半主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)交接方法*

趙永濤，王義冬，郭強(qiáng)

(1 中國(guó)人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100072；2 北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100039)

0 引言

為對(duì)抗反艦導(dǎo)彈的飽和攻擊，艦空導(dǎo)彈要具備超視距攔截低空反艦導(dǎo)彈的能力，以擴(kuò)大艦空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)空域，使攔截次數(shù)增加，從而提高對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的攔截概率[1-6]。對(duì)于半主動(dòng)尋的制導(dǎo)體制的艦空導(dǎo)彈，超視距攔截時(shí)，由于目標(biāo)在發(fā)射平臺(tái)的視距之外，發(fā)射平臺(tái)的艦載雷達(dá)無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)，同時(shí)發(fā)射平臺(tái)的照射器也無(wú)法照射到目標(biāo)。需要協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)與發(fā)射平臺(tái)相互協(xié)作，即由協(xié)同平臺(tái)艦載雷達(dá)探測(cè)跟蹤目標(biāo)，并控制照射器照射目標(biāo)，發(fā)射平臺(tái)發(fā)射導(dǎo)彈后，將導(dǎo)彈引入到協(xié)同平臺(tái)照射器的直波信號(hào)區(qū)域，將制導(dǎo)權(quán)交給協(xié)同平臺(tái)，轉(zhuǎn)入照射制導(dǎo)。

如何確保制導(dǎo)權(quán)的可靠成功交接，是實(shí)現(xiàn)超視距攔截能力的關(guān)鍵技術(shù)[5-10]。文獻(xiàn)[10]針對(duì)主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈超視距制導(dǎo)交接問(wèn)題，設(shè)計(jì)了接力切換式制導(dǎo)交接方案，但由于半主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈的制導(dǎo)機(jī)制與主動(dòng)式制導(dǎo)機(jī)制有本質(zhì)區(qū)別，此交接方案不適用于半主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈超視距攔截模式。本文通過(guò)研究半主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈超視距攔截流程和無(wú)線電通信的工作機(jī)制，結(jié)合程序彈道解算技術(shù)，提出了直接式和交互式2種協(xié)同制導(dǎo)交接方法，并對(duì)設(shè)計(jì)的交接方法進(jìn)行了詳細(xì)的可行性論證，給出了制導(dǎo)交接的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 艦艦協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)流程

艦艦協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)想定為：在作戰(zhàn)海域，艦艇A和艦艇B組成協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)艦艇編隊(duì)，編隊(duì)間通過(guò)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，在目標(biāo)來(lái)襲方向上艦艇B處于編隊(duì)的前方，目標(biāo)為低空飛行的反艦導(dǎo)彈，處于艦艇編隊(duì)的視距外。

艦艦協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)流程為：目標(biāo)低空高速向艦艇編隊(duì)飛行，隨著時(shí)間的推移，首先處于艦艇B的視距內(nèi)；艦艇B發(fā)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)，并通過(guò)編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈將火控級(jí)的目標(biāo)信息傳送給艦艇A，同時(shí)控制照射器對(duì)目標(biāo)實(shí)施連續(xù)波照射；艦艇A依據(jù)接收的目標(biāo)數(shù)據(jù)完成艦空導(dǎo)彈的發(fā)射；導(dǎo)彈飛入艦艇B照射器直波信號(hào)和目標(biāo)反射回波信號(hào)區(qū)域，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭接收直波和目標(biāo)回波信號(hào)，轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)飛行段，導(dǎo)彈按末制導(dǎo)控制指令朝向目標(biāo)飛行，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的超視距攔截。艦艦協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)如圖1所示。

圖1 艦艦協(xié)同制導(dǎo)示意圖Fig.1 Sketch map of ship-ship collaborative guidance handover

2 制導(dǎo)交接方法設(shè)計(jì)

2.1 直接式交接方法設(shè)計(jì)

直接式交接方法是指導(dǎo)彈發(fā)射后由初制導(dǎo)程序彈道直接飛向平臺(tái)B照射器直波信號(hào)和目標(biāo)反射回波的波束寬度內(nèi)，半主動(dòng)導(dǎo)引頭進(jìn)行直波鎖定和回波鎖定，從而轉(zhuǎn)入半主動(dòng)末制導(dǎo)飛行段，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的攔截。相對(duì)于單艦半主動(dòng)制導(dǎo)，直接式交接就是增加了導(dǎo)彈初制導(dǎo)段的飛行距離，將導(dǎo)彈制導(dǎo)直接交給平臺(tái)B的照射器，其流程如圖2所示。

