艦載發射智能靶彈在試驗海域飛行控制中的關鍵技術*

張彥忠　魏　琳

(92941部隊93分隊　葫蘆島　125000)

艦載發射智能靶彈在試驗海域飛行控制中的關鍵技術*

張彥忠魏琳

(92941部隊93分隊葫蘆島125000)

摘要艦載靶彈的智能化飛行控制，以其具有的機動靈活特點充當空中靶標，給新型防空武器系統進行作戰使用、鑒定和海域試驗訓練帶來更加真實的目標信息。針對艦射導彈進行技術改造，通過建立多種飛行航路易于設定控制方式，加之全球定位系統GPS/BD北斗導航技術、慣性導航INS和數字地圖三位一體的組合，可以形成對預定航線實時準確的修正。并對靶彈上加裝相關技術設備，如靶目標雷達截面積RCS改變、規避自毀技術和脫靶量測量網絡傳遞分別作出說明。

關鍵詞艦射靶彈; 智能控制; 航線修正

Class NumberV249

1引言

隨著高科技和信息化不斷在武器裝備上應用，導彈攻擊目標方式逐漸呈現出防區外發射、數次降高、掠海飛行、機動攻擊的技術特點，給海上編隊戰略重要目標構成很大威脅。海域靶場為適應新武器帶來的沖擊，必須在供靶上進行選擇，力求滿足檢驗各型防空武器的需要。要反映出實戰狀態下導彈攻擊的目標環境，僅靠飛機拖靶或采用無人機靶標等措施因其機動的目標反射面積、飛行狀態等難以構成特定環境條件下的目標信息態勢。海域的艦艇攻擊與防御、編隊實戰演練，通常是研究檢驗艦載武器裝備作戰性能的極好方案，非常需要機動靶彈做為靶標在新武器試驗訓練中應用。而艦射靶彈因其擁有機動靈活和能較真實地模擬攻防的技術特點，可以極大地滿足新型武器試驗檢驗的需求。鑒于導彈技術復雜，實彈飛行危險性、破壞性極大，對它的智能化機動設計，海域飛行試驗訓練的控制與管理就顯得非常重要。為合理地利用實現艦射智能化靶彈的飛行控制，設計的思路是采用對艦射導彈進行技術改造的做法，使其形成具有機動可控飛行路線(航線、高度、速度、姿態)的靶彈，在避免給被試武器與艦艇編隊帶來危險的情況下，完成靶場檢驗防空武器戰術技術性能和作戰使用性能的使命[1]。

2系統組成與控制關系

艦載智能靶彈飛行控制與管理的大系統是由艦艇導彈發射系統、作戰試驗任務規劃系統、智能化導彈系統和艦與彈網絡通訊系統所組成，執行靶彈的任務規劃、發射、飛行、機動、通信等作戰使命，從而完成新武器裝備的攻擊與防御樣式試驗檢測任務。各部分之間控制關系見圖1所示。

圖1　艦載導彈飛行規劃控制關系圖

作戰任務規劃應建立存貯有靶場試驗海域電子地圖和試驗規劃信息，針對反艦、空襲等不同作戰樣式的靶彈飛行路線，以及轉折航向、受控管理、熒幕指示等作出籌劃安排。根據當時的試驗任務給出本次飛行航路任務規劃，并加裝在靶彈的存儲器中，便于彈載計算機實施工作過程的量化管理。電子數字地圖是靶場試驗海域被量化的地理數字信息，數據文件內含有一階特征網格點地理經度，二階特征反映經度和坐標原點的高度。將INS與GPS/BD系統有機地組合已成為當前最佳的導航方式。GPS/BD可以提供長期位置和速度精度，并連續地對準校驗慣性系統。INS系統具有短期速度精度特點，應用輔助代碼跟蹤回路，縮短捕獲和重新捕獲時間，幫助系統在GPS/BD中斷期間進行導航，并為靶彈飛行控制系統提供加速度和姿態數據。這些導航設備的有機結合，可使作戰任務航線在電子地圖上被清晰標注，飛行輸出導航誤差被實時地糾正，最終使靶彈完成預定航線任務[2]。

艦艇靶彈的作戰試驗需要的是單艦船(機)或多種艦船(機)防御攻擊模式見圖2，根據彈的飛行軌跡安排發射艦與試驗艦防空武器之間的通信設備，用網絡控制方式接收傳遞彈上信息，利于艦船熒幕顯示掌握靶彈工作情況。當艦載被試防空武器對彈攻擊時，彈上脫靶量測量設備可隨時捕獲、記錄、傳送各武器打擊的效果。受環境與可靠性影響，彈載計算管理機可隨時發現并阻止失效彈攻擊早已規劃好的保護區，實行辦法是炸毀或扼殺靶彈[3]。

