相對坐標指令形成方案的地空導彈截獲概率分析

張 鑫

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

【裝備理論與裝備技術】

相對坐標指令形成方案的地空導彈截獲概率分析

張 鑫

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

中遠程地空導彈普遍采用捷聯慣導+數據鏈+末制導的復合制導體制，為保證較高的截獲概率，中制導多采用相對坐標的指令形成方案；提出了一種截獲概率的估算方法；將影響導彈截獲概率的因素分解為導彈和目標坐標的測量誤差以及導彈天線的空間指向誤差，根據相對坐標的指令形成原理，將上述誤差合成為目標角度指示誤差，并給出截獲概率的計算方法；最后通過算例計算分析了采用相對坐標指令形成方案的地空導彈截獲概率優于采用絕對坐標指令形成方案的原因。

地空導彈，截獲概率，指令形成方案，相對坐標

新型中遠程地空導彈通常采用捷聯慣導+數據鏈+主動雷達末制導的復合制導體制，制導過程一般分為初制導、中制導和末制導[1-4]。中制導和末制導的交接班成功概率(即截獲概率)是中制導的最主要指標之一。

指令形成方案是指在制導體制、導引方法基本確定的前提下，如何充分利用彈上和地面可獲得的導彈、目標信息來形成導彈修正指令的基本方案。根據雷達測量坐標的不同，指令可以有兩種形成方案：一種是絕對坐標指令形成方案，另一種是利用相對坐標的指令形成方案[5]。定性而言，用相對坐標形成的修正指令比用絕對坐標形成的指令精度高。隨著對地空導彈射程要求的不斷提高，對修正指令的精度要求也越來越高，因此相對坐標的指令形成方案得到了越來越多的重視。但相關文獻的研究多集中在絕對坐標指令形成方案的截獲概率計算和研究上[6-8]，對相對坐標指令形成方案的截獲概率計算方法的研究有所欠缺。

針對上述問題，本文從導彈中末制導交接班時目標角度指示誤差研究入手，研究了基于相對坐標指令形成方案地空導彈截獲概率計算方法，并分析了相對坐標指令形成方案精度優于絕對坐標指令形成方案的原因。

1 相對坐標指令形成方案

相對坐標指令形成方案是利用地面雷達測量導彈的位置信息，以及彈目相對角度信息，并利用上述信息求解出目標位置坐標，最后通過數據鏈發送給導彈。由于中遠程地空導彈多是應答式跟蹤，因此雷達對導彈的測量精度很高。考慮到測量相對角度可抵消雷達的部分系統誤差，雷達對彈目相對角度信息測量精度比較高，因此用相對坐標形成的修正指令比用絕對坐標形成的指令精度要高。當對修正指令精度要求比較高時，采用相對坐標指令形成方案更合適。

(1)

在考慮雷達測角誤差時，雷達對導彈的測角信息為

(2)

其中：αM和βM分別為導彈準確的角度信息；δα和δβ分別為雷達的測角誤差。

在考慮雷達測角誤差時，雷達測量的彈目相對角度信息為

(3)

其中：φ和φ分別為彈目準確的相對角度信息；δφ和δφ分別為雷達的相對測角誤差。

2 基本假設[9]

截獲概率的詳細計算是非常復雜的，精確的計算需要通過數字仿真完成，本文僅進行簡化分析，供武器系統論證和初步設計時使用。因此，在不失工程意義的前提下假設：

1) 截獲概率是速度截獲概率、距離截獲概率和角度截獲概率的乘積。其中，速度截獲和距離截獲較為容易，角度截獲是最難的。因此，本文假設只要角度實現截獲，其他兩項就能完成截獲。

2) 雷達對導彈的測角誤差、對彈目相對角度誤差以及對目標和對導彈的測距誤差相互獨立。

3) 雷達、目標、導彈均在同一垂直平面內運動(在水平面內可進行類似的分析，并在計算截獲概率時將垂直平面內和水平平面內的目標指示誤差考慮為誤差圓)。

4) 不計地球轉動引起的誤差，即重力加速度在慣性坐標系的分量已在導彈慣性坐標系的算法中得到修正或可忽略。

5) 考慮遠距離迎頭攻擊情況，此時∠MTO為小量，可以忽略X方向上的誤差，僅考慮Y方向的誤差。雷達、導彈和目標在垂直方向的相互位置關系見圖1。

圖1 雷達、導彈和目標垂直方向的相互位置關系

3 相對坐標指令形成方案的導彈目標角度指示誤差分析

3.1 導彈坐標的測量誤差

導彈的位置由地面雷達測量獲得，其誤差源主要是雷達的測角誤差和測距誤差。假設雷達對導彈的測角誤差和測距誤差為相互獨立的分量，因此導彈在Y軸方向上的坐標測量值為

(4)

