此評估。

為了對預警機目標易損性進行定量研究，根據某預警機的特點，暫將其劃分為11個要害艙段，包括：駕駛員、電傳系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力裝置、電氣系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、電子設備、起落架系統(tǒng)、機翼和圓盤天線。初步分析，可以概括目標的易損特點為：易損艙數量眾多、體積龐大、分布廣泛、防護薄弱。因此，導彈戰(zhàn)斗部采用大飛散角+聚焦破片殺傷式方案最為合適，可以依靠大飛散區(qū)數量眾多、分布范圍廣的破片對目標要害部位進行廣泛打擊，依靠聚焦區(qū)密度擊中的破片流對目標結構部件進行集中打擊。這種類型的戰(zhàn)斗部對飛機類目標具有打擊距離遠、空間覆蓋廣、毀傷效果好、引戰(zhàn)配合適應性好等諸多優(yōu)點。

1.3 目標運動和體型特性分析

目標預警機飛行高度為5～12 km，飛行速度為0.4～0.7 Ma，機動能力為1.0～2.5g，機體長度為17.60 m，翼展為24.56 m，高度為5.58 m。因此，目標E-2D飛行速度慢、機動能力弱、體型龐大，有利于實現良好的引戰(zhàn)配合效果，建立的預警機仿真技術模型如圖1所示。

目標的運動特性主要指目標運動的速度、高度、位置、姿態(tài)、軌跡和機動等。這些運動參數確定了彈目交會時目標的運動狀態(tài)，它應用于導彈引戰(zhàn)配合中的各個方面。目標特性單體應用框架如圖2所示。

圖1 預警機仿真技術模型

圖2 目標特性單體應用框架

2 GIF設計的基本原理

GIF是指引信啟動區(qū)和戰(zhàn)斗部動態(tài)殺傷區(qū)最大限度的重合，以追求盡可能高的引戰(zhàn)配合效率。反輻射導彈攻擊動態(tài)空中時，由于目標速度變化范圍大及其機動范圍廣、機動能力強，增加了引戰(zhàn)配合的難度,必須使導彈在全部交會條件下或至少是較寬交會條件下，都有最佳的引戰(zhàn)配合效率和強的抗干擾能力。由于導彈引信系統(tǒng)獲得的信息有限，要完成精確起爆點控制，有必要從武器系統(tǒng)一體化設計出發(fā)，將引信系統(tǒng)和制導系統(tǒng)看成是兩個相互關聯(lián)的整體來考慮。

2.1 GIF概念

從系統(tǒng)論角度看，對一系統(tǒng)的系統(tǒng)元素保持不變而對之進行重構會導致系統(tǒng)功能質的飛躍，當然對其中大量信息的處理和有用信息的提取以及可靠控制方面,依賴于信號處理技術、探測技術和微電子技術等的發(fā)展。

其描述的GIF信息系統(tǒng)[3](見圖3)的含義如下。

把輸入信息劃分成制導輸入信息：μl1,μl2,…,μlq-1(包括地面站給的)，引信輸入信息μiq,μiq+1,…,μin。

制導輸入信息μl1,μl2,…,μlq-1控制導彈對目標的跟蹤，在遠距離時可表示為

圖3 引制一體化信息系統(tǒng)

Kck=Kck(μi1,μi2,…,μip-1,0,…,0)，k=1,2,…,r

(1)

Kfj=0，j=1,2,…,s

(2)

制導輸入信息μi1,μi2,…,μip-1和引信輸入信息μq,μq+1,…,μln，在近距離跟蹤(包括遭遇段)目標和引爆戰(zhàn)斗部，此時可表示為

Kck=Kck(μi1,μi2,…,μin)，K=1,2,…,r

(3)

Kfj=Kfj(μi1,μi2,…,μin),j=1,2,…,s

(4)

也就是在近距離時,制導系統(tǒng)利用制導輸入信息和引信輸入信息完成導彈近距離制導誤差修正,并給出了引爆指令,有的現代防空導彈引信除利用了導引頭信息外,還參于了制導,例如在遭遇前給出測高信息,修正飛行彈道,以避免導彈碰地起爆,導引頭天線和引信天線共用。

上述是GIF的信息論含義,其揭示出引信參于終點制導(或引信終點制導)和引信輸出指令利用了導引信息,從而有更高的引戰(zhàn)配合效率、抗干擾性、可靠性。

2.2 制導信息形成與傳輸

隨著微電子技術的飛速發(fā)展以及微型計算機在導彈中的廣泛應用,制導系統(tǒng)獲取的對目標的原始探測信息,首先送往彈載計算機,再由彈載計算機對這些信息進行提煉和融合，形成制導信息,然后傳輸給引信。

