艦炮CIWS對(duì)反艦導(dǎo)彈末端機(jī)動(dòng)的航跡處理研究

陳 斌，李陸冀，錢海俊，圣錢生

（海軍指揮學(xué)院，南京211800）

0 引 言

高新科技的飛速發(fā)展為反艦導(dǎo)彈的攻、防都提供了新的機(jī)遇。反艦導(dǎo)彈的末端變軌機(jī)動(dòng)能力越來越強(qiáng)，如何進(jìn)一步提高艦炮近程武器系統(tǒng)（CIWS）抗擊末端機(jī)動(dòng)反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能是艦艇反導(dǎo)裝備發(fā)展的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。艦炮CIWS航跡處理的精度是影響整個(gè)系統(tǒng)精度的重要因素，本文通過計(jì)算機(jī)仿真，針對(duì)典型反艦導(dǎo)彈的末端機(jī)動(dòng)航路，研究分析如何近一步提高航跡處理的精度和反應(yīng)速度，從而提高艦炮CIWS對(duì)反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。

1 典型導(dǎo)彈攻擊模式

當(dāng)前反艦導(dǎo)彈的典型攻擊模式主要有：

（1）掠海飛行彈道，以法國的“飛魚”反艦導(dǎo)彈為代表，其特征是在進(jìn)入攻擊階段以后降低掠海高度，以小角度或基本水平的末彈道完成攻擊；

（2）末端躍升俯沖攻擊彈道，以美國的“魚叉”反艦導(dǎo)彈為代表，經(jīng)掠海巡航飛行段，在距離目標(biāo)艦幾千米時(shí)突然躍起，進(jìn)行大角度的俯沖攻擊；

（3）水平機(jī)動(dòng)攻擊彈道，反艦導(dǎo)彈在水平面做蛇形機(jī)動(dòng)或程控變軌機(jī)動(dòng)；

（4）復(fù)合攻擊彈道，反艦導(dǎo)彈首先在水平面做水平機(jī)動(dòng)，臨近目標(biāo)時(shí)做末端躍升俯沖攻擊。

從航跡處理的角度看，模式1的機(jī)動(dòng)性最弱，而模式4是2、3兩種機(jī)動(dòng)模式的結(jié)合，機(jī)動(dòng)性最為復(fù)雜，因此本文主要研究模式4下的航跡處理問題。

2 艦炮CIWS對(duì)典型導(dǎo)彈航路的航跡

2.1 典型導(dǎo)彈航路仿真

參考典型導(dǎo)彈攻擊模式［1－3］，設(shè)定反艦導(dǎo)彈航路：假設(shè)9 000m外雷達(dá)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)導(dǎo)彈目標(biāo)，雷達(dá)觀測(cè)坐標(biāo)為（－9 000m，0rad，0.034rad）。1s后目標(biāo)由巡航轉(zhuǎn)為機(jī)動(dòng)，在海平面方向做歷時(shí)7.7s的蛇形規(guī)避機(jī)動(dòng)，最大過載10g，機(jī)動(dòng)完成后轉(zhuǎn)入比例導(dǎo)引，3.3s后目標(biāo)進(jìn)入攻擊末端，實(shí)施最大過載為10g的躍升俯沖攻擊。跟蹤過程歷時(shí)15s，導(dǎo)彈速度600m／s，整個(gè)跟蹤過程以我方艦船質(zhì)點(diǎn)為參考坐標(biāo)原點(diǎn)。目標(biāo)航跡詳見圖1。

圖1 目標(biāo)三維航跡曲線

可見以上航路是典型的復(fù)合攻擊彈道，導(dǎo)彈首先在水平面做水平機(jī)動(dòng)，臨近目標(biāo)時(shí)做末端躍升俯沖攻擊，機(jī)動(dòng)、非機(jī)動(dòng)交替出現(xiàn)，若試圖準(zhǔn)確考察導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)對(duì)不同濾波器跟蹤性能的影響，則需拆分水平機(jī)動(dòng)和躍升俯沖機(jī)動(dòng)航路分別單獨(dú)濾波。