其中：r為導彈-雷達的距離，δr為雷達對導彈的測距誤差在Y軸上的分量。

根據式(2)和式(4)，并考慮雷達對導彈的測角誤差δα為小量，可得：

(5)

導彈在Y軸方向上的坐標真值為

YM=sinαMr

(6)

根據式(5)和式(6)，可得導彈在Y軸上的測量誤差δYM：

δYM=δαcosαMr+δr

(7)

3.2 目標坐標的測量誤差

目標在Y軸方向上的坐標測量值：

(8)

其中，R為目標距雷達的距離；δR為雷達對導彈的測距誤差在Y軸上的分量；δYW為數據鏈傳輸間隙由于目標機動引起的目標坐標的變化量。

根據式(1)和式(3)，可將式(8)改寫：

(9)

目標在Y軸方向上的坐標真值：

YM=RsinαM+Rsinφ

(10)

根據式(9)和式(10)，并考慮到雷達對導彈的測角誤差δα以及雷達對彈目相對角度測量誤差δφ為小量，可得目標在Y軸上的測量誤差為

δYT≈RδαcosαM+Rδφcosφ+δR+δYW

(11)

3.3 導彈天線空間定向的偏移誤差

導彈天線空間定向的誤差近似為

(12)

3.4 目標角度指示誤差的估算

考慮導彈天線波束空間定向的誤差后，總的目標角度指示誤差δφH為

(13)

其中：D為導引頭截獲距離，在∠MTO為小角度時D≈R-r。

由式(7)、式(11)、式(12)和式(13)，可得：

(14)

式(14)中，雷達對目標的測距誤差δR和對導彈的測距誤差δr為不相關的參數，因此二者不可互相抵消。由于只能通過彈道仿真才能確定αM和φ，為了方便使用，此處假設cosαM≈1和cosφ≈1。當滿足上述假設時，目標角度指示誤差最大，相應的截獲概率最低，便于工程設計上留出部分余量，因此假設是比較合理的。

根據上述假設，式(14)可改寫：

(15)

目標角度指示誤差與各項誤差源的關系如表1所示。

表1 目標角度指示誤差與各誤差源的關系

4 截獲概率分析

4.1 截獲概率計算

截獲概率為目標落入導引頭視場的概率和導引頭對目標的識別概率的乘積，導引頭對目標的識別概率在導引頭指標確定后是不變的，這里只考慮目標落入導引頭視場的概率。在假設上述各誤差源為獨立的正態分布的前提下，截獲概率服從瑞利分布[10]：

P=1-exp(-φ2/2σ2)

(16)

其中：σ為上述各項誤差平方和的均方根；φ為導引頭的半視場角。

根據式(15)，可得目標角度指示誤差：

(17)

4.2 截獲概率分析

取中末制導交接班時目標距雷達的距離為R=100 km，對典型的三代機(RCS=2 m2)導引頭截獲距離D=20 km，數據鏈發送周期為1 s，目標機動為3 g，中末制導交接班時慣導位置誤差δP為150 m(不計對準誤差)。采用相對坐標的指令形成方案的目標指示誤差和截獲概率計算按本文提出的方法，采用絕對坐標的指令形成方案的目標指示誤差和截獲概率計算按文獻[6]給出的方法(表2)。

表2 兩種指令形成方案的目標指示誤差計算

假定導引頭視場角分別為±1.5°、±2°和±2.5°，目標的截獲概率計算結果見表3。

表3 攔截三代機時兩種指令形成方案截獲概率計算

當導彈對具備一定隱身能力的飛機(RCS=0.1 m2)進行攔截時，根據雷達方程，可估算導引頭探測距離僅約9.45 km，在其他指標不變的情況下，限于篇幅，不再給出目標指示誤差計算表，僅按照同樣的方法，計算兩種指令形成方案的截獲概率，如表4所示。

