反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)基于GIS對島岸附近目標(biāo)搜索策略

吳 帥，謝春思，李進(jìn)軍，張小東，李 強，郭 策

(海軍大連艦艇學(xué)院 a.學(xué)員五大隊; b.導(dǎo)彈與艦炮系， 遼寧 大連 116018)

島岸附近作戰(zhàn)，美海軍稱為瀕海戰(zhàn)斗，是海上作戰(zhàn)的重要樣式。島岸的遮擋和掩護(hù)，成為水面艦艇的天然庇護(hù)所[1-3]。而對于攻擊方來說，如何能從島岸背景下搜索到目標(biāo)，并對其實施精準(zhǔn)打擊，是反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用一個亟待解決的問題。從目前可獲取文獻(xiàn)和資料分析，研究工作主要從技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)使用兩個方向開展。在技術(shù)方面，文獻(xiàn)[4]提出了一種利用GIS對島岸雜波進(jìn)行消除的方法來抑制島岸環(huán)境對目標(biāo)搜索帶來的干擾，從而避免導(dǎo)彈對島岸目標(biāo)的誤捕，但方法過于理想，應(yīng)用前景有限。在戰(zhàn)術(shù)使用方面，文獻(xiàn)[2-4]中在考慮自控終點散布誤差的情況下，提出了雷達(dá)搜索的最小離岸距離及搜索扇面角的計算方法，但未能具體應(yīng)用；文獻(xiàn)[5]中提出了導(dǎo)彈平行島岸射擊時目標(biāo)探測的方式，但未能結(jié)合復(fù)雜多變的地理環(huán)境。針對以上方法的不足，本研究提出了基于GIS地理信息系統(tǒng)更加精確的確定導(dǎo)彈的搜索與攻擊方向的方法，為導(dǎo)彈的航路規(guī)劃提供了參考依據(jù)。

1 島岸附近目標(biāo)選捕的影響

反艦導(dǎo)彈飛抵自控終點時末制導(dǎo)雷達(dá)開機對目標(biāo)進(jìn)行搜索、識別、選擇和跟蹤，最后進(jìn)行打擊。但在島岸背景下，末制導(dǎo)雷達(dá)分辨島岸和目標(biāo)極其困難，極易將島岸錯捕成目標(biāo)，給末制導(dǎo)雷達(dá)對目標(biāo)的截獲和識別帶來困難。

一般來說，島岸附近的復(fù)雜地理背景和島岸上的建筑均會對反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)捕捉目標(biāo)產(chǎn)生影響。島岸的自然地理環(huán)境復(fù)雜多變，茂密的森林、高聳的懸崖、高低起伏的山脈、島岸附近零星的礁石，還有縱深狹長的港灣等都會產(chǎn)生強烈的雷達(dá)回波[5]。并且，不同質(zhì)地物理背景的雷達(dá)回波也不同，小坡度、低地勢的沙土的雷達(dá)回波信號較弱，而懸崖、礁石的雷達(dá)回波較強。同時，島岸上高大的建筑物、營區(qū)、碼頭等，也會影響末制導(dǎo)雷達(dá)對島岸附近目標(biāo)的搜索與捕捉[6]。雷達(dá)回波的錯綜復(fù)雜，使得反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)對島岸附近目標(biāo)的搜捕變得更加困難。

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)除對島岸附近目標(biāo)搜索存在困難之外，還存在對多目標(biāo)識別和選擇的困難。在對島岸附近目標(biāo)搜索和識別的過程中，停泊在碼頭或低速行駛的商船、游船或漁船，都會成為雷達(dá)選擇的目標(biāo)，并且型號不同的船只也會對目標(biāo)的識別和選擇產(chǎn)生干擾，加大了末制導(dǎo)雷達(dá)對目標(biāo)識別和選擇的難度[7]。當(dāng)島岸被錯捕為目標(biāo)，“島岸目標(biāo)”和預(yù)定目標(biāo)混雜在一起，雷達(dá)如何從眾多島岸附近目標(biāo)及島岸目標(biāo)中識別和選擇出預(yù)定目標(biāo)，是一個需要解決的難題[8]。

