中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)安控方案設(shè)計(jì)

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(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著武器裝備技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展，防區(qū)外空襲已占主導(dǎo)，為了提高編隊(duì)對(duì)空中威脅目標(biāo)防御作戰(zhàn)的主動(dòng)性，提出了新型中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超視距作戰(zhàn)的要求，即利用多種平臺(tái)完成視距外目標(biāo)的信息獲取，進(jìn)而完成導(dǎo)彈發(fā)射，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈的多平臺(tái)協(xié)同制導(dǎo)[1]。在中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)中，安全性是首要考慮的問題，通常根據(jù)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制特點(diǎn)，采取安控策略對(duì)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈進(jìn)行安全控制。中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)涉及多個(gè)導(dǎo)彈制導(dǎo)平臺(tái)，中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈安全控制問題較為復(fù)雜，如何立足中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程，對(duì)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈安控方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，是開展中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)亟待解決的問題。

1 艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程

為了提高艦艇編隊(duì)的反導(dǎo)縱深，充分發(fā)揮中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈的射程優(yōu)勢(shì)，面臨的主要問題是協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)模式下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)跟蹤和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。所謂協(xié)同制導(dǎo)，是指導(dǎo)彈在飛行過程中，為克服雷達(dá)視距限制，制導(dǎo)信息通過不同的制導(dǎo)站接力發(fā)送給導(dǎo)彈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的超視距攔截，擴(kuò)大艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)空域。在多個(gè)艦艇平臺(tái)協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程中，由于整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)信息是共享的，每艘艦艇平臺(tái)都知道其他艦艇的位置及制導(dǎo)能力[2]。

艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)平臺(tái)按照任務(wù)劃分可以分為協(xié)同探測(cè)平臺(tái)、導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)和協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)。首先，由協(xié)同探測(cè)平臺(tái)上的對(duì)空傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)及精確跟蹤，穩(wěn)定跟蹤后，通過數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)精確跟蹤數(shù)據(jù)傳送給導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)，導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)的武器控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)精確數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)完成攔截可行性判斷、射擊諸元解算、導(dǎo)彈裝訂參數(shù)計(jì)算、發(fā)射控制等。導(dǎo)彈發(fā)射后，進(jìn)入初制導(dǎo)階段，艦空導(dǎo)彈在指定空域達(dá)到預(yù)定姿態(tài)后轉(zhuǎn)入中制導(dǎo)階段，導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)本平臺(tái)制導(dǎo)情況進(jìn)行監(jiān)視，判斷導(dǎo)彈是否需要其它艦艇平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同制導(dǎo)，如果確定需要，則向協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)發(fā)出制導(dǎo)交班請(qǐng)求，協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)提供的導(dǎo)彈引導(dǎo)信息對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行截獲，并實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的穩(wěn)定跟蹤，至此完成導(dǎo)彈制導(dǎo)交接，由協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)上的制導(dǎo)雷達(dá)接力對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行中制導(dǎo)。當(dāng)彈目相對(duì)距離達(dá)到規(guī)定值時(shí)，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)控制，引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)，當(dāng)彈目接近到適當(dāng)時(shí)機(jī)，引信開機(jī)，適時(shí)引爆戰(zhàn)斗部殺傷目標(biāo)[3-5]。協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程如圖1所示。

圖1 協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程

2 中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈安全控制措施

中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈安全控制措施包括艦面被動(dòng)安控和彈上自主安控[6]。

1)艦面被動(dòng)安控。

艦面被動(dòng)安控是由放置在艦面的安控計(jì)算機(jī)對(duì)導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，當(dāng)導(dǎo)彈飛行軌跡異常時(shí)，由指令發(fā)送系統(tǒng)向彈上發(fā)送自毀指令。具體工作流程如下：

