圖像傳輸可靠性對末制導炮彈的影響分析及使用建議*

陳 朋 馬翰宇

（1.陸軍炮兵防空兵學院研究生大隊 合肥 230031）（2.陸軍炮兵防空兵學院兵器工程系 合肥 230031）

1 引言

火炮常規彈丸產生巨大的彈藥消耗，達到的作戰效果卻并不理想，制導炮彈并沒有特殊的發射平臺，而是在使用和維護都不變的情況下，借助常規火炮平臺發射，在飛行過程中通過制導控制系統引導炮彈命中目標[1]，具有射程遠、精度高、反應迅速的優勢，彌補了常規彈藥的不足[2]。國內外對制導炮彈經過大量的研究，主要形成了全球定位系統（GPS）、毫米波、雷達或者紅外末段導引頭、慣性導航系統等制導方式[3]，已有諸如美國XM982神劍（Excalibur）[4]，增程制導彈藥（ERGM）[5]，俄羅斯的紅土地-M2制導炮彈[6]等多型制導炮彈研制成功并進行列裝。圖像末制導彈是一類新型的制導炮彈，具有制導精度高、效費比高等優點，受到國內外普遍重視[7]，但在實彈射擊過程中地面站偶爾會出現接收不到圖像，導致操縱手搜索目標困難甚至炮彈偏離目標的情況。對此，本文對炮彈飛行過程中圖像傳輸可靠性與命中概率的關系進行了分析，并以此為基礎提出采用圖解法合理選擇偵察位置及合理設置彈道的提高炮彈命中概率的作戰使用方法，希望能為部隊探索圖像末制導炮彈的作戰使用提供一些指導。

2 圖像末制導炮彈系統工作流程分析

圖像末制導炮彈是一種采用北斗衛星與電視圖像復合制導技術，通過彈載電視導引頭獲取目標區圖像，在后方地面站通過制導控制站實時選擇目標、自動鎖定目標的一種精確制導炮彈。圖像制導炮彈由電視導引頭、控制艙、戰斗部和尾艙等組成。彈丸出炮口后尾翼張開，彈丸進入無控飛行段。當彈丸掠過彈道頂點時，慣性陀螺開始測量彈體下滑角；根據衛星定位得到實時炮彈的坐標、速度信息以及目標坐標解算生成控制指令從而控制炮彈飛行目標區域[8]。接近目標區域時，炮彈將圖像導引探測的目標區域的圖像發送到地面站，地面操作手觀察圖像，發現目標后，凍結圖像并鎖定目標，系統自動跟蹤目標并調整彈丸飛行姿態，最終控制彈丸準確飛向選定的目標。彈丸碰擊目標或落地后，引信作用戰斗部起爆，完成對目標的毀傷。

地面站與炮彈間圖像的傳輸以電磁波為載體，如果地面站距離炮彈末制導段彈道較遠，傳輸穩定性會因兩者較遠的距離和遮蔽物而受到不利影響。因此，為提高圖像傳輸穩定性，同時結合炮兵部隊戰斗隊形配置，在實際作戰使用時地面站依然選擇配置在觀察所，隨偵察分隊操作使用。

3 圖像傳輸可靠性對圖像末制導炮彈的影響分析

根據圖像末制導炮彈的工作流程，我們可以把整個飛行彈道劃分為三段：無控段、中制導段、末制導段[9]。末制導段影響因素主要是控制精度、圖像傳輸可靠性以及炮彈的目標識別能力，控制精度一般很小，對末制導段的影響最小，目標識別能力指根據目標特性識別其類型、真假的能力[10]，主要受操縱手的軍事素質、目標幅員、目標隱蔽偽裝程度、導引頭性能、圖像傳輸可靠性的影響，從一般經驗也可知，圖像傳輸可靠性直接影響操縱手搜索發現目標的效率，綜上圖像傳輸可靠性對炮彈末制導階段的作戰效能發揮起到至關重要的作用，信號傳輸的影響因素有人為干擾、自然干擾以及傳播因素干擾[11]，由于炮彈整個飛行時間也才幾十秒，因此受到敵方的有意干擾概率很低，自然干擾對信號傳輸的影響一般很小，而傳播因素干擾中最主要的干擾便是地形地物等遮蔽物的阻擋。良好的觀察位置可以降低遮蔽物對圖像信號的遮擋，同時為操縱手提供良好的觀察視野和角度，幫助操縱手熟悉目標及目標區，較高的彈道也可以一定程度上避免信號受中間障礙物的阻擋。因此觀察所位置和彈道的高度能夠影響影響圖像末制導炮彈的圖像傳輸可靠性，并進而影響炮彈的作戰效能。