3自動航線產生模塊系統

它是實現靶彈航線產生半自動化的一種工具，安裝在艦載靶彈火控系統內，作用是為每個到達的發射點/目標對產生預計飛行航線。機動變化航線在可控無危險范圍內威脅回避、障礙物回避以及遵守導彈和規劃約束方面是最優的。自動航線產生模塊(ARM)系統，具有評估航線和所有中間信息的能力。規劃模塊是完全交互式的，可以提供戰區環境全面高分辨率的彩色圖表顯示，包括經/緯度柵格、發射點、目標、試驗海域數字地圖和防御區域。另外用規劃地圖方式顯示它提供依賴于高度危險等值線，包括障礙物危險、假想敵方防御威脅、組合危險和每個狀態空間單元邊緣高度處總的危險等值線[4]。

模塊系統還允許規劃者更改變動推薦的航線并重新進行評估，并在使用控制數字地圖的選擇、導航點的設定、各航線的高度和轉彎半徑截取以及發射點和目標作出詳細說明。任務產生規劃問題是產生一條從發射點到目標地的最佳飛行航線。利用地形跟蹤技術，使靶彈必須避開防御陣地或避免在到達目標之前碰撞到地面任何障礙物，充分利用試驗海域數字地圖組合導航信息加以確認并實時修正[5]。

飛行任務規劃法就是將整個問題分解成許多小的易于處理的部分，其目的就是確定一個功能上獨立，計算上能實現的模塊。對于一個預定飛行航線具體實行應滿足下面幾個步驟。

圖2　艦射靶彈飛行航線與兩艦防空武器控制區域示意圖

3.1狀態空間構造

狀態空間反映了相關試驗海域地理區域的三維量化，地理區域被分成具有離散高度值的緯/經度單元。主要應予以考慮的影響因素是被試艦艇或編隊在試驗訓練機動航行進攻與防御的區間范圍，包括被試導彈、炮彈打擊有效區域，彈目交匯形成的破片分散地點，靶彈飛行距艦艇之間的最小航路截徑設置。另外由于艦船保護區的危險是通過橫向和縱向威脅模板包括在狀態空間中，利用這些模板并根據特定的試驗作戰規劃區域來測算導彈造成的危險[6]。

3.2“節點”構造

在大多數任務規劃中應有許多航線產生約束必須滿足，就是通過規定靶彈必須飛經地理點或節點的模型化處理，一個完整的任務可以用節點序列來表示，包括發射點、修正點和目標。采用節點數的約束性修正顯得很必要，不僅能滿足靶彈的硬性要求，還為系統任務規劃中非常關鍵的邏輯分析進行了直觀理性的判斷，這些約束在計劃的“知識收集”或需求分析階段就應作出明確的規定[7]。

3.3航線段的產生

節點網絡中每個節點對之間的最佳航線段或弧線數，節點對狀態空間子集執行多路徑動態規劃算法(MDPA)加以解決。MDPA得出狀態空間中各單元到終止節點的最佳控制集合(飛行方向)，再用航線檢索選取連接起始節點和終止節點的最佳航線段，進行航線平滑及飛越成本處理[8]。

3.4航線產生

航線的產生就是將選定的航線段連接成一個完整的航線或路線。為保持靈活性和減少路線數目，采用最短路線算法，提取一組航線段使起始和最終節點對之間航線，對照被試武器規劃任務使合算成本達到最優。從試驗區域數字地圖的航行起始點到終點路線，其算法實際結果上表現為樹形，應將每棵樹的每條路線的飛躍成本得出。

3.5航線選擇和評估

搜索集合中的起始節點(發射點)，終止節點(目標點)，連接發射點/目標對的航線數量，從而選擇容易控制路線。再由目標開始反向工作，根據從發射點到樹和從樹到目標的飛越成本，選擇具有最佳抵達概率或最佳概率樹和路線。在這個過程中，ARM將根據規則規劃評估所有可能的航線，但只保留它選定的航線和評估結果。

4GPS與INS組合導航

對于必須在高動態、低空和干擾環境海域工作的靶彈導航系統來說，將導航全球定位系統(GPS)的長期高精度與慣性導航系統(INS)的短期高精度結合起來，可獲得滿意高精度的混合導航解。組合導航系統可以克服慣性系統(主要是無限制的位置誤差)和獨立GPS系統的局限性(如偶爾發生不合適衛星的幾何關系、動態噪聲、衛星遮蔽和固定頻率修正速度)。這種混合系統在使用上優越于兩個獨立系統，其中突出的優點如下[9]：

