基于引信天線波束控制的引戰配合模型

馮清娟

(北京信息科技大學，北京　100101)

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基于引信天線波束控制的引戰配合模型

馮清娟

(北京信息科技大學，北京100101)

針對高速彈目交會條件下，傳統引戰配合模型引戰配合效率低的問題，提出了基于引信天線波束控制的引戰配合模型。該模型能根據不同目標類型、不同彈目交會條件調整引信天線波束傾角，控制引信的啟動區，使引信的啟動角和最佳起爆角重合，實現引信的最佳起爆控制。計算機仿真結果表明，這種引戰配合模型可以根據不同彈目交會條件改變引信天線波束傾角，從而實現基于引信天線波束控制的最佳引戰配合。由于該模型是基于“觸發即啟動”原則，無需進行延時控制，這也避免了計算延遲時間帶來的誤差。

引信；引戰配合；天線波束控制

0　引言

在現代戰爭中，防空導彈所要對付的目標種類很多，既要對付普通的飛機目標，又要對付導彈等高速目標，這就使導彈與目標的交會條件變化范圍變的很寬，如何使導彈引信在各種交會條件下都能適時起爆戰斗部，實現最佳引戰配合成為防空導彈作戰的主要任務[1-3]。

為了提高引戰配合效率，從目標探測的角度來分析，目前的技術方案有三種。第一種是采用前傾的單波束天線并加大引信啟動延遲時間[4]，即采用反導彈時的天線波束傾角，在反飛機時加大引信啟動延遲時間。這種方法在對付高速目標時延遲誤差較小，但是在對付低速目標時，隨著引信延遲時間的加大，延時誤差會很大；第二種是采用兩組天線實現雙波束[5]，即對付飛機目標時采用較大的波束傾角，對付導彈目標時采用較小的波束傾角。這種雙波束天線使引戰配合效率得到了很大提高，但不能保證在各種交會條件下都有著最佳的引戰配合，即保證不了引戰配合效率的均勻性；第三種是采用相控陣技術，使引信波束在一定范圍內分檔可調[6-7]。由于這種方法的波束可調，所以引戰配合效率的均勻性較好，同時，延遲時間較短，延遲誤差也很小。但其既要控制引信天線波束，又要控制延遲時間，計算量較大，信號處理時間較長。

因此，要提高引戰配合效率，特別是高速彈目交會條件下的引戰配合效率，就需要根據不同目標類型、不同彈目交會條件下引信的最佳起爆角調整引信天線波束傾角，控制引信的啟動區，使引信的啟動角和最佳起爆角重合，實現引信的最佳起爆控制。即實現基于引信天線波束控制的引戰配合。

1　最佳引戰配合準則及假設條件

引戰配合準則是設計引戰配合算法的依據，本文選引戰配合效率最大作為最佳起爆準則，最大破片密度方向瞄準目標作為起爆控制的策略。它側重工程應用，在研究引戰配合效率過程中可繞過目標易損特性研究[8]。

為了便于分析，本文在建立最佳引戰配合模型時做如下假設：1)在導彈失控進入遭遇段后，導彈和目標均作勻速直線運動，其速度矢量方向與各自的軸線重合。2)戰斗部破片靜態飛散方向角為90°，且忽略破片在空氣中飛行的速度衰減。

2　基于引信天線波束控制的引戰配合模型

引戰配合的目的就是調整引信的啟動角使其盡可能與戰斗部破片動態飛散方向角重合，從而實現最佳引戰配合。由于本文采用引信“觸發即啟動”的原則，即引信的觸發角與啟動角重合，因此，確定并計算引信觸發角與戰斗部破片動態飛散方向角是建立引戰配合模型的基礎。

2.1引信觸發角的確定

在工程上，引信觸發角一般由引信觸發線確定。引信觸發線通常是根據引信地面繞飛試驗、仿真試驗及飛行打靶試驗的結果，將引信對目標的啟動角隨啟動距離的變化規律進行統計處理[9-10]，它是相對引信天線方向圖所假設的一條角度隨距離變化的曲線。由于引信天線方向圖繞導彈縱軸具有一定的對稱性，引信觸發線實際上繞彈縱軸旋轉而成一個觸發面，在某一平面內，也可用一根觸發線表示。

圖1是引信觸發線在彈體坐標系xmOym平面的示意圖。其中：Oxm軸為彈軸正向，vt為目標速度矢量；Ωf0為引信天線主瓣傾角；Ωf為引信觸發角；Ri為第i個觸發點與引信天線中心的距離；φ為半波寬度；α為目標速度方向與水平方向的夾角，即彈目交會角。

圖1　引信觸發線示意圖Fig.1　Schematic of fuse trig line

根據對空無線電引信回波功率

(1)

式(1)中，P∑為發射功率，σ為目標雷達截面積，λ為引信信號的波長，Gyf為發射天線的增益，Gyj為接收天線的增益；r0為目標距引信中心的距離。

式(1)中，除目標雷達截面積σ外，其他物理量都是可以測得的，在這里假設目標雷達截面積σ與目標進入探測場深度l的平方呈正比關系，那么，彈目交會角為α的目標有效截面積可表示為:

σ=k·(l·cosα)2

(2)

其中：k為比例系數；l為目標進入探測場的深度；α為彈目交會角。

從圖1中可以解得目標進入探測場有效長度l的表達式為：

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)可得

PAS=

(4)

引信“觸發線”是目標回波功率使引信觸發的點的集合，在此，令各點回波功率相等并等于Ph，從而可導出引信觸發角Ωf的表達式

(5)

