基于要地防護(hù)的分布式火控系統(tǒng)研究*

郭新勝，壽少峻，黨力，趙創(chuàng)社，韓偉

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭對以指揮工程為代表的重要軍事目標(biāo)的生存和保障能力提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求?？找u方多利用巡航導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈等精確制導(dǎo)武器進(jìn)行精確、迅速的點(diǎn)打擊[1]。此類武器的攔截偏重于中遠(yuǎn)程攔截、摧毀，但隨著軍事科技的快速發(fā)展，來襲導(dǎo)彈的快速突防能力得到大幅提升，使得防御有效時(shí)間變短，很難對來襲目標(biāo)實(shí)施完全攔截。

在超近程范圍內(nèi)，目前尚無有效的防御手段, 所以重點(diǎn)城鎮(zhèn)、軍事要地等關(guān)鍵地域的威脅就被凸現(xiàn)出來，對于要地的超近程防護(hù)也成為近年來國內(nèi)外各國大力發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文針對要地的超近程防護(hù)分布式火控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，著重研究分布式火控系統(tǒng)的原理、組成，及其結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，為超近程防護(hù)分布式火控系統(tǒng)的研制提供一些參考價(jià)值。

1 超近程防護(hù)分布式火控系統(tǒng)

要地的超近程防護(hù)系統(tǒng)主要是針對國家重要目標(biāo)的安全防護(hù)，包括政治經(jīng)濟(jì)中心、首腦機(jī)關(guān)、重要工程、軍事要地、工業(yè)基地、重要交通樞紐的防護(hù)。依據(jù)要地的防護(hù)特點(diǎn)，其主要由光電單元，雷達(dá)單元、若干火力單元組成，形成一個(gè)嚴(yán)密的超近程防護(hù)網(wǎng)，以確保要地的安全[2-3]。

目前國內(nèi)外在要地防空發(fā)展迅速[4-5]，例如美國“密集陣”近距防空武器系統(tǒng)的火炮為6管20 mm“加特林”火炮，每分鐘可射3 000發(fā)，探測跟蹤發(fā)射全部自動(dòng)化，是目前世界上唯一能實(shí)行自動(dòng)搜索、探測、評估、跟蹤和攻擊目標(biāo)的超近程防御武器系統(tǒng)。它采用搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)和火炮三位一體的結(jié)構(gòu)，其全部作戰(zhàn)均由高速計(jì)算機(jī)控制完成，不需人工操作，反應(yīng)速度極快，跟蹤距離為10 km。荷蘭、美國“守門員”7管30 mm近程防御武器系統(tǒng)， 發(fā)射率4 200發(fā)/min，射程3 000 m，該系統(tǒng)可以用來抗擊400～500 m內(nèi)低空(5 m高度)飛行反艦巡航導(dǎo)彈，也可攻擊來襲飛機(jī)。

超近程分布式火控系統(tǒng)由多個(gè)火力單元、光電單元、雷達(dá)單元、火控單元等構(gòu)成。它們分散布置在需要防護(hù)的要地四周，由火控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮控制，完成對要地的超近程防護(hù)，達(dá)到最佳防御效果。戰(zhàn)場布設(shè)如圖1所示[5]。

圖1 超近程分布式火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ultra-short-range distributed fire control system structure

其主要工作流程：首先雷達(dá)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)，并引導(dǎo)光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤來襲目標(biāo)，建立來襲目標(biāo)的彈道航跡，由火控系統(tǒng)判斷目標(biāo)的威脅程度，預(yù)測來襲目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。再依據(jù)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、火力單元等因素，實(shí)時(shí)外推出最佳攔截點(diǎn)或者攔截區(qū)域，并計(jì)算出采用哪幾組火力單元組合發(fā)射攔截，能夠達(dá)到最佳攔截效果。超近程分布式火控結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的雷達(dá)、光電傳感器與火控解算為一體高炮防空體系結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮各分系統(tǒng)的特點(diǎn)，提高超進(jìn)程防御的信息利用率，極大地縮短了火力單元的反應(yīng)時(shí)間。采用新的火控機(jī)理，快速解算，使火控系統(tǒng)具有復(fù)雜背景條件下對付高速、低角、機(jī)動(dòng)小型目標(biāo)的能力[6]。