試驗(yàn)前設(shè)置安全管道，導(dǎo)彈發(fā)射后，安控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)提供的導(dǎo)彈位置、速度參數(shù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)彈安控判斷。當(dāng)導(dǎo)彈在安全管道內(nèi)飛行時(shí)認(rèn)為導(dǎo)彈飛行正常，當(dāng)飛離安全管道后，安控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示導(dǎo)彈此刻自毀時(shí)殘骸落點(diǎn)的散布位置，當(dāng)判斷導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)飛離安全試驗(yàn)航區(qū)并影響被保護(hù)目標(biāo)安全時(shí)，由武控系統(tǒng)操作人員按下自毀按鈕，由指令發(fā)送系統(tǒng)向彈上發(fā)送自毀指令。導(dǎo)彈在接收到自毀指令后，將引爆命令通過引信傳遞到戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部即刻啟爆，啟爆后形成的殘骸將落入設(shè)定的安全試驗(yàn)航區(qū)之內(nèi)。射向坐標(biāo)系下的導(dǎo)彈安全試驗(yàn)航區(qū)及安全管道示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)航區(qū)及安全管道示意圖

2)彈上自主安控。

彈上自主安控主要是在導(dǎo)彈出現(xiàn)后向飛行和飛過理論遭遇點(diǎn)兩種情況下實(shí)施，因此，彈上自主安控在整個(gè)安控實(shí)施中只起輔助作用。彈上自主安控可根據(jù)導(dǎo)彈工作特點(diǎn)設(shè)置不同的安控判斷依據(jù)，例如可將彈目相對(duì)速度改變符號(hào)作為判別條件，再由彈上計(jì)算機(jī)判別是否對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施自毀，條件滿足后3～5 s發(fā)自毀指令。

3 安控基本方案

在中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)中，需要由兩個(gè)以上艦艇平臺(tái)參與對(duì)導(dǎo)彈的制導(dǎo)工作，每個(gè)艦艇平臺(tái)上的安控系統(tǒng)必須進(jìn)行信息交互，確保導(dǎo)彈飛行的全程可監(jiān)控?？紤]到彈上自主安控與導(dǎo)彈是否協(xié)同制導(dǎo)飛行無關(guān)，因此，主要針對(duì)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈被動(dòng)安控基本方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 被動(dòng)安控系統(tǒng)組成

被動(dòng)安控系統(tǒng)主要由導(dǎo)彈外彈道信息采集系統(tǒng)、指令發(fā)送系統(tǒng)、武控系統(tǒng)、發(fā)射艦安控計(jì)算機(jī)、協(xié)同制導(dǎo)艦安控計(jì)算機(jī)、彈上相關(guān)設(shè)備、以及相應(yīng)的通信鏈路組成，如圖3所示。

圖3 被動(dòng)安控系統(tǒng)組成圖

其中，導(dǎo)彈外彈道信息采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供導(dǎo)彈的位置、速度參數(shù)[7]；安控計(jì)算機(jī)為運(yùn)行安控軟件的計(jì)算機(jī)，安控軟件承擔(dān)處理安控相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行導(dǎo)彈自毀判斷的任務(wù)，安控計(jì)算機(jī)需要分別放置在導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)和導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)艦上。

3.2 安全管道設(shè)置及導(dǎo)彈自毀殘骸落點(diǎn)估算

安全管道即導(dǎo)彈在正常工作情況下飛行的區(qū)域。正常情況下，彈道水平面投影約為發(fā)射點(diǎn)與命中點(diǎn)之間的一條直線，取理論彈道水平投影為基準(zhǔn)，根據(jù)具體試驗(yàn)彈道確定安全管道長度；綜合考慮目標(biāo)速度起伏、導(dǎo)彈初始姿態(tài)擾動(dòng)、導(dǎo)彈飛行高度等因素確定安全管道的寬度；將相對(duì)0至最大飛行高度的一個(gè)空間區(qū)域作為安全管道的高度。

