反艦導彈末制導雷達基于GIS對島岸附近目標搜索策略

吳 帥，謝春思，李進軍，張小東，李 強，郭 策

(海軍大連艦艇學院 a.學員五大隊; b.導彈與艦炮系， 遼寧 大連 116018)

島岸附近作戰，美海軍稱為瀕海戰斗，是海上作戰的重要樣式。島岸的遮擋和掩護，成為水面艦艇的天然庇護所[1-3]。而對于攻擊方來說，如何能從島岸背景下搜索到目標，并對其實施精準打擊，是反艦導彈作戰使用一個亟待解決的問題。從目前可獲取文獻和資料分析，研究工作主要從技術和戰術使用兩個方向開展。在技術方面，文獻[4]提出了一種利用GIS對島岸雜波進行消除的方法來抑制島岸環境對目標搜索帶來的干擾，從而避免導彈對島岸目標的誤捕，但方法過于理想，應用前景有限。在戰術使用方面，文獻[2-4]中在考慮自控終點散布誤差的情況下，提出了雷達搜索的最小離岸距離及搜索扇面角的計算方法，但未能具體應用；文獻[5]中提出了導彈平行島岸射擊時目標探測的方式，但未能結合復雜多變的地理環境。針對以上方法的不足，本研究提出了基于GIS地理信息系統更加精確的確定導彈的搜索與攻擊方向的方法，為導彈的航路規劃提供了參考依據。

1 島岸附近目標選捕的影響

反艦導彈飛抵自控終點時末制導雷達開機對目標進行搜索、識別、選擇和跟蹤，最后進行打擊。但在島岸背景下，末制導雷達分辨島岸和目標極其困難，極易將島岸錯捕成目標，給末制導雷達對目標的截獲和識別帶來困難。

一般來說，島岸附近的復雜地理背景和島岸上的建筑均會對反艦導彈末制導雷達捕捉目標產生影響。島岸的自然地理環境復雜多變，茂密的森林、高聳的懸崖、高低起伏的山脈、島岸附近零星的礁石，還有縱深狹長的港灣等都會產生強烈的雷達回波[5]。并且，不同質地物理背景的雷達回波也不同，小坡度、低地勢的沙土的雷達回波信號較弱，而懸崖、礁石的雷達回波較強。同時，島岸上高大的建筑物、營區、碼頭等，也會影響末制導雷達對島岸附近目標的搜索與捕捉[6]。雷達回波的錯綜復雜，使得反艦導彈末制導雷達對島岸附近目標的搜捕變得更加困難。

反艦導彈末制導雷達除對島岸附近目標搜索存在困難之外，還存在對多目標識別和選擇的困難。在對島岸附近目標搜索和識別的過程中，停泊在碼頭或低速行駛的商船、游船或漁船，都會成為雷達選擇的目標，并且型號不同的船只也會對目標的識別和選擇產生干擾，加大了末制導雷達對目標識別和選擇的難度[7]。當島岸被錯捕為目標，“島岸目標”和預定目標混雜在一起，雷達如何從眾多島岸附近目標及島岸目標中識別和選擇出預定目標，是一個需要解決的難題[8]。

2 基于GIS搜索島岸附近目標可行性分析

在打擊島岸附近目標時，GIS所提供的地形空間信息和描述性信息，能夠為反艦導彈末制導雷達搜索目標提供幫助。根據獲取的目標位置信息，結合GIS提供的目標區域附近島岸地理特征信息，可以規劃導彈的最佳搜索和攻擊方向。同時，通過調整末制導雷達搜索圖，使導彈開機后僅覆蓋目標區域，從而最大可能避免島岸環境的雜波干擾。

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是一個基于計算機硬件和軟件系統，對地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述以及輔助決策的技術系統[9]。它能夠很好地描述物質的屬性，空間的坐標與時間三者之間的關系，并且能夠對空間數據進行分析、綜合和查詢。

一般的，地理信息系統中儲存的地圖包括最基本的兩個信息：空間信息和描述信息。空間信息是用來描述地理特征的位置和形狀及特征間的空間關系，而描述信息則用來反映這些地理特征的組成成分[10]。地理信息系統中提供的島岸信息包括以下特征[11]。

1) 對島岸空間查詢分析

島岸空間查詢分析主要包括基于空間圖形數據的分析運算、基于非空間屬性的數據運算以及空間和非空間數據的聯合運算。可以準確獲得島岸地理空間信息，提取和傳輸島岸地理空間信息，為反艦導彈的末端搜索和攻擊方向提供輔助決策。