2.2 濾波器參數(shù)設(shè)定

（1）卡爾曼濾波器：選取勻加速（CA）模型作為目標(biāo)跟蹤模型。

（2）α－β－γ 常增益濾波器：濾波增益 K 選取：

（3）當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型（CS）算法：自相關(guān)系數(shù)a＝1／3 0，最 大 加 速 度amax＝9 8m／s2，a－max＝－98m／s2［5］。

（4）交互式多模型算法：采用勻速（CV）模型、CA子模型集和CV、CS子模型集以及CV、CA、CS 3個(gè)模型作為子模型集分別組成3個(gè)濾波器［6］。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)過程

設(shè)雷達(dá)采樣間隔T＝0.05s，測(cè)距誤差ργ＝20m，測(cè)角誤差ρφ＝2mrad，ρθ＝2mrad，仿真平臺(tái)MATLAB 7.10，經(jīng)50次Monte Carlo仿真得：

（1）在導(dǎo)彈2個(gè)主要機(jī)動(dòng)段范圍內(nèi)各濾波器的位置均方根誤差（RMSE）如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈2個(gè)主要機(jī)動(dòng)段的濾波位置均方根誤差

圖2（a）為0～9s水平機(jī)動(dòng)段，采樣點(diǎn)1～180，縱軸單位為m；圖2（b）為11～15s躍升俯沖段，采樣點(diǎn)220～300，縱軸單位為m。

（2）各濾波算法濾波平均誤差和周期平均耗時(shí)運(yùn)算結(jié)果見表1。

表1 各算法對(duì)導(dǎo)彈跟蹤精度和周期耗時(shí)

通過以上圖表的分析，可以看出，卡爾曼濾波算法在非機(jī)動(dòng)段跟蹤精度尚好，但目標(biāo)機(jī)動(dòng)后跟蹤精度可見明顯波動(dòng)；α－β－γ常增益濾波總體精度在幾種算法中最差，但用時(shí)最短，計(jì)算量最小；當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型濾波算法在目標(biāo)機(jī)動(dòng)段跟蹤效果最好，但其在非機(jī)動(dòng)段表現(xiàn)不佳。

使用了勻速、勻加速、當(dāng)前模型3種模型作為子模型集組合的3種多模型算法相比前面KF、α－β－γ、CS算法跟蹤精度有較明顯優(yōu)勢(shì)。3種多模型算法跟蹤精度相近，其中使用勻速、勻加速、當(dāng)前模型3個(gè)子模型組合的多模型算法精度相對(duì)較好，由勻速、勻加速兩模型組成子模型集的多模型算法在3種多模型算法中用時(shí)最短。雖然相比之前的3種單模型算法，交互式多模型算法計(jì)算量增大、耗時(shí)相對(duì)較多，約1個(gè)數(shù)量級(jí)大小，但考慮到現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理資源運(yùn)算性能大幅提高，以多模型算法的優(yōu)秀濾波性能，其在CIWS工程實(shí)用中的價(jià)值應(yīng)不容忽視。

3 結(jié)束語

艦炮CIWS航跡處理是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文圍繞反艦導(dǎo)彈經(jīng)典航路使用多種濾波算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析多種濾波算法對(duì)CIWS導(dǎo)彈跟蹤效果的影響，提出了CIWS航跡處理工程實(shí)用的幾點(diǎn)建議，為提高CIWS跟蹤反艦導(dǎo)彈末端機(jī)動(dòng)航路的性能提供了參考。

［1］李鵬，胡炎.反艦導(dǎo)彈典型運(yùn)動(dòng)建模與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（5）：46－48.

［2］隋先輝，董受全，王少平，孫玉明.新一代的反艦導(dǎo)彈及其應(yīng)用技術(shù)［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù)，2010，27（1）：36－39.

［3］劉劍威，吳傳利，徐國亮.反艦導(dǎo)彈典型攻擊模式及運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］.指揮控制與仿真，2006，28（5）：47－49.

［4］何友，修建娟.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［5］王洋.基于自適應(yīng)濾波的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［6］陳利斌，佟明安.機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的交互式多模型自適應(yīng)濾波算法［J］.火力與指揮控制，2000，25（4）：36－38.