1) 提高了衛星跟蹤能力

當GPS接收機需要捕獲一顆進入視場的新衛星或由于遮蔽丟失衛星時，INS提供慣性位置和速度信息來輔助GPS接收機,使其能產生比獨立GPS系統快得多的速度捕獲衛星。

2) 慣性傳感器校準

組合系統的中央導航卡爾曼濾波器能計算INS的位置、速度、加速度和姿態速率誤差。利用這些誤差可以獲得慣性解的修正值，并在靶彈飛行中不斷調整傳感器的校準系數，從而提高INS系統的精度。

3) 慣性速度回路穩定

GPS系統的高精度輸出可用來穩定INS系統的垂直回路(通常只使用氣壓高度表穩定)，這將使INS系統的垂直數據更準確地反映靶彈動力學。

4) 衛星覆蓋或接收不良期間的導航

在接收或衛星覆蓋不良期間，INS替代并輔助GPS組合導航系統，可以在中央導航計算機幫助下利用全部或有限的GPS信息，從而獲得最好的導航解。

5) 系統完整性

組合導航系統INS和GPS具有相互監控并能隨時發現誤差，準確地判斷切換導航系統。

4.1卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波器是一種“最優傳遞歸數據處理算法”，利用系統信息估計隨機系統的狀態。它處理所有可用的測量值，估計感興趣變量的現時值。

系統基本狀態方程

XK+1=ΦKXK+WK

YK+1=HKXK+VK

在線性系統里，WK、VK為高斯白噪聲。

通常構成卡爾曼濾波器

(1)

的基礎。于是，卡爾曼增益矩陣K的最優值為

(2)

(3)

所以，卡爾曼濾波器由方程(1)～(3)組成。

4.2GPS與INS組合方案

將GPS與INS數據組合方案有多種。可以使用開環(前饋)或閉環(反饋)卡爾曼濾波器，單-卡爾曼濾波進行處理GPS的距離和距離數據及INS的速度、位置數據。GPS擁有它自己產生的導航解卡爾曼濾波器，在第二個卡爾曼濾波器中與INS數據組合起來，形成導航組合解，形成級聯卡爾曼濾波器構型。GPS和INS有它們各自獨立的卡爾曼濾波器，加上中央導航計算機中的卡爾曼濾波器形成多層結合的方式。

在比較開環和閉環卡爾曼濾波器時，需要認真考慮如下幾點。在開環機械編排中，INS的導航解被GPS的導航解修正，不打算補償或重新校準INS的基本參數，如陀螺偏差、加速度表偏差和標度因子。若INS導航解不在內部修正，誤差將繼續傳播，對捷聯式系統來說，將是主要的缺點。在閉環卡爾曼濾波器法中，修正值反饋給INS，從而避免了誤差在卡爾曼濾波器中高速傳播。因INS的參數不斷得到修正，一旦后來失去GPS信號，也能確保獲得較好的導航性能。系統必須仔細監控GPS數據，確保INS參數不至受到不合理測量值的損害。

4.3系統完整利于提高跟蹤性能

在組合導航GPS/INS系統中,中央計算機承擔誤差/故障監控，便于檢查純慣性INS和純GPS接收機輸出。如果INS的漂移超出設定值，則INS的信息可以忽略。利用余度衛星信息將GPS偽距和δ距離測量值與先前從其它衛星測量值進行比較，若誤差超過系統預算，中央計算機就對數據進行處理，以確定哪顆衛星出現故障。

GPS數據能顯著提高INS的性能，同樣GPS也能從INS的數據中獲益。在獨立的GPS接收機中，代碼和載波跟蹤回路必須工作在極寬的寬帶內，因窄跟蹤回路置于高動態變化時容易丟失衛星跟蹤，使得衛星捕獲或重新捕獲變得困難。在組合導航系統中，INS數據提供位置、速度、姿態和姿態速率，利用這些信息可導出距離和速度估值，從而縮小代碼和載波跟蹤回路的帶寬。一般來說，與無輔助GPS接收機相比，可使帶寬降低一個數量級，這樣就可以顯著提高信噪比并降低對干擾的敏感性。采用INS作為導航輔助，使系統在高動態機動情況下不會降低重新捕獲和跟蹤性能[10]。

5 靶彈加裝相關技術設備

5.1靶彈目標增減器

由于靶彈的體積小，其迎頭雷達截面積(RCS)也小，符合新一代戰機和各種飛行器的目標特性。通過對導彈雷達天線等技術改造，減少雷達天線鍋的面積，降低雷達回波或加裝雷達回波增強器、愣勃透鏡和曳光管等多種設備，可使導彈的RCS根據需要設定不同大小的RCS值。如俄羅斯RM-5V27A靶彈前半球有效雷達截面積可在0.07～0.3m2范圍內設定。此外，還可根據任務試驗訓練的需要，改裝成雷達型、紅外型等有源型靶彈。