2) 對島岸層疊分析

將島岸不同數據圖層疊加在一起進行圖形運算和分析，可以產生新的空間圖形和屬性，確定具有不同地理屬性的要素分布，獲得島岸空間隱含信息。GIS對島岸的層疊分析，可以充分了解島岸的地理分布、島岸建筑分布等信息，為反艦導彈的航路規劃提供參考。

3) 對島岸數字地形模型(DTM)與地形分析

DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地形參數，如坡向、坡度、地表粗糙度等，并進行通視分析、流域結構生成等應用分析。不同地形對雷達回波強弱有所影響，GIS所提供的島岸地形參數分析，便于反艦導彈末端搜索和攻擊方向的選擇。

從戰術使用角度，解決島岸附近目標搜索的問題，主要方法就是通過提高導彈射擊精度、規劃末端攻擊方向和設置末制雷達搜索圖，使得導彈在自控終點開機后，搜索到目標的同時不覆蓋到島岸目標。首先，根據GIS提供的島岸邊緣坐標，目標群中心位置坐標，解算出相對位置關系，計算出最小對島岸附近目標搜索的距離，據此規劃末端攻擊方向。然后，根據目標射擊距離，結合自控終點的散布誤差，確定末制導雷達開機點，保證雷達在對目標區域搜索過程中不會誤捕到島岸上的目標，可極大提高反艦導彈對島岸附近目標的搜捕概率。

3 基于GIS搜索島岸附近目標模型

反艦導彈在對島岸附近目標實施搜索和攻擊時，首先要對GIS提供的島岸邊緣位置信息和目標群中心位置進行相對位置的解算。然后，確定反艦導彈末端攻擊方向。最小對島岸附近目標搜索的距離由反艦導彈末制導雷達分辨精度、導彈的自控終點散布誤差等因素共同決定。在導彈末端確定的搜索方向上，通過調整末制導雷達自控終點的開機位置以及搜索波門，避免末制導雷達在搜索方向上捕捉到島岸目標，減少了雷達對目標截獲和選擇的難度，從戰術使用上降低了對末制導雷達性能的要求，增強了導彈使用的靈活性。

3.1 島岸相對態勢的解算

一般來說，GIS信息和目標位置信息坐標系基準不一致，為便于在同一平面內進行處理運算，需要將球面坐標系轉換到直角坐標系。然后，解算發射艦船坐標、目標群坐標、島岸坐標相對位置，并在此基礎上完成反艦導彈末端攻擊方向的選擇[12]。考慮到導彈末制導雷達搜索距離較近，將導彈飛行的表面近似看作是水平面[13]。

為方便計算，采用簡化的坐標轉換公式。將目標經緯度坐標轉換成直角坐標系下的坐標。例如目標位置(x,y)(其中x為目標的經度，y為目標的緯度)轉換成以艦船為坐標原點的直角坐標系下的坐標為(X,Y,Z)，設地球的半徑為R，那么直角坐標系下轉換公式為：

X=Rcosycosx

Y=Rcosysinx

Z=Rsiny

(1)

對于球面的任意兩點A(x1,y1)，B(x2,y2)，對應直角坐標系下的坐標為A(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，則AB兩點的水平距離L0為

(2)

兩點直線距離L1為

(3)

由式(2)可確定目標區域到島岸最小距離Dmin。

設艦船位置為O(x1,y1)，坐標系中任意一點的位置為C(x2,y2)，則目標點C相對于艦船O點的方位θ為：

θ=arcsinL×180/π

(4)

其中：

L=cosx1sin(y1-y2)l

(5)

(6)

反艦導彈末制導雷達最小對島岸附近目標搜索距離σ由導彈自控終點的散布誤差、末制導雷達分辨精度(包括距離分辨率θd、方位分辨率θλ)共同決定。反艦導彈自控終點的散布誤差主要是隨機誤差，即導彈自控終點的橫向和側向概率誤差(Ez，Ex)。文獻[14]中給出了Ez和Ex計算的回歸公式：

Ez=-95.366+45.255 9·Dzk(Dzk≥5 km)

(7)

Ex=409.359 3+18.954 7·Dzk(Dzk≥5 km)

(8)

其中Dzk為導彈自控飛行距離。

考慮到末制導雷達分辨精度的優先性，在確定反艦導彈最小對島岸附近目標搜索距離時，應優先滿足末制導雷達距離分辨精度θd。則反艦導彈最小對島岸附近目標搜索距離σ可由導彈自控終點的縱向概率誤差及末制導雷達距離分辨精度θd共同確定。