圖2 直接式交接方法流程圖Fig.2 Flow chart of direct handover method

由圖2，直接式交接方法的具體步驟為：

步驟1：平臺(tái)B照射器連續(xù)照射目標(biāo)，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向平臺(tái)A實(shí)時(shí)傳送平臺(tái)B位置速度及時(shí)間信息、目標(biāo)位置速度信息、平臺(tái)B照射器波束指向信息，并傳送照射器照射頻率和編碼頻率。

步驟2：平臺(tái)A通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)接收平臺(tái)B傳送的信息，并對(duì)接收的信息進(jìn)行時(shí)空一致性處理，平臺(tái)A火控系統(tǒng)根據(jù)自身平臺(tái)位置速度信息、平臺(tái)B位置速度信息、目標(biāo)位置速度信息、平臺(tái)B照射器波束指向信息，解算導(dǎo)彈初制導(dǎo)程序彈道參數(shù)，包括預(yù)置裝訂角和轉(zhuǎn)彎時(shí)間參數(shù)，使導(dǎo)彈在t=tz-t0時(shí)刻(t為導(dǎo)彈飛行時(shí)間，tz為導(dǎo)彈初制導(dǎo)轉(zhuǎn)彎所需時(shí)間，t0為設(shè)定的固定時(shí)間)處于平臺(tái)B照射器直波信號(hào)和目標(biāo)反射信號(hào)的波束寬度內(nèi)。

步驟3：導(dǎo)彈發(fā)射后按裝訂的程序彈道飛行，平臺(tái)A通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向平臺(tái)B傳送停止數(shù)據(jù)鏈信息傳送信號(hào),平臺(tái)B接收信號(hào)，停止向平臺(tái)A傳送信息。

步驟4：導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)交接形勢(shì)進(jìn)行判斷，滿足交接條件，啟動(dòng)交接程序。

步驟5:導(dǎo)彈導(dǎo)引頭進(jìn)行直波鎖定，完成直波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)直波跟蹤，為導(dǎo)引頭提供直波頻率基準(zhǔn)。

步驟6：導(dǎo)彈導(dǎo)引頭進(jìn)行回波鎖定和跟蹤，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入末導(dǎo)引控制指令飛行階段，交接結(jié)束。

可見(jiàn)，采用直接式交接方法時(shí)，發(fā)射平臺(tái)完成導(dǎo)彈發(fā)射后不做任何操作，平臺(tái)和導(dǎo)彈之間沒(méi)有信息交互，導(dǎo)彈由彈上計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行交接形勢(shì)判斷與交接控制。

2.2 交互式交接方法設(shè)計(jì)

交互式交接方法是指平臺(tái)A發(fā)射導(dǎo)彈后，實(shí)時(shí)與導(dǎo)彈進(jìn)行信息交互，對(duì)交接過(guò)程進(jìn)行控制，保證導(dǎo)引頭對(duì)平臺(tái)B照射器直波信號(hào)和目標(biāo)反射回波信號(hào)的鎖定跟蹤，其流程如圖3所示。

由圖3，交互式交接方法的具體步驟為：

步驟1：平臺(tái)B照射器連續(xù)照射目標(biāo)，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向平臺(tái)A實(shí)時(shí)傳送平臺(tái)B位置速度及時(shí)間信息、目標(biāo)位置速度信息、平臺(tái)B照射器波束指向信息,并傳送照射器照射頻率和編碼頻率。

步驟2：平臺(tái)A通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)接收平臺(tái)B傳送的信息，并對(duì)接收的信息進(jìn)行時(shí)空一致性處理，平臺(tái)A火控系統(tǒng)根據(jù)自身平臺(tái)位置速度信息、平臺(tái)B位置速度信息、目標(biāo)位置速度信息，解算導(dǎo)彈初制導(dǎo)程序彈道參數(shù)。

步驟3：導(dǎo)彈發(fā)射后按初制導(dǎo)控制指令飛行，當(dāng)t=tz時(shí)，初制導(dǎo)結(jié)束。

步驟4：平臺(tái)A向?qū)棸l(fā)送無(wú)線電指令，包括詢問(wèn)信號(hào)和制導(dǎo)指令，同時(shí)，導(dǎo)彈接收應(yīng)答機(jī)回發(fā)應(yīng)答信號(hào)，并根據(jù)接收的制導(dǎo)信息生成中制導(dǎo)指令，導(dǎo)彈按中制導(dǎo)控制指令飛行。

步驟5：平臺(tái)A進(jìn)行交接形勢(shì)判斷，滿足交接條件時(shí)啟動(dòng)交接程序。

圖3 交互式交接方法流程圖Fig.3 Flow chart of interactive handover method

步驟6：平臺(tái)A向?qū)棸l(fā)送開(kāi)始直波鎖定交接信號(hào)，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭開(kāi)始直波鎖定，并將直波鎖定狀態(tài)發(fā)送給平臺(tái)A。