分布式火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成，如圖2所示。

圖2 超近程分布式火控系統(tǒng)組成Fig.2 Ultra-short-range distributed fire-control system

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

超近程防空分布式火控系統(tǒng)的任務(wù)是及時(shí)準(zhǔn)確地將攔截彈丸(戰(zhàn)斗部)發(fā)射到預(yù)毀傷的目標(biāo)區(qū)域或直接命中目標(biāo)。要完成這一任務(wù),需要先搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)，確定預(yù)攔截的目標(biāo)，連續(xù)跟蹤測量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再依據(jù)測量的數(shù)據(jù)建立目標(biāo)的航跡，實(shí)時(shí)計(jì)算射擊諸元并控制火力系統(tǒng)瞄向預(yù)定攔截點(diǎn)，選擇不同的彈種，在最佳時(shí)刻發(fā)射，實(shí)現(xiàn)攔截，上述任務(wù)均由火控系統(tǒng)完成[7]。因此, 火控系統(tǒng)是武器系統(tǒng)的“大腦”,雷達(dá)、光電是武器系統(tǒng)的“眼睛”，是人眼觀察視野的拓展、作用距離的延長以及大腦思維判斷及運(yùn)算能力在機(jī)器上的體現(xiàn),解脫了人對武器的繁重體能操作和瞄準(zhǔn)[8-11]。而要完成這些，首先要解決7個(gè)關(guān)鍵問題：

(1) 分布式火控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

由于本系統(tǒng)由多個(gè)火力單元組成，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對多個(gè)火力單元的調(diào)度和分配，必須通過快速網(wǎng)絡(luò)互連和管理，而且各種目標(biāo)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、武器數(shù)據(jù)等也需要通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。對目標(biāo)進(jìn)行威脅估計(jì)和排序，多個(gè)目標(biāo)還需完成目標(biāo)分配，然后對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行濾波，判斷攻擊決策條件，在滿足攻擊決策條件時(shí)利用解命中問題的求解方法進(jìn)行預(yù)定攔截點(diǎn)、攔截開火時(shí)間和火控諸元的計(jì)算，然后將火控諸元實(shí)時(shí)分發(fā)給武器系統(tǒng)進(jìn)行隨動(dòng)控制。在該系統(tǒng)中快速可靠的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足系統(tǒng)的要求。

(2) 分布式火控諸元的快速解算技術(shù)

本火控系統(tǒng)屬于超近程防護(hù)。從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)至目標(biāo)到達(dá)僅有3～5 s的時(shí)間，留給火控系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間非常短。傳統(tǒng)的高炮火控解算對快速小目標(biāo)的攔截計(jì)算難以滿足系統(tǒng)的精度要求，必須探索新的火控原理和模型，實(shí)現(xiàn)從搜索捕獲、數(shù)據(jù)錄取、威脅判斷、目標(biāo)指示、火力組織、跟蹤解算到武器瞄準(zhǔn)等全過程的自動(dòng)控制。處理過程需要根據(jù)光電分系統(tǒng)的輸入輸出信息，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、濾波、預(yù)測與誤差補(bǔ)償?shù)裙ぷ?，完成火控系統(tǒng)射擊諸元快速計(jì)算，并進(jìn)行諸元實(shí)時(shí)傳遞。

(3) 全系統(tǒng)精度分析技術(shù)各項(xiàng)誤差分析

射擊精度的分析是對火控模型進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證的必要步驟，通過射擊精度的分析不但可以判斷射擊結(jié)果是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，還可以確定影響系統(tǒng)精度的主要因素。通過對主要影響因素的修正實(shí)現(xiàn)對火控模型進(jìn)行優(yōu)化。精度分析將在考慮不同傳感器會(huì)產(chǎn)生各種誤差源的條件下進(jìn)行多次Monte Carlo仿真，計(jì)算出整個(gè)武器系統(tǒng)的平均瞄準(zhǔn)跟蹤精度、攻擊精度、平均作戰(zhàn)響應(yīng)時(shí)間、平均攔截精度。通過靈敏度分析方法可以確定各種因素對系統(tǒng)精度的影響程度和趨勢。