2 基于GIS搜索島岸附近目標(biāo)可行性分析

在打擊島岸附近目標(biāo)時，GIS所提供的地形空間信息和描述性信息，能夠為反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)搜索目標(biāo)提供幫助。根據(jù)獲取的目標(biāo)位置信息，結(jié)合GIS提供的目標(biāo)區(qū)域附近島岸地理特征信息，可以規(guī)劃導(dǎo)彈的最佳搜索和攻擊方向。同時，通過調(diào)整末制導(dǎo)雷達(dá)搜索圖，使導(dǎo)彈開機后僅覆蓋目標(biāo)區(qū)域，從而最大可能避免島岸環(huán)境的雜波干擾。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一個基于計算機硬件和軟件系統(tǒng)，對地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述以及輔助決策的技術(shù)系統(tǒng)[9]。它能夠很好地描述物質(zhì)的屬性，空間的坐標(biāo)與時間三者之間的關(guān)系，并且能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合和查詢。

一般的，地理信息系統(tǒng)中儲存的地圖包括最基本的兩個信息：空間信息和描述信息?？臻g信息是用來描述地理特征的位置和形狀及特征間的空間關(guān)系，而描述信息則用來反映這些地理特征的組成成分[10]。地理信息系統(tǒng)中提供的島岸信息包括以下特征[11]。

1) 對島岸空間查詢分析

島岸空間查詢分析主要包括基于空間圖形數(shù)據(jù)的分析運算、基于非空間屬性的數(shù)據(jù)運算以及空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算。可以準(zhǔn)確獲得島岸地理空間信息，提取和傳輸島岸地理空間信息，為反艦導(dǎo)彈的末端搜索和攻擊方向提供輔助決策。

2) 對島岸層疊分析

將島岸不同數(shù)據(jù)圖層疊加在一起進(jìn)行圖形運算和分析，可以產(chǎn)生新的空間圖形和屬性，確定具有不同地理屬性的要素分布，獲得島岸空間隱含信息。GIS對島岸的層疊分析，可以充分了解島岸的地理分布、島岸建筑分布等信息，為反艦導(dǎo)彈的航路規(guī)劃提供參考。

3) 對島岸數(shù)字地形模型(DTM)與地形分析

DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地形參數(shù)，如坡向、坡度、地表粗糙度等，并進(jìn)行通視分析、流域結(jié)構(gòu)生成等應(yīng)用分析。不同地形對雷達(dá)回波強弱有所影響，GIS所提供的島岸地形參數(shù)分析，便于反艦導(dǎo)彈末端搜索和攻擊方向的選擇。

從戰(zhàn)術(shù)使用角度，解決島岸附近目標(biāo)搜索的問題，主要方法就是通過提高導(dǎo)彈射擊精度、規(guī)劃末端攻擊方向和設(shè)置末制雷達(dá)搜索圖，使得導(dǎo)彈在自控終點開機后，搜索到目標(biāo)的同時不覆蓋到島岸目標(biāo)。首先，根據(jù)GIS提供的島岸邊緣坐標(biāo)，目標(biāo)群中心位置坐標(biāo)，解算出相對位置關(guān)系，計算出最小對島岸附近目標(biāo)搜索的距離，據(jù)此規(guī)劃末端攻擊方向。然后，根據(jù)目標(biāo)射擊距離，結(jié)合自控終點的散布誤差，確定末制導(dǎo)雷達(dá)開機點，保證雷達(dá)在對目標(biāo)區(qū)域搜索過程中不會誤捕到島岸上的目標(biāo)，可極大提高反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)的搜捕概率。

3 基于GIS搜索島岸附近目標(biāo)模型

反艦導(dǎo)彈在對島岸附近目標(biāo)實施搜索和攻擊時，首先要對GIS提供的島岸邊緣位置信息和目標(biāo)群中心位置進(jìn)行相對位置的解算。然后，確定反艦導(dǎo)彈末端攻擊方向。最小對島岸附近目標(biāo)搜索的距離由反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)分辨精度、導(dǎo)彈的自控終點散布誤差等因素共同決定。在導(dǎo)彈末端確定的搜索方向上，通過調(diào)整末制導(dǎo)雷達(dá)自控終點的開機位置以及搜索波門，避免末制導(dǎo)雷達(dá)在搜索方向上捕捉到島岸目標(biāo)，減少了雷達(dá)對目標(biāo)截獲和選擇的難度，從戰(zhàn)術(shù)使用上降低了對末制導(dǎo)雷達(dá)性能的要求，增強了導(dǎo)彈使用的靈活性。

