艦炮CIWS對反艦導(dǎo)彈末端機動的航跡處理研究

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、防都提供了新的機遇。反艦導(dǎo)彈的末端變軌機動能力越來越強，如何進(jìn)一步提高艦炮近程武器系統(tǒng)（CIWS）抗擊末端機動反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能是艦艇反導(dǎo)裝備發(fā)展的熱點、難點問題。艦炮CIWS航跡處理的精度是影響整個系統(tǒng)精度的重要因素，本文通過計算機仿真，針對典型反艦導(dǎo)彈的末端機動航路，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)艦幾千米時突然躍起，進(jìn)行大角度的俯沖攻擊；

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

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

從航跡處理的角度看，模式1的機動性最弱，而模式4是2、3兩種機動模式的結(jié)合，機動性最為復(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)觀測坐標(biāo)為（－9 000m，0rad，0.034rad）。1s后目標(biāo)由巡航轉(zhuǎn)為機動，在海平面方向做歷時7.7s的蛇形規(guī)避機動，最大過載10g，機動完成后轉(zhuǎn)入比例導(dǎo)引，3.3s后目標(biāo)進(jìn)入攻擊末端，實施最大過載為10g的躍升俯沖攻擊。跟蹤過程歷時15s，導(dǎo)彈速度600m／s，整個跟蹤過程以我方艦船質(zhì)點為參考坐標(biāo)原點。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動，臨近目標(biāo)時做末端躍升俯沖攻擊，機動、非機動交替出現(xiàn)，若試圖準(zhǔn)確考察導(dǎo)彈機動對不同濾波器跟蹤性能的影響，則需拆分水平機動和躍升俯沖機動航路分別單獨濾波。

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個模型作為子模型集分別組成3個濾波器［6］。

2.3 仿真實驗過程

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

（1）在導(dǎo)彈2個主要機動段范圍內(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個主要機動段的濾波位置均方根誤差

圖2（a）為0～9s水平機動段，采樣點1～180，縱軸單位為m；圖2（b）為11～15s躍升俯沖段，采樣點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運算結(jié)果見表1。

表1 各算法對導(dǎo)彈跟蹤精度和周期耗時

通過以上圖表的分析，可以看出，卡爾曼濾波算法在非機動段跟蹤精度尚好，但目標(biāo)機動后跟蹤精度可見明顯波動；α－β－γ常增益濾波總體精度在幾種算法中最差，但用時最短，計算量最小；當(dāng)前統(tǒng)計模型濾波算法在目標(biāo)機動段跟蹤效果最好，但其在非機動段表現(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。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個子模型組合的多模型算法精度相對較好，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算量增大、耗時相對較多，約1個數(shù)量級大小，但考慮到現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理資源運算性能大幅提高，以多模型算法的優(yōu)秀濾波性能，其在CIWS工程實用中的價值應(yīng)不容忽視。

3 結(jié)束語

艦炮CIWS航跡處理是一項非常復(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)行仿真實驗，對比分析多種濾波算法對CIWS導(dǎo)彈跟蹤效果的影響，提出了CIWS航跡處理工程實用的幾點建議，為提高CIWS跟蹤反艦導(dǎo)彈末端機動航路的性能提供了參考。

［1］李鵬，胡炎.反艦導(dǎo)彈典型運動建模與仿真［J］.計算機仿真，2010，27（5）：46－48.

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

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