(4) 分布式火力單元組合效能分析

由于超近程防護(hù)系統(tǒng)含有多個(gè)火力單元，分散布設(shè)在要地的四周。在攔截來襲目標(biāo)時(shí)，針對不同位置的來襲目標(biāo)，采用那些火力單元進(jìn)行組合發(fā)射攔截，采用一個(gè)火力單元或幾個(gè)火力單元，或全部火力單元發(fā)射攔截，如何組合能夠發(fā)揮火力單元的最佳費(fèi)效比。通過建立模型進(jìn)行仿真分析，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次Monte Carlo模擬仿真，期望達(dá)到最佳的火力單元攔截組合，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(5) 火力單元發(fā)射時(shí)刻的計(jì)算

火力單元發(fā)射時(shí)間計(jì)算根據(jù)預(yù)定攔截點(diǎn)位置、目標(biāo)位置與速度、炮彈的速度與彈道軌跡等計(jì)算武器提前發(fā)射的時(shí)間?；鹆卧l(fā)射時(shí)刻計(jì)算的誤差實(shí)際上從側(cè)面反映的就是命中概率?；鹂叵到y(tǒng)通過光電系統(tǒng)獲取攔截目標(biāo)的參數(shù)，以及火力單元的參數(shù)，結(jié)合火控解算時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間等因素，進(jìn)行綜合分析計(jì)算，再由外推的攔截點(diǎn)來反推出各個(gè)火力單元發(fā)射的不同時(shí)刻，如圖3所示。

圖3 分布式火控同一攔截點(diǎn)射擊示意圖Fig.3 Skectch of shooting for one coming point in distributed fire-control system

(6) 超近程防御武器火控原理模型與算法的研究

火控原理模型和算法根據(jù)系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程采用模塊化設(shè)計(jì)方法。其主要模型與算法模塊如下圖4所示。

圖4 火控原理與算法結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Fire control principle and algorithm diagram

威脅判斷與目標(biāo)分配模塊根據(jù)威脅判定規(guī)則評定來襲目標(biāo)的威脅等級[12],由此來完成對目標(biāo)作戰(zhàn)單元的分配。威脅評定方法主要根據(jù)目標(biāo)到達(dá)時(shí)間、相對距離、目標(biāo)數(shù)量與防護(hù)目標(biāo)的重要性4個(gè)方面進(jìn)行加權(quán)評定；分配算法則根據(jù)航路捷徑與火力單元的武器數(shù)量綜合考慮。

攻擊決策模塊通過預(yù)置攔截點(diǎn)給火力單元提供攻擊決策，并判斷來襲目標(biāo)是否滿足攻擊條件，組織火力。

目標(biāo)參數(shù)濾波與航跡預(yù)測模塊對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行濾波融合處理，同時(shí)對目標(biāo)未來軌跡進(jìn)行預(yù)測。濾波與預(yù)測方法包括卡爾曼濾波、α-β-γ濾波、最小二乘估計(jì)方法等諸多方法[13]。

預(yù)置攔截點(diǎn)與火控諸元計(jì)算模塊根據(jù)預(yù)測的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(航向、速度等)、目標(biāo)飛行時(shí)間以及攔截器的運(yùn)動(dòng)計(jì)算攔截目標(biāo)的預(yù)置點(diǎn)，以及火力單元應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角、方位角。預(yù)定攔截點(diǎn)的計(jì)算方法采用彈目相對運(yùn)動(dòng)方程求解的方法。諸元的計(jì)算則根據(jù)預(yù)定攔截點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算。