步驟7：導(dǎo)彈導(dǎo)引頭開(kāi)始直波鎖定t0時(shí)間后，導(dǎo)引頭開(kāi)始回波鎖定，并將回波鎖定狀態(tài)發(fā)送給平臺(tái)A。

步驟8：導(dǎo)彈導(dǎo)引頭完成回波鎖定，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入末導(dǎo)引控制指令飛行，平臺(tái)A停止發(fā)送無(wú)線電指令。

步驟9：平臺(tái)A通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)向平臺(tái)B傳送交接狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)平臺(tái)B接收到交接成功信號(hào)后,停止向平臺(tái)A傳送信息，交接結(jié)束。

相對(duì)于單艦半主動(dòng)制導(dǎo)，交互式交接在導(dǎo)彈的飛行過(guò)程中增加了中制導(dǎo)段，導(dǎo)彈按照中制導(dǎo)控制指令朝向目標(biāo)飛行，發(fā)射平臺(tái)A和導(dǎo)彈之間有信息交互，平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握交接狀態(tài)，并對(duì)交接進(jìn)行控制，可靠性高。

3 制導(dǎo)交接方法可行性論證

3.1 直接式交接方法可行性論證

由2.1節(jié)可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)直接式交接方法，需要解決4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈傳送技術(shù)、時(shí)空一致性轉(zhuǎn)換技術(shù)、協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)和交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈傳送和一致性轉(zhuǎn)換技術(shù)相關(guān)研究也比較成熟[11-13]，本節(jié)只對(duì)協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)和交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

(1) 協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)

協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)的設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)設(shè)計(jì)方案Fig.4 Scheme of program trajectory solution technology for collaborative guidance

由圖4，協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)的設(shè)計(jì)思路就是通過(guò)裝訂不同的姿態(tài)角和轉(zhuǎn)彎時(shí)間，使導(dǎo)彈在初制導(dǎo)段飛入不同的照射器直波信號(hào)區(qū)域。相對(duì)于單艦程序彈道解算技術(shù)，協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算的轉(zhuǎn)彎時(shí)間參數(shù)隨兩平臺(tái)相對(duì)位置信息和目標(biāo)信息而變化。

設(shè)導(dǎo)彈的速度特性一定，裝訂不同的俯仰角?z和轉(zhuǎn)彎時(shí)間tz，考慮導(dǎo)彈為一階延遲環(huán)節(jié)，初始俯仰角為89°，仿真得出導(dǎo)彈在初制導(dǎo)段的飛行軌跡如圖5所示。

圖5 導(dǎo)彈初制導(dǎo)段飛行軌跡Fig.5 Flight path of missile in initial guidance stage

從圖5可見(jiàn)，裝訂不同的姿態(tài)角和轉(zhuǎn)彎時(shí)間，導(dǎo)彈在初制導(dǎo)段可飛入不同的空域，協(xié)同制導(dǎo)程序彈道解算技術(shù)是可實(shí)現(xiàn)的。

(2) 直接式交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)

交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)的設(shè)計(jì)思路為：

導(dǎo)彈發(fā)射后按裝訂的程序彈道飛行，當(dāng)飛行時(shí)間t=tz-t0時(shí)導(dǎo)引頭進(jìn)行直波鎖定，完成直波調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)直波跟蹤，為導(dǎo)引頭提供直波頻率基準(zhǔn)；

導(dǎo)彈飛行時(shí)間t=tz時(shí)，導(dǎo)引頭進(jìn)行回波鎖定和跟蹤，轉(zhuǎn)入末導(dǎo)引控制指令飛行，交接結(jié)束。

可見(jiàn)，導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)依據(jù)裝訂的轉(zhuǎn)彎時(shí)間，按照時(shí)間序列對(duì)交接形勢(shì)進(jìn)行判斷和交接控制：當(dāng)t=tz-t0時(shí)啟動(dòng)交接程序；當(dāng)t=tz時(shí)進(jìn)行回波鎖定跟蹤，同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)彈自毀條件判斷，交接結(jié)束。

3.2 交互式交接方法可行性論證

實(shí)現(xiàn)交互式交接方法，需要解決無(wú)線電指令發(fā)送/接收技術(shù)和交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)。

(1) 無(wú)線電指令發(fā)送/接收技術(shù)

