落點(diǎn)預(yù)估法實(shí)現(xiàn)艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定*

張遠(yuǎn)，成順利

(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

落點(diǎn)預(yù)估法實(shí)現(xiàn)艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定*

張遠(yuǎn)，成順利

(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

針對靶場艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定的試驗(yàn)需求，分析了一種基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法的必要性和有效性；提出了一種結(jié)合實(shí)時(shí)航跡、落點(diǎn)預(yù)估和多路數(shù)據(jù)融合的判斷方法，解決了目前對飛行試驗(yàn)安全判定方法可靠性和安全性的更高需求問題；闡述了這種方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程，最后說明了基于落點(diǎn)預(yù)估的導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法在實(shí)踐中的應(yīng)用情況及推廣借鑒意義。

艦空導(dǎo)彈;飛行試驗(yàn);試驗(yàn)安全;安全區(qū);落點(diǎn)預(yù)估;安全判定

0 引言

隨著艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展，其作戰(zhàn)性能和作戰(zhàn)空域不斷提高，在靶場進(jìn)行導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)時(shí)，需要對艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全進(jìn)行判斷和控制，必要時(shí)通過實(shí)時(shí)控制導(dǎo)彈的自毀以確保試驗(yàn)安全。艦空導(dǎo)彈安全自毀包括彈上自主自毀和地面安控自毀2種方式。在導(dǎo)彈及靶標(biāo)工作均正常的情況下，自主自毀能夠保證試驗(yàn)安全；在導(dǎo)彈及靶標(biāo)工作不正常時(shí)，需要通過地面安控自毀才能保證飛行試驗(yàn)安全。艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全進(jìn)行判斷主要采用艦載雷達(dá)實(shí)時(shí)信息，對導(dǎo)彈和目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈飛行安全判斷，這種方法在安全控制準(zhǔn)確性、科學(xué)性和可靠性方面均存在不足。

本文提出了一種基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法，即在艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)過程中，充分使用靶場測控?cái)?shù)據(jù)和艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)方案、導(dǎo)彈實(shí)時(shí)航跡和實(shí)時(shí)自毀落點(diǎn)預(yù)估等綜合試驗(yàn)信息整合，實(shí)時(shí)分析判斷導(dǎo)彈當(dāng)前飛行位置與設(shè)定試驗(yàn)區(qū)域的相對關(guān)系，給出導(dǎo)彈自毀輔助提示信息，實(shí)現(xiàn)輔助指揮決策。該方法通過采用多路數(shù)據(jù)分別處理計(jì)算導(dǎo)彈飛行狀態(tài)，推算導(dǎo)彈自毀后殘骸落點(diǎn)位置，將導(dǎo)彈落點(diǎn)預(yù)估與試驗(yàn)區(qū)域結(jié)合進(jìn)行導(dǎo)彈是否需要自毀的綜合判定，解決飛行試驗(yàn)安全判定方法對可靠性和安全性更高需求的問題，實(shí)現(xiàn)對艦空導(dǎo)彈飛行安全的控制。

1 安全控制需求

1.1 新型艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定需求

隨著近年來艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展，導(dǎo)彈射程不斷增加，從最初的近程防御，逐步發(fā)展到中程及遠(yuǎn)程防御。隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)空域的擴(kuò)大，靶場試驗(yàn)場周圍的石油鉆井平臺、港口、電站及多個(gè)中型城市等受保護(hù)目標(biāo)受到的威脅越來越嚴(yán)重，導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全逐漸成為試驗(yàn)中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。進(jìn)行艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定時(shí)，需要對艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)過程安全進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和控制，必要時(shí)通過實(shí)時(shí)控制導(dǎo)彈的自毀以確保試驗(yàn)安全。艦空導(dǎo)彈飛行中，首先必須完成對試驗(yàn)態(tài)勢的有效實(shí)時(shí)監(jiān)控；其次，對試驗(yàn)態(tài)勢進(jìn)行安全分析和判斷，在必要時(shí)刻，根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)施導(dǎo)彈自毀安全控制。

