防空導彈武器系統(tǒng)網(wǎng)絡制導指令優(yōu)選分析與建模*

(空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原 713800)

1 引 言

在“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”理念指導下，美陸軍將“愛國者”與其它防空導彈武器系統(tǒng)混編部署，采用交叉定位或時差定位方式對空中干擾源進行加權(quán)定位，增強了系統(tǒng)生存能力[1～3]；美海軍發(fā)展“協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)”(CEC)，實現(xiàn)艦隊內(nèi)各平臺的防空協(xié)同作戰(zhàn),對艦空導彈進行發(fā)射、中段制導和末端照射控制[4]。因此，基于網(wǎng)絡中心戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)能力協(xié)同制導技術(shù),在各火力平臺共享戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過多個制導平臺的協(xié)同及交接變換來對防空導彈進行精確制導，最終獲取協(xié)同制導能力必然是防空導彈組網(wǎng)的發(fā)展趨勢。這種組網(wǎng)模式下，各個防空火力平臺可實現(xiàn)對導彈接力協(xié)同制導，多個火力平臺間可實現(xiàn)火力支援和火力協(xié)同。導彈飛行中制導段能夠接收傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的目標信息實施導引和控制,直至導彈順利進入末制導[5，6]。實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)能力協(xié)同制導需要解決傳感器和導彈專用通用指令系統(tǒng)技術(shù)、多枚導彈區(qū)分及識別技術(shù)、網(wǎng)絡指令優(yōu)選技術(shù)、精密彈載定位導航等關(guān)鍵技術(shù)。本文針對網(wǎng)絡制導過程的指令優(yōu)選技術(shù)進行建模分析，為網(wǎng)絡制導的技術(shù)實現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)，為網(wǎng)絡制導工程實現(xiàn)提供決策依據(jù)。

2 防空導彈網(wǎng)絡制導的體系結(jié)構(gòu)

美陸軍將“愛國者”與其它防空導彈武器系統(tǒng)混編組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[1，2]，仍然屬于有中心節(jié)點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。通過數(shù)據(jù)鏈解決了所有火力平臺互聯(lián)互通問題。美海軍協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)通過數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)了多個制導平臺的協(xié)同及交接變換，但仍然是平臺與平臺間鉸鏈，平臺與導彈間信息通道沒有打通。

圖1 美陸軍防空炮兵組網(wǎng)Fig.1 US anti-aircraft forces networking topology

網(wǎng)絡制導要求打通導彈與雷達網(wǎng)之間的信息通道，給各防空導彈火力平臺制導站、導彈加裝數(shù)據(jù)鏈端機，使得導彈戰(zhàn)斗飛行的每一段，尤其是中制導段，相關(guān)制導站(傳感器)對目標探測跟蹤信息都能通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給導彈，實現(xiàn)火力平臺發(fā)射后不管，實現(xiàn)導彈的網(wǎng)絡制導，實現(xiàn)防空導彈武器系統(tǒng)的網(wǎng)絡化作戰(zhàn)，對應的無中心節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防空導彈網(wǎng)絡制導拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Network-centric guiding AMWS networking topology

3 網(wǎng)絡制導導引過程分析

中遠程防空導彈一般采用“程序+指令+尋的”制導體制，其網(wǎng)絡制導過程主要是指中段制導段采用網(wǎng)絡制導體制，其它制導指令取自傳感器網(wǎng)絡，彈載計算機負責指令分析計算，采取最優(yōu)指令實施導引控制。某個指令周期，導彈依次接收網(wǎng)絡制導指令序列，對命令序列分析判斷，實施指令優(yōu)選，形成最優(yōu)指令作為有效指令；測量相關(guān)轉(zhuǎn)動角速度，同時彈載傳感器測量相關(guān)轉(zhuǎn)動角速度及導彈狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)按照比例導引方法控制指定策略動作，比例導引法形成指令控制導彈飛行。網(wǎng)絡中制導流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡制導流程Fig.3 Flow of network-centric guiding

4 網(wǎng)絡制導指令優(yōu)選分析與建模

制導站對目標測量一般采用站心極坐標系，以制導站位置為原點，目標的斜距為R，目標斜距在切平面的投影與正北方向的夾角為方位角β，目標斜距與其在切平面上投影的夾角為高低角ε，則(R,ε,β)表示目標在空中的位置。單個制導站對于導彈制導指令一般包含目標的位置信息及目標的速度信息，而通過網(wǎng)絡制導過程的目標信息必須轉(zhuǎn)換為絕對坐標，因此在轉(zhuǎn)換過程中必然引入多種誤差源，包括制導站的標定誤差、制導站的系統(tǒng)誤差、制導站的測量誤差、多站之間的時間同步誤差等，因此網(wǎng)絡制導指令必須將這些誤差信息發(fā)送給飛行中的導彈。因而，網(wǎng)絡制導指令信息內(nèi)容包含位置信息、速度信息、發(fā)送時刻標記以及指令質(zhì)量因子，其中，質(zhì)量因子應該包括位置質(zhì)量因子、速度質(zhì)量因子以及時間質(zhì)量因子[7]。

令指令矢量信息為

(1)

式中，i表示指令號，xi、yi、zi分別表示目標位置信息，vxi、vyi、vzi分別表示目標速度信息，ti表示指令發(fā)射時刻，e1i、e2i、e3i分別表示目標位置、速度以及時間質(zhì)量因子。