式(5)即為基于引信天線波束傾角的引信觸發線模型。從該模型可以看出：引信觸發角Ωf是引信作用距離Ri、引信靈敏度Ph、彈目交會角α、引信天線波束傾角Ωf0以及半波寬度φ的函數。

2.2戰斗部破片動態飛散方向角的計算

本文在導彈彈體坐標系內確定戰斗部破片的動態飛散方向角。在彈體坐標系O-xmymzm中，坐標原點O設在導彈戰斗部幾何中心，Oxm軸沿導彈縱軸指向彈頭，Oym軸取在對稱平面內向上，Ozm軸與Oxm、Oym構成右手坐標系。戰斗部破片動態飛散角在導彈彈體坐標系內的示意圖如圖2所示。

圖2　戰斗部破片動態飛散角示意圖Fig.2　Dynamic Dispersion Angle of Warhead Fragments

VR是彈目相對速度；φx是彈目相對速度與Oxm(彈軸)軸的夾角；ωVR是彈目相對速度在ymOzm平面上的方位角；Vf是戰斗部中心破片靜態飛行速度，假設破片密度沿戰斗部圓周均勻分布；ω是目標在ymOzm平面內的脫靶方位角；VC是戰斗部中心破片動態飛行速度矢量；φq是戰斗部中心破片動態飛行速度矢量與Oxm的夾角。戰斗部破片動態最大密度方向與戰斗部中心破片動態飛行速度方向一致，即φq為戰斗部破片動態最大密度方向角。

根據本文選用的最佳引戰配合準則，φq就是引戰配合所需的最佳起爆角。

由圖2可得：

cosφq=

(6)

即：

φq=

(7)

由式(7)可知：戰斗部破片動態最大密度方向角(最佳起爆角)φq是彈目相對速度大小VR及其方向角φx、ωVR、戰斗部破片速度Vf及脫靶方位角ω的函數。

2.3基于引信天線波束控制的引戰配合模型的建立

由式(5)可以看出，引信的觸發角Ωf在導彈彈體坐標系內直接與引信天線波束傾角Ωf0相聯系。通過調整引信天線波束傾角可以實現對引信觸發角的控制[11]。

引戰配合的目的就是調整引信的啟動角使其盡可能與戰斗部破片動態飛散方向角重合，從而實現最佳引戰配合。根據引信“觸發即啟動”的原則，即引信的觸發區與啟動區重合，令Ωf=φq。

由式(5)和式(7)可得：

(8)

根據式(8)推導出引信天線波束傾角Ωf0的表達式即為本文所要建立的基于引信天線波束控制的引戰配合數學模型。

這種基于引信天線波束控制的引戰配合數學模型是引信靈敏度Ph、引信作用距離Ri、彈目交會角α、半波寬度φ以及彈目相對速度大小VR及其方向角φx、φy、φz，以及戰斗部破片速度Vf及脫靶方位角φf的函數。根據這些參數，可以確定引信天線波束傾角的角度，從而實現基于引信天線波束控制的最佳引戰配合。

3　基于引信天線波束控制的引戰配合模型的仿真

由于從式(8)導出Ωf0的表達式非常復雜，但通過計算機可以很容易求解出各種彈目交會條件、各種引信參數條件下的引信天線波束傾角。本文通過計算機仿真，給出了Ri=5m，α=0°，φ=7°，φx=90°，φf=0°，Vf=2 000m/s時的一組引信天線波束傾角隨彈目相對速度變化情況的計算結果，如表1所示。

表1　Ωf0隨VR的變化情況

可見，這種引戰配合模型能根據不同彈目交會條件改變引信天線波束傾角，由于這種模型是基于“觸發即啟動”的原則，無需進行延時控制，也避免了計算延遲時間帶來的誤差。

4　結論

本文提出了基于引信天線波束控制的引戰配合模型。該模型可以根據不同彈目交會條件，調整引信天線波束傾角，控制引信的啟動區，使引信的啟動角和最佳起爆角重合，實現引信的最佳起爆控制。計算機仿真結果表明，這種引戰配合模型可以根據不同彈目交會條件改變引信天線波束傾角，從而實現基于引信天線波束控制的最佳引戰配合。由于該模型基于“觸發即啟動”原則，無需進行延時控制，這也避免了計算延遲時間帶來的誤差。該模型為提高高速彈目交會條件下的引戰配合效率提供了一種新的技術手段。

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Fuze Warhead Coordination Model Based on Antenna Beam Control

FENG Qingjuan

(Beijing Information Science and Technology University，Beijing100101，China)

In order to improve the efficiency of fuze warhead coordination, especially the fuze warhead coordination efficiency under the condition of high speed missile target intersection, a fuze warhead coordination model based on fuze antenna beam control was presented. This model could realize the fuze optimal initiation control through adjusting the fuze antenna beam angle and the fuze starting area, make the fuze starting angle and the fuze optimum ignition angle coincident according to different target types and different missile target intersection conditions. The simulation results showed that the model could change the fuze antenna beam angle according to different missile and target intersection conditions, and achieved the optimal fuze warhead coordination. Because the model was based on the principle of “trig and start”, no delay control was required, the error caused by the delay time could be avoided. This model provided a new technical method to improve the fuze warhead coordination efficiency under the condition of high speed missile target intersection condition.

fuze; fuze warhead coordination; antenna beam control

2016-01-21

總裝預先研究項目資助(51306040402)

馮清娟(1978—)，女，山西運城人，博士，高級工程師，研究方向：引信天線波束形成。E-mail:fengqingjuan@foxmail.com。

TJ430.1

A

1008-1194(2016)04-0038-04