1.2 基于單源現(xiàn)在點(diǎn)信息進(jìn)行安全判定的不足

艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全進(jìn)行監(jiān)控一般采用如下方法：采用艦上雷達(dá)信息，對導(dǎo)彈和目標(biāo)的實(shí)時(shí)、當(dāng)前點(diǎn)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈飛行安全判斷。這種安全判定方法存在問題在于：首先，僅進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示的顯示方式不直觀，沒有將實(shí)時(shí)航跡信息、航路計(jì)劃、危險(xiǎn)區(qū)、安全區(qū)等動態(tài)關(guān)系進(jìn)行圖形方式顯示，因此容易產(chǎn)生人為判斷誤差；其次，沒有進(jìn)行基于落點(diǎn)預(yù)估的安全分析和判斷，可能會在自毀過程中對被保護(hù)的目標(biāo)造成損害；最后，判斷數(shù)據(jù)來源于艦載武器系統(tǒng)雷達(dá)，數(shù)據(jù)來源單一，在數(shù)據(jù)中斷時(shí)，將對導(dǎo)彈飛行狀態(tài)無法監(jiān)控，會形成無法進(jìn)行安全控制的局面。上述問題會影響艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判斷、導(dǎo)彈自毀控制等指揮決策，可能因?yàn)檎`判造成價(jià)格昂貴的艦空導(dǎo)彈自毀或?qū)π枰Ｗo(hù)目標(biāo)造成損害。

2 安全控制方法

基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法總體設(shè)計(jì)如下：

(1) 劃定試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)安全與否的判斷主要依據(jù)是導(dǎo)彈所處的位置，因此根據(jù)試驗(yàn)安全性要求劃分區(qū)域，是進(jìn)行艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全分析判斷的前提[1]。在靶場試驗(yàn)中，導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全影響主要是地面、海面的目標(biāo)，因此試驗(yàn)區(qū)域的劃分中，只進(jìn)行水平面試驗(yàn)區(qū)域的劃分，依據(jù)空中導(dǎo)彈及目標(biāo)的空域位置在水平面上的投影進(jìn)行試驗(yàn)安全判斷。根據(jù)艦空導(dǎo)彈試驗(yàn)需要，一般確定飛行管道、危險(xiǎn)區(qū)和自毀區(qū)等區(qū)域[2]，其中危險(xiǎn)區(qū)是自毀區(qū)裕度區(qū)間(安全間隙)[3]。

(2) 確定試驗(yàn)安全判斷的級別

導(dǎo)彈飛行安全狀態(tài)是逐漸變化的過程，飛行安全設(shè)定為飛行正常、導(dǎo)彈危險(xiǎn)、導(dǎo)彈自毀不同級別，并根據(jù)不同級別提示不同的安全控制內(nèi)容。導(dǎo)彈飛行正常是指導(dǎo)彈按照正常飛行彈道飛行，其外彈道誤差在導(dǎo)彈正常飛行性能范圍內(nèi)；導(dǎo)彈危險(xiǎn)指導(dǎo)彈彈道出了正常飛行范圍，導(dǎo)致這一結(jié)果有2種可能：一是導(dǎo)彈發(fā)生了技術(shù)故障、二是靶標(biāo)供靶航路超出了正常范圍；導(dǎo)彈自毀指導(dǎo)彈飛出了安全范圍，其落點(diǎn)會對水平受保護(hù)目標(biāo)造成損害，需要對導(dǎo)彈進(jìn)行地面安控自毀。

(3) 保證可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源

在靶場試驗(yàn)中，因?yàn)榘袌鰷y量數(shù)據(jù)和艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)同時(shí)存在，特別是測控?cái)?shù)據(jù)中包含的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，用于安全控制具有精度高、可靠性好等特點(diǎn)[4]，因此，進(jìn)行導(dǎo)彈飛行狀態(tài)判定，同時(shí)采用二者數(shù)據(jù)會大幅提高數(shù)據(jù)的可靠性[5]。由于地理位置的離散性及邏輯上的異構(gòu)性，在使用靶場測量數(shù)據(jù)和艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的過程中，應(yīng)充分考慮和處理因傳輸時(shí)間延遲、形成命令延遲、動作時(shí)間延遲等因素影響，造成實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)彈及自毀殘骸預(yù)估落點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生的誤差[6]。

(4) 建立安全判斷模型

在有了相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，還需要建立試驗(yàn)安全判斷模型，例如，根據(jù)數(shù)據(jù)的置信度確定判斷權(quán)重、根據(jù)分析結(jié)果的可靠性確定試驗(yàn)安全決策的科學(xué)性等內(nèi)容。因此在基于靶場測量數(shù)據(jù)和艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈飛行狀態(tài)判定中，需要建立完善的導(dǎo)彈飛行安全判斷模型，根據(jù)數(shù)據(jù)具體情況，給出綜合的導(dǎo)彈飛行安全判斷結(jié)果提示信息。

3 導(dǎo)彈飛行安全判定具體實(shí)施

3.1 基于導(dǎo)彈性能確定試驗(yàn)區(qū)域

根據(jù)艦空導(dǎo)彈試驗(yàn)在本次試驗(yàn)中的射程、射高等試驗(yàn)方案參數(shù)，建立理論射向坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)O，Ox為導(dǎo)彈射向，H點(diǎn)為理論遭遇點(diǎn)，在理論射向坐標(biāo)系中確定導(dǎo)彈試驗(yàn)區(qū)域，包括試驗(yàn)飛行管道和禁危區(qū)，試驗(yàn)區(qū)域設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Design sketch map of test area