假設在導彈第n個制導周期內(nèi)，時間段內(nèi)Tn-1～Tn接收的網(wǎng)絡制導指令序列共有kn條指令，因此指令集可表示為

Ω={Mi|ti+1>ti,i∈[1,2,…，kn]}

(2)

(3)

因此，可推理出制導指令預測可知目標位置定位精度：

(4)

式中：

同理可得σy′、σz′。假設σxi=σyi=σzi，σvxi=σvyi=σvzi，則：

(5)

σM*=min {σMi},i=1,2,…,kn

(6)

5 實例仿真計算

下面以3個同型制導站三角部署對1個目標實施跟蹤探測，按照前面建立的模型實施分析形成制導指令，通過指令優(yōu)選得到目標位置定位精度分析。假設制導指令質(zhì)量因子如表1所示，各種偏差均為均方根誤差，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

表1 指令質(zhì)量因子等級信息Table 1 Quality rank of guiding instructions

參與制導的3部制導站及飛行的目標具體參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖4 多個制導站單站指令目標定位精度及質(zhì)量等級Fig.4 Quality rank and GDOP of single radar guiding instructions

圖5 網(wǎng)絡制導指令目標定位精度及質(zhì)量等級Fig.5 Quality rank and GDOP of network-centric guiding instructions

從仿真結(jié)論可以看出：

(1)制導站的制導指令幾何質(zhì)量取決于制導站的部署位置、目標來襲方向、目標運動特性等因素，對于同一批目標，多個制導站可能在各自一定范圍內(nèi)有較好的制導指令幾何質(zhì)量；

(2)通過網(wǎng)絡制導指令優(yōu)選，可以生成高質(zhì)量的制導指令，由圖4和圖5可以看出，網(wǎng)絡制導指令對目標的定位精度夠在400～1 000 m，A、B、C三站在目標不同的飛行時間段指令精度變化較大，起始點至P1處，A站指令最優(yōu)；P1至P2處，C站最優(yōu)；P2至終點,B站最優(yōu)，指令質(zhì)量等級最大為7；

(3)通過網(wǎng)絡制導，對于目標飛行的每一段，都具有指令冗余，A、B、C三站只要有1個工作正常，系統(tǒng)都能實現(xiàn)對目標連續(xù)的跟蹤和對導彈的連續(xù)制導。

6 結(jié) 論

構(gòu)建導彈與制導(傳感器)網(wǎng)信息通道，組成無中心制導的網(wǎng)絡，使導彈獲得協(xié)同制導能力，是防空導彈武器系統(tǒng)組網(wǎng)的前沿課題，網(wǎng)絡指令優(yōu)選是影響網(wǎng)絡制導實現(xiàn)的重要關(guān)鍵技術(shù)。通過仿真驗證分析可以認為，處于中制導段的導彈可以通過指令優(yōu)選得到制導指令，優(yōu)選后的網(wǎng)絡制導指令比單站制導指令質(zhì)量有了很大的提升。初步表明，網(wǎng)絡指令優(yōu)選模型在網(wǎng)絡制導中具有很強的適用性，但指令優(yōu)選準則未考慮目標特性，而對于指令的位置、速度、時間質(zhì)量因子標準化以及網(wǎng)絡制導的戰(zhàn)術(shù)運用將是進一步研究的問題。

參考文獻：

[1] 張耀先,武文軍,張濤.美軍地面防空作戰(zhàn)[M].北京:軍事科學出版社,2001:90-159.

ZHANG Yao-xian,WU Wen-jun,ZHANG Tao.American Military Ground to Air Defense Operation[M].Beijing:Military Science Press,2001:90-159.(in Chinese)

[2] FM 44-100-2:Air Defense Artillery Reference Handbook[M].[S.l.]:[s.n.],1999:20-26.

[3] 王祖典.網(wǎng)絡中心制導技術(shù)[J].電光與控制，2005,12(4)：38-39,43.

WANG Zu-dian. Network-centric guidance technology[J]. Electronics Optics & Control,2005,12(4):38-39,43.(in Chinese)

[4] 顧云濤.海軍網(wǎng)絡戰(zhàn)及CEC系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].艦船科學技術(shù),2003,25(5):34-36.

GU Yun-tao .The naval force network-warfare and research of CEC system development [J].Ship Science and Technology,2003,25(5):34-36.(in Chinese)

[5] 喬良,王航宇.艦空導彈協(xié)同制導流程研究艦船[J].電子工程，2008,28(4):54-56.

QIAO Liang,WANG Hang-yu. Research on the Process of Ship-to-air Missile Cooperative Control and Guide[J]. Ship Electronic Engineering,2008,28(4):54-56.(in Chinese)

[6] 龍光正,等.組網(wǎng)條件下防空導彈武器系統(tǒng)可靠性建模[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2006,7(5):16-18.

LONG Guang-zheng,et al. A Study on Reliability Modeling of Air-defense Missile Weapon Systems Networking[J]. Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition),2006,7(5):16-18.(in Chinese)

[7] 孫繼銀,等.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007:101-111.

SUN Ji-yin,et al.Tatical datalink technology and system[M].Beijing：National Defense Industry Press,2007:101-111.(in Chinese)