制導控制系統(tǒng)中制導采用光學捷聯(lián)慣導/衛(wèi)星組合導航，末制導采用低頻寬帶被動雷達導引頭+主被動復合雷達導引頭。

中制導采用成熟的組合導航技術，在衛(wèi)星信號不可用情況下，光學捷聯(lián)慣導的慣性導航精度可以滿足導彈作戰(zhàn)使用要求；在衛(wèi)星信號可用的情況下，自動利用衛(wèi)星定位信息修正慣性導航誤差，可以將導航精度進一步提高。低頻寬帶被動雷達導引頭可覆蓋預警機雷達的S～P波段，其被動探測天線擬安裝于導彈彈翼表面或彈身表面，可在導彈亞聲速超低空飛行過程中實現對預警機目標的航向和俯仰方位測定，并可通過一定的彈道機動和相應的被動定位算法實現對目標的粗定位。主被動復合雷達導引頭可在主被動交班后實現對預警機目標的快速準確定位，為后續(xù)打擊提供必要條件。

根據反輻射導彈的實際情況，引戰(zhàn)配合調整變量為導彈速度矢量、彈體姿態(tài)角、彈目相對速度矢量、目標類型、目標距離、目標方位角、早晚到。其獲取途徑初步估計如下。

① 導彈速度矢量：包括速度大小和在彈體坐標系中攻角和側滑角兩個指向角，由導彈慣性導航系統(tǒng)提供。

② 彈體姿態(tài)角：包括彈體俯仰角、偏航角和滾動角共3個姿態(tài)角，由導彈慣性導航系統(tǒng)提供。

③ 彈目相對速度矢量：包括相對速度大小和在彈體坐標系中傾角和方位角2個指向角，由制導控制系統(tǒng)提供。

④ 目標類型：由武器系統(tǒng)提供，默認為預警機E-2D。

⑤ 目標距離：定義為彈體坐標系中，引信啟動時刻目標相對引信距離，由引信測定。

⑥ 目標方位角：定義為彈體坐標系中，引信啟動時刻目標相對方位角，由引信測定。

⑦ 早晚到：定義為引信波束探測到目標前，導彈縱軸延長線是否觸及目標，已觸及為晚到，否者為早到，由引信測定。

制導引戰(zhàn)一體化信息融合設計分析如表1所示。

表1 復合制導與引戰(zhàn)配合一體化數據分析

3 GIF設計的初步方案

巡航導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)涉及目標、引信和戰(zhàn)斗部等3個方面協(xié)調與配合，GIF設計就是針對作戰(zhàn)目標特性，依據防空作戰(zhàn)需求，在導彈武器總體方案約束下，基于引信利用制導系統(tǒng)信息的前提，建立多變量自適應延遲時間引戰(zhàn)系統(tǒng)方案，提供了一種在制導信息的有限性、非適時性和不精確性等情況下，提高引戰(zhàn)配合效率的解決方案。

導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)是在引信探測到目標，引信報警后，引信根據導彈速度矢量、彈體姿態(tài)角、彈目相對速度矢量、目標類型、目標距離、目標方位角、早晚到等多個外部變量，自動按引戰(zhàn)配合規(guī)律進行全公式數字計算，得到對應的延遲時間，延時結束，引信再輸出引爆指令，引爆戰(zhàn)斗部殺傷目標。導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)主要組成部分如圖4所示。

圖4 引戰(zhàn)系統(tǒng)基本組成

其中，近炸引信采用毫米波無線電引信+激光引信復合引信。毫米波無線電引信為主引信，激光引信作為輔助探測裝置，主要在無線電引信受干擾情況下替代無線電引信完成對目標的檢測。兩者復合可以探測信息融合，降低引信虛警概率，降低引信被干擾概率，增加引戰(zhàn)配合可用信息量，保證全天候條件下對目標E2D的正確探測，提高引戰(zhàn)配合效果。

為了提高對預警機的毀傷效果，需要采用末段制導與引戰(zhàn)配合一體化技術[4]。充分利用導引頭、慣導和引信本身提供的導彈與目標信息需要在末端制導過程中根據目標與導彈的相對運動信息進行實時彈目交會情況預測，結合實現給定的目標幾何特征信息，對最佳起爆時機、起爆方向進行實時計算，并調整彈體姿態(tài)運動，實現彈體姿態(tài)、彈目交會的主動優(yōu)化。從而在進入引信作用范圍后，引信適時起爆，得到更好的毀傷效果。