圖像末制導炮彈在末制導階段若丟失目標，會按衛星制導方式向目標的衛星定位坐標飛行，一旦重新鎖定目標便又繼續向目標飛行。假設目標的衛星定位誤差為ΔDm，舵機每秒鐘可驅使炮彈偏離原彈道的最大距離為ΔVm，且在距地面時間之前的末制導段目標都位于炮彈導引頭視場范圍內，圖像末制導炮彈在t0時刻進入末制導階段，設整個末制導段飛行的時間為T秒，各個時刻及代表事件如表1所示。圖像末制導炮彈通常用來攻擊價值較高的點目標，其毀傷概率服從0-1規律，在此假定目標只有被直接命中才能被毀傷，故此時能否毀傷目標完全取決于操縱手能否在地面站接收穩定圖像的有效時間內搜索并鎖定目標以及鎖定目標后炮彈自身的命中概率（設為P0）。末制導段距離較短，假設炮彈在末制導段的速度維持不變，由于目標實際位置與衛星定位點通常距離較近，炮彈在向目標實際位置點和目標衛星定位點變換過程時間很短，可以假設變換過程的軌跡為直線，其末制導段的炮彈質點軌跡可以簡化為如圖1中實線所示，圖中M為目標實際位置點，M1為目標的衛星定位點。

表1 圖像末制導炮彈末制導段狀態時刻表

圖1 末制導段炮彈質點軌跡

操縱手在地面站第n次接收穩定圖像至第n次圖像信號丟失的時間（t3n-t3n-2）內的搜索發現概率Pn。

假設操縱手搜索發現并鎖定目標的情況是只要未搜索到目標，無論地面站丟失圖像信號多少次，每次接收到圖像信號后的搜索發現概率都為P1，一旦發現目標后，以后每次丟失圖像信號后再次搜索發現的概率都為P2。

假設整個末制導段圖像傳輸中斷1次，中斷時刻分別為 1s、4s、7s、10s，得到中斷持續時間與命中概率的關系如圖2。另假設從時刻1s開始，接收圖像和中斷信號交替進行，每次獲得穩定圖像的時間為 0.5s，每次中斷的時間為 t s，令t分別為 0.5s、1s、1.5s、2s，則得到命中概率和中斷次數的關系如圖3。

圖2 命中概率與中斷時間的關系

圖3 命中概率與中斷次數的關系

通過上述結果可知在操縱手搜索發現目標效率一定的情況下，炮彈與地面站之間的圖像回傳可靠性對最終的命中概率影響較大，信號中斷時間越長，命中概率越低，中斷次數越多，命中概率也越低，且末制導階段末段的傳輸穩定性對命中概率的影響較剛開始階段更明顯，一旦在末制導段末段丟失目標，再次搜索發現目標的時間很短，炮彈大概率無法命中目標。因此通過合理選擇觀察所位置和設置彈道，保證圖像回傳可靠性，以達到提高炮彈命中概率的目的具有一定的理論基礎。

4 提高圖像末制導炮射命中概率的方法

4.1 圖解法判斷通視條件

由以上分析可知，在偵察分隊裝備有圖像末制導炮彈地面站時，選擇觀察所位置時盡可能保證觀察所與末制導段的通視可以保證地面站接收到足夠時間的穩定可靠圖像，從而提高命中概率。判斷通視的方法有兩種，一是圖解法，二是計算法，由于炮彈對點與點之間的通視精度要求不高且圖解法速度較快，故采取圖解法計算通視條件更為高效。