試驗(yàn)區(qū)域相關(guān)邊界存儲的相鄰點(diǎn)間的連線所構(gòu)成計(jì)算邊界線，計(jì)算目標(biāo)當(dāng)前點(diǎn)到線段的距離即為目標(biāo)到各區(qū)域的邊界距離[7-8]。飛行管道寬度(E，F(xiàn)點(diǎn)間距離)根據(jù)靶標(biāo)控制精度選定，一般為2～3 km，G點(diǎn)為理論遭遇點(diǎn)H點(diǎn)外推過靶自毀距離(一般為導(dǎo)彈繼續(xù)飛行2～3 s的距離)，G點(diǎn)與坐標(biāo)系原點(diǎn)O距離為Dmax，區(qū)域?yàn)?/p>

(1)

禁危區(qū)為圖1所示A,B,C,D4點(diǎn)所圍區(qū)域，要求滿足

(2)

以上各區(qū)域的詳細(xì)參數(shù)根據(jù)艦空導(dǎo)彈指標(biāo)進(jìn)行仿真解算得出[9]，并根據(jù)威脅概率進(jìn)行調(diào)整完善[7]，當(dāng)導(dǎo)彈超出禁危區(qū)之外的導(dǎo)彈自毀區(qū)，導(dǎo)彈飛出禁危區(qū)外，立即實(shí)施導(dǎo)彈自毀。

3.2 基于多路數(shù)據(jù)確定導(dǎo)彈飛行狀態(tài)

(1) 基于靶場測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)彈飛行狀態(tài)判定

采用靶場測量設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，在射向坐標(biāo)系中考慮延時(shí)因素，根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)戳外推計(jì)算導(dǎo)彈的位置[10]，根據(jù)外推導(dǎo)彈位置與試驗(yàn)區(qū)域的關(guān)系判定導(dǎo)彈是否飛出飛行管道、禁危區(qū)處于非正常狀態(tài)。

(2) 基于艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)彈飛行狀態(tài)判定

采用艦載雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)變換后在射向坐標(biāo)系中考慮延時(shí)因素，外推計(jì)算導(dǎo)彈的位置[11]，根據(jù)外推導(dǎo)彈位置與試驗(yàn)區(qū)域關(guān)系判定導(dǎo)彈是否飛出飛行管道、禁危區(qū)處于非正常需要自毀狀態(tài)。

(3) 安全控制輔助信息

根據(jù)(1)，(2)計(jì)算結(jié)果確定在射向坐標(biāo)系中當(dāng)前艦空導(dǎo)彈位置與理論飛行管道的位置關(guān)系，判定導(dǎo)彈是否在飛行管道內(nèi)，允許或禁止顯示導(dǎo)彈安全控制輔助提示信息。

在射向坐標(biāo)系中，艦空導(dǎo)彈位置用艦空導(dǎo)彈到射向坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離D0和到x軸的距離DZ表示。當(dāng)D0>Dmax或DZ>a/2時(shí)，該路數(shù)據(jù)信息允許顯示導(dǎo)彈安全控制輔助提示信息；當(dāng)D0

3.3 導(dǎo)彈自毀殘骸落點(diǎn)估算

導(dǎo)彈墜毀下落主要有3種模式：無動力墜毀、無動力偏航、有動力偏航[12]，在靶場實(shí)踐中，殘骸落點(diǎn)主要假設(shè)導(dǎo)彈自毀后以整體按照慣性彈道方式運(yùn)動的無動力墜毀。影響殘骸飛行的因素很多，主要因素包括殘骸的形狀、殘骸飛行姿態(tài)、殘骸飛行速度和殘骸飛行高度等[13]。當(dāng)判定導(dǎo)彈進(jìn)入禁危區(qū)時(shí)，開始計(jì)算導(dǎo)彈自毀殘骸落點(diǎn)位置。導(dǎo)彈落點(diǎn)位置與自毀時(shí)刻導(dǎo)彈高度、速度和俯沖角相關(guān)：

D=f′(y,vx,vy,vz)=f(y,v,θ),

(3)

式中:f(y,v,θ)為根據(jù)彈形等系數(shù)確定的回歸擬合函數(shù)(該函數(shù)可用拋物線函數(shù)替代);y,v,θ分別為自毀時(shí)刻導(dǎo)彈高度、速度和俯沖角[2]。

