空地制導炸彈綜合飛行/火力控制系統研究

黃炎，何建華，周夢龍，高超儀

(西北工業大學電子信息學院，陜西西安 710129)

空地制導炸彈綜合飛行/火力控制系統研究

黃炎，何建華，周夢龍，高超儀

(西北工業大學電子信息學院，陜西西安 710129)

分析了空地制導炸彈綜合飛行/火力控制系統（integrated flight/fire control，IFFC）構成，以此為平臺，對IFFC系統的核心內容——動態火控解算算法展開研究?；诮嵌确e分的方式，提出彈道末端變步長角度積分算法，應用于快速、準確地模擬投放域；以快速解算算法為基礎，建立連續計算投放域（continuously computed release region，CCRR）的數學模型，推導方向、距離瞄準原理公式，實現對地作戰的自動瞄準、攻擊。仿真結果驗證了算法的良好性能，達到了很好的作戰效果，適用于嚴格要求實時性、精確性及靈活性的機載作戰任務軟件設計。

快速解算；空對地攻擊；投放域；自動瞄準攻擊；精確制導；飛行控制；火力控制

在傳統的機載作戰平臺中，無控航空炸彈已經形成了較為成熟的火控攻擊方案，但受制于彈藥性能以及苛刻的投放條件，武器系統的作戰效能受到很大限制。精確制導彈藥的出現改變了空對地轟炸方式，極大地提高了戰場打擊精度與威力，在先進的武器系統中得到了普遍應用?？盏刂茖д◤椈鹂亟馑阆鄬τ谄胀ê綇椄鼮閺碗s，并且應用在以實時性、精確性作為主要要求的機載航空電子系統中，算法的快速性與準確性顯得尤為重要。

基于以上的作戰實際，本文首先建立空地制導炸彈綜合飛行/火力控制系統(IFFC)模型，對動態火控解算算法展開研究，提出了對角度積分的末端變步長積分算法，基于該算法對可投放域進行快速模擬，同時利用飛行控制與火力控制系統的結合，設計制導炸彈連續計算投放域火控攻擊算法，所提出的方法對于機載空地制導炸彈IFFC系統的設計有重要的工程價值。

1　空地制導炸彈飛行/火力控制系統概述

空地制導炸彈綜合飛行/火力控制系統的主要任務是進行實時、精確的火控解算［1］，實現殲擊機、轟炸機等空中力量對地面目標的自動跟蹤、自動瞄準及自動攻擊，提高武器命中精度，減輕駕駛員負擔，降低空對地作戰成本。

以往機載飛行與火力控制系統是分開獨立的開環系統，飛行系統負責向火控系統提供載機當前飛行航向、空速、偏流及姿態等數據，火控系統控制飛機火力的方向、密度、時機和持續時間，由駕駛員完成系統的閉環。綜合飛行/火力控制系統(IFFC)的出現使得飛行控制系統與火控系統密切地結合起來(系統組成如圖1所示)。

圖1　綜合飛行/火力控制系統結構

在整個空對地攻擊過程中，IFFC系統綜合目標態勢、載機飛行姿態及武器信息，進行實時火控解算及飛行任務處理。作為整個機載作戰系統的指揮與控制中心，動態火控解算算法是IFFC的核心內容，算法的快速準確性對于IFFC系統的作戰效能有決定性作用。

2　空地制導炸彈彈道快速積分策略

彈道解算是火控解算算法的重要步驟。采用對角度積分求解彈道［2］，相對以往對時間積分有更高的速度，并且計算過程不易發散；與傳統的離線解算、插值計算的方法相比，精確度也更高。本文提出了末端變步長的角度積分算法，在保證精度的同時，大大減少了求解一條完整彈道所需的積分次數。

2.1制導炸彈模型

在柱體坐標系中(柱體坐標系如圖2所示)，建立以角度積分的制導炸彈三自由度可操縱質點模型：

圖2　柱坐標系示意圖

2.2導引律模型

目前工程中使用最多的制導炸彈導引律是經典的比例導引律。以制導炸彈對目標的視線為基準，將相對運動解耦至俯沖平面和轉彎平面(相對運動分解如圖3所示)［3］。

圖3　制導炸彈相對運動分解圖

建立視線角方程如下：

對(2)式求導得到俯沖平面和轉彎平面視線角速率：

同樣，變換時間積分為對角度積分：

形成空間比例導引律以及俯仰、偏航通道過載指令：

2.3末端變步長快速積分算法

對于制導炸彈火控解算，求解彈道的目的是為了模擬當前條件下投放制導炸彈的下落時間及最終脫靶量，以確定在該條件下所生成彈道是否可行，所以在對角度積分時，彈道末端積分過程的精確度尤為重要，直接影響了投放域模擬的精度。定步長的積分方式難以兼顧精度與效率，而采取末端變步長的積分策略則能夠很好地解決這個問題，在彈道起始段以較大步長解算，末端大幅減小計算步長，從而以較小的步數達到更高的精度。由于積分步長的絕對值隨角度的減小逐漸減小，且初始段減小速率快，末端減小速率相對變慢，故嘗試以二次函數為原型建立變步長方程：