當(dāng)導(dǎo)彈在空中自毀后，彈體結(jié)構(gòu)分解，形成總數(shù)不定、大小不等的碎片。由于碎片無規(guī)則的氣動(dòng)外形，其氣動(dòng)阻力系數(shù)與完整彈體相比有很大增加，其自由飛散區(qū)域?qū)⒋鬄榭s小，要準(zhǔn)確估算碎片的飛散距離非常困難，可根據(jù)陸上飛行試驗(yàn)導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)分布數(shù)據(jù)，使用保守估計(jì)的氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)殘骸落點(diǎn)進(jìn)行估算[8]，即假設(shè)導(dǎo)彈自毀后斷裂為兩段，前段還保留有較為完整的氣動(dòng)外型，在此基礎(chǔ)上估計(jì)其氣動(dòng)阻力系數(shù)，可以認(rèn)為這樣估算得到的導(dǎo)彈碎片飛行距離大于實(shí)際飛行距離。

3.3 被動(dòng)安控工作流程

實(shí)施協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)，參試的兩艦之間具備實(shí)時(shí)寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力是必要條件。安控系統(tǒng)可借助艦間數(shù)據(jù)傳輸能力實(shí)現(xiàn)安控信息接力。此時(shí)安控基本方案為：在導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)和導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)艦上分別布置1套安控計(jì)算機(jī)，與艦上相應(yīng)信息源建立連接。導(dǎo)彈發(fā)射后至協(xié)同制導(dǎo)之前，由發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)執(zhí)行安控判斷，如需自毀由發(fā)射平臺(tái)指令發(fā)送系統(tǒng)發(fā)送自毀指令；啟動(dòng)協(xié)同制導(dǎo)時(shí)，接力艦安控計(jì)算機(jī)從接力艦武控系統(tǒng)網(wǎng)或作戰(zhàn)信息網(wǎng)獲取彈動(dòng)時(shí)刻、發(fā)射點(diǎn)位置、實(shí)際射向以及制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤數(shù)據(jù)；接力之后，由接力艦安控計(jì)算機(jī)執(zhí)行安控判斷，如需自毀由接力艦制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)送自毀指令。具體工作流程如下：

1)發(fā)射平臺(tái)武器系統(tǒng)收到目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)后，發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)通過專用數(shù)據(jù)鏈路從武控系統(tǒng)網(wǎng)獲取目標(biāo)信息；

2)發(fā)射時(shí)刻，發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)從武控系統(tǒng)網(wǎng)上獲取彈動(dòng)時(shí)刻、發(fā)射點(diǎn)位置及實(shí)際射向，形成導(dǎo)彈飛行安全管道(安全管道以彈動(dòng)時(shí)刻導(dǎo)彈經(jīng)緯度為起點(diǎn)，指向?qū)棇?shí)際射向)；

3)發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)協(xié)同制導(dǎo)艦實(shí)時(shí)接收導(dǎo)彈外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)彈飛行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

4)導(dǎo)彈發(fā)射后，協(xié)同制導(dǎo)艦安控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收導(dǎo)彈外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)彈飛行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

5)啟動(dòng)導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)時(shí)，導(dǎo)彈彈動(dòng)時(shí)刻、發(fā)射點(diǎn)位置及實(shí)際射向等信息通過艦間數(shù)據(jù)鏈傳送至協(xié)同制導(dǎo)艦武控系統(tǒng)網(wǎng)，導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)艦安控計(jì)算機(jī)從武控系統(tǒng)網(wǎng)上獲取彈動(dòng)時(shí)刻、發(fā)射點(diǎn)位置及實(shí)際射向，形成導(dǎo)彈飛行安全管道；

6)當(dāng)發(fā)射平臺(tái)與協(xié)同制導(dǎo)艦的導(dǎo)彈制導(dǎo)工作交接完成后，導(dǎo)彈被動(dòng)安控工作交由協(xié)同制導(dǎo)艦繼續(xù)執(zhí)行，協(xié)同制導(dǎo)艦安控計(jì)算機(jī)顯示界面與發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)一致，安全管道均以彈動(dòng)時(shí)刻導(dǎo)彈經(jīng)緯度為起點(diǎn)，指向?qū)棇?shí)際射向；

7)此時(shí)，發(fā)射平臺(tái)安控計(jì)算機(jī)仍然可以接收導(dǎo)彈外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行安控判斷和顯示，只是僅供發(fā)射平臺(tái)上了解協(xié)同制導(dǎo)后導(dǎo)彈的飛行情況，如需自毀由協(xié)同制導(dǎo)艦完成；