殘骸落點(diǎn)解算需要考慮數(shù)據(jù)時(shí)間一致性，在條件不足難以進(jìn)行時(shí)間對齊的情況下，需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行外推處理，例如對落點(diǎn)進(jìn)行0.5 s的外推。

3.4 地面安控自毀決策

對導(dǎo)彈飛行位置和自毀殘骸落點(diǎn)相對于預(yù)先設(shè)置的禁危區(qū)進(jìn)行判定[14]，當(dāng)導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)位置處于禁危區(qū)外自毀區(qū)時(shí)，判導(dǎo)彈需自毀。若連續(xù)5次判定結(jié)果為需自毀時(shí)，則基于該路數(shù)據(jù)信息判定滿足導(dǎo)彈自毀條件，形成導(dǎo)彈自毀提示。

綜合基于靶場測量數(shù)據(jù)和基于艦載雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的2個(gè)相互獨(dú)立的導(dǎo)彈自毀判定結(jié)果，判定導(dǎo)彈自毀條件是否滿足。具體準(zhǔn)則為：

(1) 兩路判定結(jié)果都為“自毀”，則導(dǎo)彈自毀條件滿足；

(2) 若某一路判定結(jié)果為“不自毀”，則導(dǎo)彈自毀條件不滿足；

(3) 若某一路判定結(jié)果為“自毀”，另一路數(shù)據(jù)“無效”或“不可用”，則導(dǎo)彈自毀條件滿足；

(4) 其他情況判定為導(dǎo)彈自毀條件不滿足。

當(dāng)結(jié)果顯示導(dǎo)彈自毀條件滿足時(shí)，給出“導(dǎo)彈自毀”提示信息。

試驗(yàn)安全判斷流程見圖2。

圖2 試驗(yàn)安全判定流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of test safety judgment in test area

4 工程實(shí)踐

基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法思想及原理，成功開發(fā)出某遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集接收、實(shí)時(shí)處理及解算、態(tài)勢顯示及自動安全評估決策等功能，采用便攜方式部署于發(fā)射艦載艦，在某型艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)中實(shí)時(shí)完成導(dǎo)彈飛行安全控制及決策[15]。在該型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)定型試驗(yàn)中，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)靶試實(shí)踐，應(yīng)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)試驗(yàn)態(tài)勢的監(jiān)控及安全控制，在攔截靶機(jī)、靶彈等飛行試驗(yàn)中成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)安全控制，在靶機(jī)、靶彈飛行異常情況下多次實(shí)施導(dǎo)彈自毀和導(dǎo)彈繼續(xù)飛行等科學(xué)決策，保證了試驗(yàn)的安全，取得了巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)踐應(yīng)用表明，基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定方法兼具可視性、科學(xué)性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，滿足當(dāng)前新型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)靶場試驗(yàn)與研練等導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全控制需求。

5 結(jié)束語

通過艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定的研究與實(shí)踐應(yīng)用，顯著提高了靶場艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判定的可靠性和科學(xué)性，克服了以往方法判定不準(zhǔn)確、可靠性不足等缺點(diǎn)，保證了艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)的安全、順利進(jìn)行。基于落點(diǎn)預(yù)估的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全判斷方法適用于中程、遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)，可推廣應(yīng)用于靶場所有型號艦空的試驗(yàn)鑒定、研練、演習(xí)等各領(lǐng)域，對于保證試驗(yàn)安全，提高試驗(yàn)安全決策的科學(xué)性具有不可替代的重要意義。

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Achieving Ship to Air Missile Flight Test Safety Judgment by Impact Point Prediction Method

ZHANG Yuan, CHENG Shun-li

(PLA, No.92941 Troop, Liaoning Huludao 125001, China)

For the requirement of ship to air missile flight test safety judgment in range, the necessity and the effectiveness of a method on test safety judgment based on prediction impact point in ship to air missile flight test is analyzed; a judgment method combining real time flight path,prediction impact point and multi-channel data fusion is proposed, and it solves the further requirement of reliability and safety about present ship to air missile flight test safety judgment. Also in the paper, the technology realization of the method is described, and some application instance, technical dissemination and the reference meaning of the method on test safety judgment based on prediction impact point in ship to air missile flight test are explained.

ship to air missile; flight test; test safety; safety area; impact point prediction; safety judgment

2016-09-20；

2016-12-05 作者簡介：張遠(yuǎn)(1971-)，男，吉林雙遼人。高工，碩士，主要從事裝備試驗(yàn)方面研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.017

TJ762.3+3;TJ760.6+2

A

1009-086X(2017)-02-0112-06

通信地址：125001 遼寧葫蘆島92941部隊(duì)93分隊(duì)