按照(7)式進行仿真驗證，對一條導引彈道只需積分19次即可得到較為精確的結果。

3　制導炸彈自動瞄準、攻擊火控算法

制導炸彈自動瞄準、攻擊火控算法采用連續計算投放域(CCRR)火控攻擊方式。自動瞄準、攻擊火控原理是通過機載目標態勢探測系統獲知目標數據，IFFC系統綜合載機飛行勢態及武器系統信息，連續動態計算投放域，通過火飛耦合器產生方向瞄準、距離瞄準的飛行控制信號，自動操縱飛機進入投放域；當載機進入投放域后，火力控制系統自動投彈，并引導制導炸彈命中目標?？盏刂茖д◤桰FFC系統自動瞄準、攻擊流程如圖4所示。

圖4　IFFC系統自動瞄準、攻擊流程圖

3.1制導炸彈投放域模擬

制導炸彈投放域是指在載機當前高度、空速矢量及大氣環境下，對于指定目標，投放制導炸彈能在一定條件限制下命中目標的投放點集合。目前搜索投放域算法有按橫縱方向簡單搜索邊界法［4］、查表插值與局部快速搜索結合法［5］以及變步長模式搜索法［6］等?；谏衔挠懻撝茖д◤棌椀揽焖俜e分算法，本文采用變步長模式搜索法，對投放域進行快速模擬，著重于自動瞄準、攻擊火控算法的研究。

3.2連續計算投放域數學模型

在水平轟炸的情況下，考慮一定范圍內大氣環境的均勻性，載機保持當前高度、飛行狀態，實際投放域的大小不會發生改變。載機以不同航向接近目標時投放域的變化情況如圖5所示。

圖5　投放域變化示意圖

從圖5可以看出，載機在改變當前飛行航向，接近投放域的過程中，通過投放域繞目標點的旋轉，即可獲得在新的航向角下對目標的水平投放域。顯然，水平轟炸的連續計算投放域實際只計算1次，在對地攻擊的過程中只需連續“旋轉”投放域。水平投放域邊界一般為連續光滑曲線，且呈對稱形狀，若對邊界每一個點進行連續旋轉，算法的運算量會非常大。如果將投放域簡化為多邊形，對解算精度不會造成太大影響，同時減少了大量不必要的運算，對于嚴格要求快速性的實時算法無疑是很合適的。考慮到水平投放域的形狀，嘗試以六邊形近似表示水平投放域。本文對此進行仿真并分析，得到投放域對比結果如圖6所示。

圖6　空速V＝320 m/s，航向角K＝0°，載機高度H＝5 500 m時完整投放域與簡化投放域對比結果

由圖6的仿真結果可以看出，投放域一部分為近似圓弧，另一部分為近似直線段。因此在投放域對稱軸的兩側選取六邊形的邊界點。按上述方式簡化后的投放域與完整投放域相比，遠近界基本變化不大，“旋轉”投放域的計算過程大為簡化。

3.3自動瞄準、攻擊原理公式

以載機當前位置為原點，建立“北、東、地”慣性坐標系OXYZ，飛機航向系(OXYZ)K以慣性坐標系為基準繞Y軸轉過空速航向角K得到，V表示飛機空速矢量。CCRR瞄準攻擊圖如圖7所示。

圖7　CCRR對地攻擊瞄準圖

已知當前載機飛行狀態、目標數據以及武器信息，就能連續計算出制導炸彈投放域。M是所有投放域內點的集合。設簡化后的投放域邊界點順時針排列依次為M1，M2，…M6，可得到投放域中心Mf(xm，yf，zm)，yf為載機高度，有：

CCRR對地攻擊首先進行方向瞄準，以投放域中心為目的飛行方向，火控系統通知飛控系統改變載機航向角，使

實時系統經過一個周期后，航向角發生改變，此時“旋轉”投放域，得到新的投放域中心Mf，綜合當前態勢，重新計算(9)式。ΔK＝0時，方向瞄準完成。此時有：

λ表示兩向量絕對值的比值。距離瞄準完成時，即載機進入目標投放域，應有

判斷距離瞄準完成：

上式中i，j滿足如下關系：

當fi(i＝1，2…6)＜0時，CCRR定距瞄準完成，武器系統自動投放制導炸彈。

4　仿真結果

4.1彈道解算積分算法對比

對某型號制導炸彈采用四階龍格庫塔法，分別對時間、定步長角度及變步長角度進行積分，其中變步長角度采用(7)式，以彈丸落地為積分終止條件解算彈道諸元，算法仿真結果比較如表1所示：

對時間積分的傳統方式得到的結果是最精確的，但相應的計算代價最大。對角度積分算法的積分次數大大減小，并且相對于定步長角度積分，變步長角度積分算法采用初始大步長、末端小步長的方式，降低了算法時間復雜度的同時，與時間積分的結果更為相近，解算精度更高。