(7) 超近程防御武器火控系統(tǒng)諸元解算技術(shù)研究

火控諸元的計(jì)算主要是要求解彈頭與目標(biāo)相遇的問題，其實(shí)質(zhì)是確定武器與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)在空間相遇點(diǎn)的位置并計(jì)算出武器未來點(diǎn)的高低方位角。預(yù)定攔截點(diǎn)的計(jì)算方法采用彈目相對運(yùn)動(dòng)方程求解的方法。諸元的計(jì)算則根據(jù)預(yù)定攔截點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算。由于該系統(tǒng)是由多個(gè)火力單元組成的分布式火控系統(tǒng)，在計(jì)算預(yù)先攔截點(diǎn)與火控諸元的過程中，坐標(biāo)系的選定和建立以及攔截武器彈道方程的建立是求解彈目相對運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)?？梢苑烙嚨刂行臑樽鴺?biāo)系原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，x軸與目標(biāo)航路在水平面上的投影平行，正向與目標(biāo)航向相反；y軸與x軸垂直；z軸垂直于Oxy平面向上為正。空間直角坐標(biāo)系為慣性參考系，主要用于確定目標(biāo)彈的中心位置、空間姿態(tài)等。目標(biāo)彈坐標(biāo)系的原點(diǎn)O1為目標(biāo)彈的質(zhì)心位置，O1x1軸沿目標(biāo)彈的縱軸，指向下為正方向；O1z1軸位于過質(zhì)心點(diǎn)的鉛直縱向?qū)ΨQ面與橫向?qū)ΨQ面的交線，指向上為正；O1y1按右手法則確定，目標(biāo)彈坐標(biāo)系為動(dòng)坐標(biāo)系。其攔截坐標(biāo)關(guān)系如圖5所示(其中Mq為預(yù)定攔點(diǎn))。

3 目標(biāo)航跡外推仿真分析

通過上述關(guān)鍵技術(shù)的梳理，在以光電為基礎(chǔ)的分布式火控系統(tǒng)中，結(jié)合系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差，光電的測距精度、位置精度、火力單元的隨動(dòng)精度和散布精度等因素，通過卡爾曼、最小二乘估計(jì)、線性最小二乘法等方法，對目標(biāo)航跡進(jìn)行簡要的仿真，得到目標(biāo)的外推航跡及誤差，如圖6所示。

圖5 攔截坐標(biāo)關(guān)系圖Fig.5 Intercept coordinate relations figure

圖6 目標(biāo)航跡外推仿真Fig.6 Object trajectory prediction simulation

仿真模擬勻加速直線運(yùn)動(dòng)，以初速度以1 240 m/s的速度來襲，其中加速度為124 m/s2,在8 000 m處開始跟蹤測量，對測量疊加噪聲。跟蹤8.5 s后，外推1.5 s。分別以不同的濾波算法外推仿真，得到結(jié)果如圖6所示，仿真均以x向?yàn)槔?，其中右圖為局部放大。

由圖6可以看出，隨著外推時(shí)間越長其產(chǎn)生的誤差就越大，而且外推攔截點(diǎn)的精度決定了攔截的精度和毀傷效果，這是非常重要的。從仿真的結(jié)果來看，采用線性最小二乘法外推誤差為35.82 m，采用最小二乘法外推誤差為103.15 m，采用卡爾曼濾波外推的效果較好，誤差僅為5.15 m。

4 結(jié)束語

隨著戰(zhàn)爭形式由平臺(tái)中心戰(zhàn)向信息戰(zhàn)的轉(zhuǎn)變,超近程防空的技術(shù)需求和重要性越來越明顯。不同于傳統(tǒng)的火控系統(tǒng),要地的超近程防空分布式火控系統(tǒng)具有許多新的特點(diǎn),因此在原有理論與方法的基礎(chǔ)上,需要提出新的研究思路和分析方法。本文針對超近程防空火控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)健技術(shù)問題進(jìn)行了研究探討和仿真,為超近程防空分布式火控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了一些新的思路。相信隨著理論與實(shí)踐的不斷結(jié)合,該項(xiàng)研究將更加深入。

本文初步探討了超近程防護(hù)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)技術(shù),給出了系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能,提出了系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容,并分析了系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對于采用各種濾波算法來提高目標(biāo)航跡外推的準(zhǔn)確性，還需要再進(jìn)一步深入研究。

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