8)在導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)過程中，當(dāng)導(dǎo)彈飛行軌跡偏出安全管道時(shí)，由當(dāng)前制導(dǎo)實(shí)施艦的安控計(jì)算機(jī)發(fā)出“危險(xiǎn)”提示，同時(shí)開始計(jì)算導(dǎo)彈自毀殘骸散布區(qū)域，當(dāng)實(shí)時(shí)計(jì)算的殘骸散布區(qū)域到達(dá)規(guī)定的安全區(qū)邊界時(shí)，安控計(jì)算機(jī)給出“自毀”提示，提醒指揮員及時(shí)采取自毀措施。

3.4 安控軟件方案

安控軟件運(yùn)行在安控計(jì)算機(jī)上，是導(dǎo)彈安控的具體實(shí)現(xiàn)單元，它具有初始化功能、數(shù)據(jù)接收及處理功能、導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)預(yù)測(cè)功能、自毀判斷功能、人機(jī)界面顯示功能、模擬顯示與數(shù)據(jù)回放功能等。

1)初始化功能。

用戶可在軟件人機(jī)界面上對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

① 裝訂試驗(yàn)方案；

② 裝訂安全管道特征點(diǎn)、重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)坐標(biāo)等；

③ 雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出坐標(biāo)系原點(diǎn)與射向坐標(biāo)系原點(diǎn)的相對(duì)位置。

2)數(shù)據(jù)接收及處理功能。

數(shù)據(jù)接收及處理功能如下：

① 接收雷達(dá)跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)；

② 接收導(dǎo)彈外彈道數(shù)據(jù)；

③ 接收發(fā)射平臺(tái)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

④ 對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷；

⑤ 坐標(biāo)變化，將輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到射向坐標(biāo)系中進(jìn)行處理。

3)導(dǎo)彈殘骸落點(diǎn)預(yù)測(cè)功能。

預(yù)測(cè)導(dǎo)彈殘骸的落點(diǎn)位置、散布范圍。

4)自毀判斷功能。

給出導(dǎo)彈是否需要自毀的判斷結(jié)果。

5)人機(jī)界面顯示內(nèi)容。

① 顯示試驗(yàn)航區(qū)電子海圖，電子海圖為矢量圖并具備編輯功能；

② 實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工作狀態(tài)；

③ 顯示安全管道位置，安全管道可根據(jù)發(fā)射點(diǎn)位置實(shí)時(shí)變化；

④ 實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈、發(fā)射平臺(tái)的位置、速度以及時(shí)間等參數(shù)數(shù)據(jù)；

⑤ 實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈殘骸的預(yù)測(cè)落點(diǎn)位置；

⑥ 顯示外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、數(shù)據(jù)是否有效標(biāo)志；

⑦ 顯示導(dǎo)彈自毀告警、自毀判斷等標(biāo)志。

6)模擬演示與數(shù)據(jù)回放設(shè)計(jì)。

① 能夠脫機(jī)模擬導(dǎo)彈正常飛行和故障飛行情況、自毀報(bào)警、實(shí)時(shí)安控；

② 可事后回放。

7)數(shù)據(jù)處理流程。

安控軟件數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 安控軟件數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)束語

本文針對(duì)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)的實(shí)施安全性問題，綜合考慮中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制特點(diǎn)、協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程、導(dǎo)彈安全控制措施等，對(duì)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)安控方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)以單艦制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)安全控制實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)過程分析為基礎(chǔ)，貼近試驗(yàn)工程實(shí)際，具有較好的實(shí)用價(jià)值。后續(xù)，隨著武器裝備協(xié)同制導(dǎo)作戰(zhàn)模式的逐漸成熟，可根據(jù)具體的制導(dǎo)交接方案進(jìn)一步細(xì)化完善本文提出的安控設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)飛行試驗(yàn)的安全實(shí)施奠定基礎(chǔ)。