引戰(zhàn)配合規(guī)律在引信DSP軟件中實現。當引信探測到目標，引信報警后，引信自動根據外部變量實時數字計算對應的最佳延遲時間，延時結束，引信再輸出引爆指令。

戰(zhàn)斗部采用預制破片殺傷式。破片在彈軸方向分布采用聚焦+大飛散區(qū)方式，在安執(zhí)裝置的引爆作用下，爆炸后形成高速破片和沖擊波，實現對目標的殺傷，保證復雜彈目交會條件下對目標要害部位、機體結構等的有效殺傷。戰(zhàn)斗部各段飛散角示意如圖5所示。

圖5 飛散角示意圖

4 一體化的引戰(zhàn)配合計算分析模型

隨著防空導彈技術的迅速發(fā)展和武器裝備的不斷更新,為提高防空導彈的作戰(zhàn)效能，對導彈引戰(zhàn)配合系統(tǒng)提出了更高的要求,本文綜合利用制導信息、引信信息，建立了最佳延遲時間和戰(zhàn)斗部定向起爆方位角計算模型、引信探測與啟動模型、目標殺傷概率計算模型等。

4.1 一體化引信系統(tǒng)定向起爆控制算法

本文所研究的反輻射導彈的制導信息非常豐富,這些信息可以極大地緩解引信在探測和識別目標時面臨的信息匱乏的問題[5]。

4.1.1 最佳延遲時間計算模型

從導引頭失控到引信起爆戰(zhàn)斗部,其時間是非常短暫的,因此可以假定在這段時間內目標以相對速度vMT(彈體坐標系下)接近導彈[6]。圖6為彈體坐標系下彈目交會示意圖。圖6中,O1為引信天線饋心位置,O為戰(zhàn)斗部中心,在彈目相對運動過程中,引信天線波束中心首先探測到目標表面邊緣點A,由于此時目標的反射能量還不足以啟動引信,因此彈目間繼續(xù)以vMT做勻速相對運動。當引信天線波束中心探測到B點時,目標表面的反射能量使引信啟動,B點即為引信啟動點。A點與B點之間的距離被稱為卷入深度(L0)。此時,引信測得O1點到B點的距離ρ1,從此開始經延遲時間t后,引信起爆戰(zhàn)斗部,其破片飛散ΔT后擊中目標C點,B點與C點之間的距離被稱為偏移矢量(BC)。指向B點的矢量RB可由引信探測信息確定,指向C點的矢量RC可表示為RB和BC的函數,根據彈目相對速度矢量VMT、目標類型,引信可以實時選取BC。

由矢量VMT、RB、RC結合戰(zhàn)斗部飛散參數可求出C點穿過戰(zhàn)斗部錐體的時間及最佳延遲時間t。

圖6 彈體坐標系下彈目交會示意圖

4.1.2 起爆方位角的計算模型

延遲t后,C點將會落入戰(zhàn)斗部飛散區(qū),成為F點(如圖7所示) ,指向F點的矢量RF在彈體坐標系OYMZM平面的投影與YM之間的夾角即為起爆方位角β。矢量RF可由矢量RC和C點穿過戰(zhàn)斗部錐體的時間來描述,因此起爆方位角β也是矢量VMT、RB、RC和戰(zhàn)斗部飛散參數的函數。

圖7 彈體坐標系下目標落入戰(zhàn)斗部飛散區(qū)示意圖

為獲得完全理想的引-戰(zhàn)配合[7]，在最一般的情況下，需要引信和制導系統(tǒng)提供下述信息：

① 相對速度與彈軸的夾角Ωr和相對速度的方位角ωr。

② 相對速度vr及3個速度分量vrx，vry，vrz。

③ 脫靶量ρ及脫靶點的坐標。

④ 基準點的角位置ω0或彈-目距離R0。

除上述參數之外，戰(zhàn)斗部的參數如破片飛散速度v0亦必須知道。 當然，上述參數可以相互導出。例如知道vr、Ωr和ωr時，就相當于給出了相對速度矢量，3個速度分量就迎刃而解了。

4.2 引信探測與啟動模型

當目標有效散射點進入引信天線主瓣區(qū)，無線電引信接收機通道接收到的目標回波信號滿足多普勒頻率和能量要求時，無線電引信就給出啟動信號[8]。因此無線電引信啟動方程由式(5)、式(6)組成，即回波多普勒頻率計算公式和相對回波功率公式。

目標回波多普勒頻率fd計算公式為

(5)

式中，Vr為彈目相對速度(m/s)；λ為工作波長(m)；θ為目標散射點和引信天線口連線與相對速度的夾角(弧度)。

主動式雷達無線電引信相對靈敏度計算公式為

(6)