3.1 島岸相對態(tài)勢的解算

一般來說，GIS信息和目標(biāo)位置信息坐標(biāo)系基準(zhǔn)不一致，為便于在同一平面內(nèi)進(jìn)行處理運算，需要將球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系。然后，解算發(fā)射艦船坐標(biāo)、目標(biāo)群坐標(biāo)、島岸坐標(biāo)相對位置，并在此基礎(chǔ)上完成反艦導(dǎo)彈末端攻擊方向的選擇[12]?？紤]到導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)搜索距離較近，將導(dǎo)彈飛行的表面近似看作是水平面[13]。

為方便計算，采用簡化的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。將目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。例如目標(biāo)位置(x,y)(其中x為目標(biāo)的經(jīng)度，y為目標(biāo)的緯度)轉(zhuǎn)換成以艦船為坐標(biāo)原點的直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，設(shè)地球的半徑為R，那么直角坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換公式為：

X=Rcosycosx

Y=Rcosysinx

Z=Rsiny

(1)

對于球面的任意兩點A(x1,y1)，B(x2,y2)，對應(yīng)直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為A(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，則AB兩點的水平距離L0為

(2)

兩點直線距離L1為

(3)

由式(2)可確定目標(biāo)區(qū)域到島岸最小距離Dmin。

設(shè)艦船位置為O(x1,y1)，坐標(biāo)系中任意一點的位置為C(x2,y2)，則目標(biāo)點C相對于艦船O點的方位θ為：

θ=arcsinL×180/π

(4)

其中：

L=cosx1sin(y1-y2)l

(5)

(6)

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)最小對島岸附近目標(biāo)搜索距離σ由導(dǎo)彈自控終點的散布誤差、末制導(dǎo)雷達(dá)分辨精度(包括距離分辨率θd、方位分辨率θλ)共同決定。反艦導(dǎo)彈自控終點的散布誤差主要是隨機誤差，即導(dǎo)彈自控終點的橫向和側(cè)向概率誤差(Ez，Ex)。文獻(xiàn)[14]中給出了Ez和Ex計算的回歸公式：

Ez=-95.366+45.255 9·Dzk(Dzk≥5 km)

(7)

Ex=409.359 3+18.954 7·Dzk(Dzk≥5 km)

(8)

其中Dzk為導(dǎo)彈自控飛行距離。

考慮到末制導(dǎo)雷達(dá)分辨精度的優(yōu)先性，在確定反艦導(dǎo)彈最小對島岸附近目標(biāo)搜索距離時，應(yīng)優(yōu)先滿足末制導(dǎo)雷達(dá)距離分辨精度θd。則反艦導(dǎo)彈最小對島岸附近目標(biāo)搜索距離σ可由導(dǎo)彈自控終點的縱向概率誤差及末制導(dǎo)雷達(dá)距離分辨精度θd共同確定。

σ=Ez+θd

(9)

3.2 導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)搜索的流程圖

圖1為反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)對島岸附近目標(biāo)搜索的流程圖。

在規(guī)劃反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)搜索航線時，首先從GIS中獲取島岸邊緣地理位置信息，結(jié)合目標(biāo)群的中心位置點坐標(biāo)，根據(jù)島岸邊緣坐標(biāo)分布與目標(biāo)群中心位置點的相對位置，計算出目標(biāo)群中心距離島岸的最小距離Dmin。判斷最小距離Dmin是否滿足導(dǎo)彈垂直島岸搜索目標(biāo)的條件，即距離島岸的最小距離Dmin要大于導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)距離分辨精度與導(dǎo)彈自控終點垂直島岸方向的散布誤差之和。如果滿足距離條件，則選擇垂直島岸方向進(jìn)行目標(biāo)搜索。否則，選擇平行島岸對目標(biāo)進(jìn)行搜索。通過調(diào)整雷達(dá)搜索圖，避免島岸干擾。