偵察分隊到達觀察所選擇地域后，觀察現地地形和目標區域，確定2～4個觀察預選點。根據炮陣地位置、目標區位置等信息確定目標區相對觀察所位置最左、最右兩條概略彈道，分別計算預選點與兩條彈道的通視情況，結合其他條件確定最佳觀察點位置。在占領觀察所之前，具體的通視計算方法可以采用圖解法，即通過在地圖上作業判斷通視情況。假設炮彈在距預設目標約m公里處導引頭開始工作并回傳圖像，由此認為炮彈末制導段彈道長約m公里，而若在末端距目標較近時才鎖定目標，炮彈調整飛行軌跡效果則及其有限。在地圖上，標出兩條概略彈道線及觀察預選點位置，在末制導彈道上選取概略起始點和末制導段1/3處和3/4處兩個點，將預選點與選定彈道點連線，找出連線中間可能遮擋的障礙點。根據預選點、選定彈道點、障礙點三點高程，在地圖上以等比例線段豎直標出，線段底端與各點重合，再將預選點高程線段頂點分別與選定彈道點高程線段頂點連線，若障礙點高程線段頂點不高出連線，則表明預選點與選定彈道點通視。如果觀察點對三個選擇點都通視，則毫無疑問炮彈末制導段全段與觀察點通視；若觀察點與1/3處點及其他任一點通視，則末制導段大部與觀察點通視；若觀察點與除1/3處點外的其他兩個點通視，則根據遮蔽處形狀及遮蔽點高程線段高出連線的程度綜合判斷末制導段被遮擋情況；若觀察點只與其中某一點通視，則表明末制導段大部被遮擋；若觀察點與三點都不通視，則末制導段全段被遮擋。為保證操縱手對圖像有足夠的觀察時間且不在最后丟失目標，通常選取能夠對末制導段后2/3段通視的觀察位置。由于不同裝藥號對應的末制導段彈道高不一樣，因此可以計算滿足射程的不同裝藥號的彈道通視情況，由此確定最佳裝藥號。具體操作可參照圖4。

圖4 圖解法判斷通視

在圖4中，對左彈道，障礙點高程頂點剛好過預選點與左彈道末制導彈道起始點（即選點1）的高程連線，說明預選點與左彈道末制導彈道起始點不通視，同理可以判斷該預選點與選點2不通視，與選點3通視，由于遮擋的高地形狀中間高、兩邊低且形狀為左右條狀，障礙點高程線段超預選點與選點2的連線較高，故可認為在該號裝藥情況下該左彈道末制導段相對此預選點而言大部被遮擋。同理可以判斷出右彈道末制導段對該預選點全段通視。

在確定觀察所位置并占領后，可以對先前通視計算結果進行現場驗證，若計算結果與實際情況差別較大，可以視時間是否充足等情況重新選擇觀察所位置。

4.2 合理規劃彈道

為避免圖像傳輸信號受到干擾，除了合理選擇觀察所外，合理設置彈道也可以有效改善地面站與炮彈的通視條件，提高信號傳輸可靠性。可以通過以下兩種方式合理規劃彈道。

一是合理選擇發射陣地。由于末制導炮彈的精確打擊能力，在單炮發射時也能夠完成打擊任務，因此在實際遂行任務過程中可以單炮設置為發射單元，遠離主發射陣地，一方面可以避免主發射陣地的暴露，更主要的是能夠降低對發射陣地的要求，實現靈活配置[12]。因此單炮發射單元有條件根據末制導段地形地貌選擇發射陣地，盡量使彈道末段附近避免產生遮蔽物。

二是合理選擇裝藥。在末段彈道難以避免遮蔽物時，在射程允許的范圍內選擇大號裝藥以獲取高彈道，既可以降低障礙對信號的干擾，也能獲得較大落角的觀察視角和實現對目標的頂部打擊。

5 結語

本文就炮彈系統圖像傳輸可靠性對炮彈命中概率的影響分析雖然整體上能夠反映這該因素對命中概率的影響，但是分析過程作了很多簡化，仍有不足。分析結果表明采取合理選擇觀察所位置和合理設置彈道的方法可以提高炮彈命中概率。