表4 攔截隱身目標時兩種指令形成方案截獲概率計算

根據表2和表3，相對坐標方案的目標指示誤差較絕對方案的目標指示誤差為有明顯下降，故截獲概率也有了明顯改善。根據表4，在導引頭探測距離大幅下降的情況下，當其視場角達到2.5°時，采用相對坐標形成方案，截獲概率可達96%，滿足導彈設計時截獲概率不小于95%的一般要求，當導引頭視場角減小時，截獲概率降幅較小，導彈仍具備一定的攔截能力；而采用絕對坐標指令形成方案，則截獲概率下降至明顯不可接受的程度，導彈對目標基本失去了攻擊能力。

在絕對坐標的指令形成方案中，雷達絕對測角誤差和對準誤差均與中末制導交接班時目標距雷達的距離成正比，因此目標指示誤差的放大效應嚴重，影響了截獲概率。在相對坐標形成方案中，則由于未采用慣導的定位信息，對準誤差未被放大，且通過抵消，雷達的絕對測角誤差也未被放大，而僅有雷達相對測角誤差被放大，但由于雷達系統誤差可被抵消，相對測角誤差必然小于絕對測角誤差。因此，采用相對坐標的指令形成方案，可減小導彈測量誤差和目標測量誤差，即提高了彈目相對坐標測量精度，截獲概率能夠得到提高。

5 結論

理論分析和算例仿真后，可得出結論如下：相對坐標指令形成方案精度較高，是因為避免了導彈慣導對準誤差和雷達絕對測角誤差引起的目標指示誤差的放大效應。這也表明上述兩項誤差是采用絕對坐標指令形成方案時應著重控制的誤差源。當采用絕對坐標指令形成方案無法滿足截獲概率要求時，可考慮采用相對坐標指令形成方案。

本文提出的截獲概率計算方法是一種簡化的計算方法，如何建立更詳細的模型，提高截獲概率計算精度是下一步研究的重點。

[1] 唐明南，張維剛，宋海凌，等.防空導彈武器中末制導交班靈敏度分析[J].現代防御技術，2012，40(2):36-40.

[2] В.Т.斯維特洛夫，И.С.戈盧別夫.防空導彈設計[M].北京:宇航出版社，2004.

[3] VATHSAL S，SARKAR A K.Current Trends in Tactical missile Guidance [J].Defence Science Journal.2005，55(2):265-280.

[4] 張大元，雷虎民，李海寧.復合制導導引頭開機截獲概率估算[J].固體火箭技術，2014,37(2):150-155.

[5] 袁起.防空導彈武器制導控制系統設計[M].北京:中國宇航出版社,1996.

[6] 宋強，陳占海.地空導彈目標截獲概率分析[J].四川兵工學報，2013，34(8)：30-32.

[7] 錢波，韓林頻，齊潤東.低空情況下中末制導交班問題解決方案探討[J].現代防御技術，2010,38(4)：31-34.

[8] 張鑫，張丕旭.防空導彈中末制導交班成功概率評估方法[J].四川兵工學報，2013,34(2)：41-44.

[9] 薛曉東，劉代軍，楊亞麗.直升機載遠程空地導彈發射后截獲概率分析[J].彈箭與制導學報，2012，32(3):22-229.

[10]李友年，王霞，李記新.無數據鏈情況下紅外空空導彈射后截獲概率研究[J].四川兵工學報，2013，34(10):4-7.

(責任編輯周江川)

Interception Probability Analysis of Ground-to-Air Missile Based on Relative Coordinate Command Forming Scheme

ZHANG Xin

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Medium/long range ground-to-air missiles usually adopt a combined guidance of strapdown inertial navigation system(SINS), data link and terminal. In order to realize high target acquisition probability(TAP), mid-course guidance based on relative coordinate command scheme is usually employed. A method of estimating the TAP approximately was provided. Factors affecting TAP was divided into missile position measurement error, target position measurement error, antenna azimuth and pitch error, and then these error was synthesized target angle indication error according to the principle of relative coordinate command scheme, and the TAP was calculated. Finally, the advantages of the relative coordinate command scheme was analyzed according to the numerical example.

ground-to-air missile; acquisition probability; command scheme; relative coordinate

2016-08-11；

2016-09-25

張鑫(1984—)，男，博士，高級工程師，主要從事地空導彈武器系統總體研究。

10.11809/scbgxb2017.01.004

張鑫.相對坐標指令形成方案的地空導彈截獲概率分析[J].兵器裝備工程學報，2017(1):17-20.

format:ZHANG Xin.Interception Probability Analysis of Ground-to-Air Missile Based on Relative Coordinate Command Forming Scheme[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):17-20.

TJ765.4

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