表1　積分算法仿真結果比較（空速V=300 m/s，載機高度H=5 000 m，水平投放）

4.2自動瞄準、攻擊過程仿真

選定一組作戰條件對制導炸彈水平轟炸過程進行仿真。在空軍標準氣象條件下，載機空速V＝360 m/s，起始航向角K＝－30°，飛行高度H＝6 000 m，以載機起始位置為原點建立慣性坐標系，任務目標位置(27 000，0，21 000)m?；趶椀滥┒俗儾介L快速積分算法與制導炸彈自動瞄準、攻擊火控算法進行攻擊過程仿真，得到仿真結果如圖8所示。

由仿真結果可以看到，載機以較為平滑的攻擊軌跡進入預定投放姿態的目標投放域，對地面目標實施自動瞄準、攻擊。

圖8　自動瞄準、攻擊全過程仿真結果

5　結 論

現代空對地作戰正在朝精確化、智能化、靈活化方向發展，作為精確制導武器的空地制導炸彈成為對地轟炸研究的重點，與之相關的火控技術對于武器系統性能的提高更是有著至關重要的作用。本文以綜合飛行/火力控制系統(IFFC)為平臺，對空地制導炸彈展開研究，提出了彈道末端變步長角度積分算法，使得彈道模擬速度與精確度大大提高，能夠很好地應用于實時系統動態火控解算；對自動瞄準、攻擊流程進行分析，探索連續計算投放域的火控原理及公式，仿真結果顯示了良好的作戰效果。

［1］ 龔華軍，楊一棟.智能火力/飛行綜合控制系統研究［J］.東南大學學報(自然科學版)，2003(Suppl1)：27-30

Gong Huajun，Yang Yidong.Intelligent Integrated Fire/flight Control System Based on Genetic Algorithm［J］.Journal of Southeast University(Natural Edition)，2003(Suppl1)：27-30(in Chinese)

［2］ 陳紹煒，陳勇，吳福平.制導炸彈可達域的快速積分解算［J］.西北工業大學學報，2001，19(03)：447-450

Chen Shaowei，Chen Yong，Wu Fuping.A New CCAR Approach for Raising Hitting Precision of Guided Bomb［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2001，19(03)：447-450(in Chinese)

［3］ Josiah T VanderMey，David B Doman，Adam R Gerlach.Release Point Determination and Dispersion Reduction for Ballistic Air-Drops［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2015，38：2227-2235

［4］ 張求知，李克己，姜長生.激光制導炸彈的火控原理及應用［J］.電光與控制，2000(04)：29-35

Zhang Qiuzhi，Li Keji，Jiang Changsheng.The Fire Control Principle and Application of Laser-Guided Bomb［J］.Electronics Optics＆Control，2000(04)：29-35(in Chinese)

［5］ 李強，夏群利，崔瑩瑩，等.空地制導炸彈可攻擊區的快速解算方法［J］.兵工學報，2012(04)：390-394

Li Qiang，Xia Qunli，Cun Yingying，et al.A Fast-Solving Method of Allowable Attack Area of Air-to-Surface Guided Bombs［J］.Acta Armamentarii，2012(04)：390-394(in Chinese)

［6］ 張煜，王楠，陳璟，等.空地多目標攻擊中制導炸彈可投放區計算研究［J］.兵工學報，2011(12)：1474-1480

Zhang Yu，Wang Nan，Chen Jing，et al.Research on Launch Acceptable Region for Guided Bombs in Air-to-Ground Multitarget Attack［J］.Acta Armamentarii，2011(12)：1474-1480(in Chinese)

Researching Integrated Flight/Fire Control System of Air-to-Ground Guided Bombs

Huang Yan，He Jianhua，Zhou Menglong，Gao Chaoyi
(School of Electronics Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710129，China)

The composition of Integrated Flight/Fire Control(IFFC)system of air-to-ground guided bombs is discussed in this paper.A platform based on IFFC is applied to researching the core content of the IFFC system-dynamic fire control calculation algorithm.For the purpose of simulating release region fast and accurately，we propose ballistic final stage variable step integration algorithm，which optimizes the angle integration method.The mathematical model of Continuously Computed Release Region(CCRR)based on the fast calculation algorithm is established and the direction，distance aiming principle formula of CCRR is derived，which achieves the auto-aiming and autoattacking of air-to-ground bomb.The simulation results show good performance of the algorithm，which attains good combat effectiveness.The algorithm proposed by us can be applied to the design of airborne combat assignment software，which requires real-time capability，accuracy and flexibility strictly.

angular velocity，computer simulation，cost reduction，guidance systems，flexible electronics，fight control system，flow velocity，mathematical models，real-time control，air-to-ground attack，rapid calculation，automatic aiming attack，IFFC(Integrated Flight/Fire control)，precise guidance.

V249

A

1000-2758(2016)02-0275-06

2015-09-02基金項目：航空科學基金(2013ZC53038)資助

黃炎(1991—)，西北工業大學碩士研究生，主要從事先進航空火力控制理論的研究。