圖1 反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)搜索流程

平面坐標(biāo)系下，發(fā)射艦船對島岸附近目標(biāo)搜索的模型如圖2所示。

圖2 島岸附近目標(biāo)搜索模型

如圖2所示，點A為發(fā)射艦船位置，點B為目標(biāo)群的中心點，CDE為島岸線，BD為目標(biāo)群中心點到島岸最近距離，長度為Dmin。記導(dǎo)彈最小對島岸附近目標(biāo)搜索的距離為σ，大小由雷達(dá)距離分辨精度與導(dǎo)彈自控終點散布誤差決定。當(dāng)Dmin>σ時，選擇導(dǎo)彈垂直于島岸BF方向進(jìn)行目標(biāo)搜索方位角為(π-α)；當(dāng)Dmin<σ時，選擇導(dǎo)彈平行于島岸HB方向進(jìn)行目標(biāo)搜索方位角為β。

4 算例及分析

在Matlab的環(huán)境中，對圖2島岸附近目標(biāo)搜索模型進(jìn)行仿真驗算。

1)Dmin<σ時反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)搜索模型的仿真

仿真結(jié)果如圖3所示。

為方便計算，對島岸線坐標(biāo)選取進(jìn)行了簡單化處理。圖3中曲線DEFBG為模擬的島岸線，點C為標(biāo)記的目標(biāo)群的中心點位置，點A處為發(fā)射艦船。本次仿真設(shè)置的導(dǎo)彈最小對島岸附近目標(biāo)搜索的距離σ=2。經(jīng)計算，目標(biāo)群的中心點距離島岸的距離Dmin=1，小于最小允許距離，則選擇平行島岸飛行的方向進(jìn)行目標(biāo)搜索。點H為反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的搜索扇面，虛線即為雷達(dá)搜索目標(biāo)的航向。由仿真結(jié)果可以看出，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了設(shè)想的方案的可行性。

圖3 Dmin<σ時島岸附近目標(biāo)搜索模型仿真

2)Dmin≥σ時反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)的搜索模型仿真

仿真結(jié)果如圖4所示。如圖4曲線DEFBG為模擬的島岸線，點C為標(biāo)記的目標(biāo)群的中心點位置，點A處為發(fā)射反艦導(dǎo)彈的艦船。仿真設(shè)置的導(dǎo)彈最小對島岸附近目標(biāo)搜索的距離σ=2。經(jīng)計算，目標(biāo)群的中心點距離島岸的距離Dmin=2，大于最小允許距離，則選擇垂直島岸飛行的方向進(jìn)行目標(biāo)搜索。點H為導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的搜索扇面，虛線即為雷達(dá)搜索目標(biāo)的航向。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)目標(biāo)距離大于最小允許距離時，反艦導(dǎo)彈能夠正確地選擇垂直島岸方向進(jìn)行目標(biāo)搜索，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖4 Dmin≥σ時島岸附近目標(biāo)搜索模型仿真

通過調(diào)整目標(biāo)與島岸距離，驗證了在不同距離范圍內(nèi)，設(shè)計的模型都能選擇正確的搜索方向，從戰(zhàn)術(shù)方面保證了反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在覆蓋到目標(biāo)區(qū)域的同時不捕捉到島岸目標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。證明了所提方案的可行性以及模型的正確性。

5 結(jié)論

1) 提出的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)基于GIS(地理信息系統(tǒng))對島岸附近目標(biāo)搜索方向選擇方法，對解決反艦導(dǎo)彈對島岸附近目標(biāo)搜索時因島岸干擾而誤捕到島岸目標(biāo)的問題有著借鑒意義。

2) 該方法從戰(zhàn)術(shù)角度避免島岸干擾，通過判斷島岸與目標(biāo)距離和導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)不覆蓋到島岸最小距離的大小，選擇最佳搜索方向，從而提高反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的搜捕概率。

3) 根據(jù)設(shè)想的方案，建立了反艦導(dǎo)彈基于GIS對島岸附近目標(biāo)搜索的模型，并對該模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗證了該方法的可行性與正確性。