5.2規避自毀技術

當靶彈飛抵地面防空導彈試驗訓練部隊及其載體(艦、機)海域和空域前方供靶區域后，確保被試武器和試驗訓練部隊(艦、機)的安全將成為供靶的第一要務。為此，必須在靶彈加裝相應的規避自毀設備，以防止防空導彈或艦炮在未成功攔截靶彈后，反而使靶彈對試驗訓練部隊以及載體(艦、機)的安全構成威脅。靶彈的安全/規避自毀技術一般采用四種方式：在彈上控制系統中設置安全自毀指令軟件或采用人工遙控；采用陀螺測量相對前置航向的偏移量；利用GPS/INS/數字地圖組合導航系統測量相對航路；利用彈上GPS和被試武器系統的定位信息等。

5.3加裝脫靶量測量傳遞網絡

為了獲取靶彈與防空武器彈目之間交匯時的相對矢量值，一般要在靶彈上加裝脫靶量測錄設備，用以評估防空武器的射擊精度。由數碼攝像機、信息處理設備和靶彈與載體(艦、機)數據傳遞網絡組成的脫靶量測量錄取系統，對于滿足飛行距離的導彈和炮彈進行實時畫面跟蹤捕獲，并把每幀幅圖像進行距離、高度、角度等數據處理，從而取得攻擊靶錄取框內的準確數值。這些信息由靶彈上中心計算機管理存儲，并經過通信數據終端加以確認，由無線電形式進行發送。艦載網絡收發系統實時接收靶彈傳回的數據信息，并按照預先設計解算準則由計算機進行快速處理，這樣可得到脫靶量參數數據圖像和結果評定，從而為參試訓練情況作出準確的決策。網絡安排上應采用交互式傳遞指令控制方式，一方面保證彈與艦信息交流順暢，做到彈航跡趨勢實時展示同時使時間動作上形成協調一致；另一方面健全艦船載體之間的網絡結點構成，達到參試訓練各部門共同分享態勢信息和結果評價。

6結語

空中靶彈目標設置是檢驗考核防空武器系統

作戰性能最好方法，利用艦載靶彈進行機動發射和航路控制，可以真實地模擬反映海戰對抗各種導彈攻擊態勢環境，為新型武器試驗鑒定和部隊訓練使用提供幫助支援。世界軍事大國都十分重視空中靶彈的開發和研制，較為普遍的做法是改裝現役和淘汰的導彈，充分利用其彈體、發動機等主體部分構架，通過更新相應的控制系統、軟件和其它配置等技術手段，加裝飛行試驗設備，這樣既降低了研制經費和風險，又消化了退役導彈。我國在艦載靶彈設計使用上應借鑒國外的成功經驗，努力打造國產靶彈的品牌，在保證靶彈按需供給不同航路飛行和適應各型防空武器試驗訓練的同時，盡量做好靶彈的毀傷防范技術措施，最終使國產靶彈經濟、安全、可控、好用。

參 考 文 獻

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[8] 梁立波，羅亞中.空間交會軌跡安全性定量評價指標研究[J].宇航學報，2010，31(10)：2239-2245.

[9] 姚新.無人機提高目標定位精度方法研究[J].艦船電子工程，2011，31(10)：56-59.

[10] 姚新.無人機提高目標定位精度方法研究[J].艦船電子工程，2011，31(10)：56-59.

Key Technique of Ship-borne Intelligent Drone Missile Flight Control in Test Sea Area

ZHANG YanzhongWEI Lin

(Unit 93, No.92941 Troops of PLA, Huludao125000)

AbstractIntelligent flight control of ship-borne target missile can be used as aerial drone for its characteristics of mobility and flexibility. It can also afford more real target information for combat usage, test evaluation and training of aerial defence weapon. By reconstruction of ship-borne missile，construction of manifold flight course for easy control and the combination of airmanship of GPS/BD, INS and digital map, the scheduled course can be modified in real time accurately. Moreover, relevant technique equipments, such as target RCS remodeling equipment, evading and self-destruction equipment and the network transmission equipment of undershooting measurement，can be added on the drone missile.

Key Wordsshipboard arget missile, intelligent control, course correction

*收稿日期：2015年12月3日,修回日期：2016年1月18日

作者簡介：張彥忠，男，碩士，高級工程師，研究方向：導彈火控系統試驗。

中圖分類號V249

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.012