σ=Ez+θd

(9)

3.2 導彈對島岸附近目標搜索的流程圖

圖1為反艦導彈末制導雷達對島岸附近目標搜索的流程圖。

在規劃反艦導彈對島岸附近目標搜索航線時，首先從GIS中獲取島岸邊緣地理位置信息，結合目標群的中心位置點坐標，根據島岸邊緣坐標分布與目標群中心位置點的相對位置，計算出目標群中心距離島岸的最小距離Dmin。判斷最小距離Dmin是否滿足導彈垂直島岸搜索目標的條件，即距離島岸的最小距離Dmin要大于導彈末制導雷達距離分辨精度與導彈自控終點垂直島岸方向的散布誤差之和。如果滿足距離條件，則選擇垂直島岸方向進行目標搜索。否則，選擇平行島岸對目標進行搜索。通過調整雷達搜索圖，避免島岸干擾。

圖1 反艦導彈對島岸附近目標搜索流程

平面坐標系下，發射艦船對島岸附近目標搜索的模型如圖2所示。

圖2 島岸附近目標搜索模型

如圖2所示，點A為發射艦船位置，點B為目標群的中心點，CDE為島岸線，BD為目標群中心點到島岸最近距離，長度為Dmin。記導彈最小對島岸附近目標搜索的距離為σ，大小由雷達距離分辨精度與導彈自控終點散布誤差決定。當Dmin>σ時，選擇導彈垂直于島岸BF方向進行目標搜索方位角為(π-α)；當Dmin<σ時，選擇導彈平行于島岸HB方向進行目標搜索方位角為β。

4 算例及分析

在Matlab的環境中，對圖2島岸附近目標搜索模型進行仿真驗算。

1)Dmin<σ時反艦導彈對島岸附近目標搜索模型的仿真

仿真結果如圖3所示。

為方便計算，對島岸線坐標選取進行了簡單化處理。圖3中曲線DEFBG為模擬的島岸線，點C為標記的目標群的中心點位置，點A處為發射艦船。本次仿真設置的導彈最小對島岸附近目標搜索的距離σ=2。經計算，目標群的中心點距離島岸的距離Dmin=1，小于最小允許距離，則選擇平行島岸飛行的方向進行目標搜索。點H為反艦導彈末制導雷達的搜索扇面，虛線即為雷達搜索目標的航向。由仿真結果可以看出，達到了預期目標，證明了設想的方案的可行性。

圖3 Dmin<σ時島岸附近目標搜索模型仿真

2)Dmin≥σ時反艦導彈對島岸附近目標的搜索模型仿真

仿真結果如圖4所示。如圖4曲線DEFBG為模擬的島岸線，點C為標記的目標群的中心點位置，點A處為發射反艦導彈的艦船。仿真設置的導彈最小對島岸附近目標搜索的距離σ=2。經計算，目標群的中心點距離島岸的距離Dmin=2，大于最小允許距離，則選擇垂直島岸飛行的方向進行目標搜索。點H為導彈末制導雷達的搜索扇面，虛線即為雷達搜索目標的航向。由仿真結果可以看出，當目標距離大于最小允許距離時，反艦導彈能夠正確地選擇垂直島岸方向進行目標搜索，達到了預期目標。

圖4 Dmin≥σ時島岸附近目標搜索模型仿真

通過調整目標與島岸距離，驗證了在不同距離范圍內，設計的模型都能選擇正確的搜索方向，從戰術方面保證了反艦導彈末制導雷達在覆蓋到目標區域的同時不捕捉到島岸目標，達到了預期目標。證明了所提方案的可行性以及模型的正確性。

5 結論

1) 提出的反艦導彈末制導雷達基于GIS(地理信息系統)對島岸附近目標搜索方向選擇方法，對解決反艦導彈對島岸附近目標搜索時因島岸干擾而誤捕到島岸目標的問題有著借鑒意義。

2) 該方法從戰術角度避免島岸干擾，通過判斷島岸與目標距離和導彈末制導雷達不覆蓋到島岸最小距離的大小，選擇最佳搜索方向，從而提高反艦導彈末制導雷達的搜捕概率。

3) 根據設想的方案，建立了反艦導彈基于GIS對島岸附近目標搜索的模型，并對該模型進行仿真，仿真結果驗證了該方法的可行性與正確性。