導(dǎo)彈初制導(dǎo)結(jié)束后轉(zhuǎn)入中制導(dǎo)段，平臺(tái)A將目標(biāo)位置、速度等制導(dǎo)信息和詢問(wèn)信號(hào)發(fā)送給導(dǎo)彈，導(dǎo)彈回發(fā)應(yīng)答信號(hào)，平臺(tái)依據(jù)接收的應(yīng)答信號(hào)識(shí)別、截獲導(dǎo)彈，進(jìn)而測(cè)出導(dǎo)彈的位置參數(shù)，完成對(duì)導(dǎo)彈的跟蹤；平臺(tái)A和導(dǎo)彈通過(guò)無(wú)線電指令發(fā)送/接收技術(shù)傳送交接信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)交接程序的啟動(dòng)和交接過(guò)程的控制。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線電指令發(fā)送/接收技術(shù)，需要在平臺(tái)上加裝無(wú)線電指令發(fā)送/應(yīng)答接收系統(tǒng)設(shè)備，在導(dǎo)彈上加裝接收應(yīng)答機(jī)[14-15]。

(2) 交接形勢(shì)判斷與控制技術(shù)

導(dǎo)彈發(fā)射后，平臺(tái)A根據(jù)導(dǎo)彈位置、平臺(tái)B時(shí)空信息、平臺(tái)B照射器波束指向，對(duì)交接形式進(jìn)行判斷，滿足交接條件時(shí)啟動(dòng)交接程序，并對(duì)交接過(guò)程進(jìn)行控制。

交互式交接形勢(shì)判斷技術(shù)設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 交互式交接形勢(shì)判斷技術(shù)設(shè)計(jì)方案Fig.6 Scheme of the estimation for the interactive guidance handover situation

由圖6知交接形勢(shì)判斷技術(shù)的設(shè)計(jì)思路為：

在中制導(dǎo)段，平臺(tái)A根據(jù)兩平臺(tái)的位置速度信息、照射器波束指向和旁瓣寬度，實(shí)時(shí)解算平臺(tái)B照射器的直波信號(hào)可接收區(qū)域，通過(guò)平臺(tái)A跟蹤雷達(dá)提供的導(dǎo)彈位置信息，實(shí)時(shí)判斷導(dǎo)彈是否飛入照射器的直波信號(hào)可接收區(qū)域，當(dāng)判斷導(dǎo)彈進(jìn)入直波信號(hào)可接收區(qū)域后，考慮導(dǎo)彈位置誤差和直波信號(hào)可接收區(qū)域解算誤差，可延時(shí)一定時(shí)間啟動(dòng)交接程序。

交接控制技術(shù)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 交互式交接控制技術(shù)設(shè)計(jì)方案Fig.7 Scheme of interactive handover control technology

由圖7，交接控制通過(guò)平臺(tái)與導(dǎo)彈之間發(fā)送/接收交接控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

3.3 制導(dǎo)交接方法對(duì)比分析

直接式交接方法的優(yōu)點(diǎn)在于其交接控制過(guò)程簡(jiǎn)單，導(dǎo)彈硬件不做任何改動(dòng)，只需改動(dòng)導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)飛行控制軟件中的直波鎖定開(kāi)始程序，易于實(shí)現(xiàn)。然而，由于在導(dǎo)彈發(fā)射后，初制導(dǎo)控制指令飛行時(shí)間較長(zhǎng)，平臺(tái)和導(dǎo)彈之間無(wú)信息交互，平臺(tái)無(wú)法掌握交接狀態(tài)，不能對(duì)交接邏輯進(jìn)行控制，可靠性低。

交互式交接方法除了要改動(dòng)導(dǎo)彈彈上計(jì)算機(jī)飛行控制軟件中的直波鎖定開(kāi)始程序、增加回波鎖定狀態(tài)監(jiān)控程序，還需要導(dǎo)彈加裝接收應(yīng)答機(jī)，導(dǎo)彈硬件改變較大。然而，由于引入了中制導(dǎo)段，初制導(dǎo)結(jié)束后平臺(tái)和導(dǎo)彈之間通過(guò)無(wú)線電指令發(fā)送/接收系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握交接狀態(tài)，并對(duì)交接邏輯進(jìn)行控制，可靠性高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)艦艦協(xié)同制導(dǎo)半主動(dòng)式艦空導(dǎo)彈超視距攔截目標(biāo)時(shí)的制導(dǎo)交接問(wèn)題，首次提出了直接式和交互式2種交接方法，并進(jìn)行了詳細(xì)的可行性論證，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)交接方法優(yōu)缺點(diǎn)的綜合比較，建議采用交互式制導(dǎo)交接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)權(quán)的交接，為艦艇編隊(duì)實(shí)現(xiàn)超視距攔截能力奠定了一定的理論基礎(chǔ)。