式中，Gt為發(fā)射天線增益；Ft(φ)為發(fā)射天線方向性系數；Gr為接收天線增益；Fr(φ)為接收天線方向性系數；φ為目標散射點和引信天線口連線和彈軸夾角(弧度)；σt為目標等效的雷達散射截面積(m2)；R為彈目距離(m)。

主動式激光引信采用扇形視場探測方式，回波功率Prt計算式為

(7)

式中，PF為激光器發(fā)射功率；TF為發(fā)射光學系統(tǒng)總效率，取0.85；TC為接收光學系統(tǒng)總效率，取0.8；TQ為大氣透過率，取0.99；ρF為物體表面反射率，取0.3；θ為視線與物體表面法線之夾角，取45°；L為被發(fā)射視場覆蓋的目標部位的長度(投影值)，取0.5 m；SG為接收光學系統(tǒng)有效通光面積，取π×4 m×4 m(Ф8 mm)；φF為發(fā)射視場的視野角，取60°；RT為作用距離。

4.3 目標殺傷概率計算

目標被戰(zhàn)斗部殺傷形式主要有5種，即單枚破片的機械擊毀作用、單枚破片的引燃作用、單枚破片的引爆作用、密集破片流作用和沖擊波作用。

因此，目標易損性模型就按對應的戰(zhàn)斗部5種殺傷形式建立相應的易損艙，各易損艙所用的易損參數按照俄羅斯提供的典型目標易損艙參數確定[9]。單個易損艙的殺傷概率按各自的殺傷規(guī)律計算[10]，整個目標的殺傷概率為

(8)

式中，m為目標易損艙段總數；Pi為整個目標的殺傷概率；Pdj為第j個易損艙的毀傷概率。

5 仿真計算結果

為了定量化地評估導彈引戰(zhàn)配合系統(tǒng)效能[11-12]，利用防空導彈引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)對起爆控制算法和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能進行分析和評估。該仿真系統(tǒng)由參數輸入、主程序、數據接口、引戰(zhàn)配合性能分析和信息存儲5個模塊組成，綜合利用已經獲得物理和打靶的實驗結果，建立了主要包括引信接受和信號處理模型[13]、彈目交會模型、戰(zhàn)斗部破片飛散模型和目標命中破片模型等的引戰(zhàn)配合數學模型[14]，并利用數字計算機模擬了引戰(zhàn)配合的全過程,可對多種目標的彈目交會及引戰(zhàn)配合過程進行可視化仿真和數字仿真[15]。該軟件以某防空導彈攻擊預警機目標為例,對引信,戰(zhàn)斗部和目標的作用過程進行動態(tài)仿真,給出了仿真結果。

在仿真過程中,本文假定:戰(zhàn)斗部為破片式,引信為脈沖多普勒體制,制導方式為主動雷達,目標類型為典型靶機。仿真結果表明,利用制導信息后,引戰(zhàn)配合效率有明顯提高。

以某對空反輻射導彈攻擊毀傷預警機為例,導彈飛行速度1000 m/s，目標飛行速度230 m/s，遭遇高度 9 km。戰(zhàn)斗部參數:質量70 kg；單枚破片質量3 g；總飛散角30°；飛散方向角中心對稱或后傾4°～5°；威力半徑18 m(70 kg)；破片飛行初速不小于2200 m/s。圖8為戰(zhàn)斗部破片飛散方向與作戰(zhàn)目標處于3種不同位置下，戰(zhàn)斗部破片殺傷區(qū)覆蓋了目標中心位置的情形。

(a) 條件1：水平攻擊，V水平=1000 m/s,V垂直=0 m/s,交會角0°

由于仿真結果可見,利用目標距離、 角度位置估計確定的炸點位置,戰(zhàn)斗部破片殺傷區(qū)覆蓋了目標中心位置,引戰(zhàn)配合效果好，引戰(zhàn)配合方案合理，技術途徑可行。

6 結束語

本文基于復合探測手段,采用末段制導與引戰(zhàn)配合一體化技術，充分利用導引頭、慣導和引信本身提供的導彈與目標信息來優(yōu)化引戰(zhàn)配合，根據目標與導彈的相對運動信息進行實時彈目交會情況預測，結合給定的目標幾何特征信息，對最佳起爆時機、起爆方向進行實時計算，并調整彈體姿態(tài)運動，從而在進入引信作用范圍后，引信適時起爆，可以達到良好的毀傷效果。仿真計算結果表明：導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)方案合理，技術途徑可行，能夠滿足導彈攻擊空中輻射源目標的需求。