一種基于相控陣引信自適應(yīng)波束的高效引戰(zhàn)配合方法研究

闞 飛， 伍旭東， 劉華寧

(江南機(jī)電設(shè)計研究所，貴州 貴陽550000)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，來襲的空中目標(biāo)以多種類、大范圍、高速度、強(qiáng)機(jī)動等方式出現(xiàn)，使得導(dǎo)彈與目標(biāo)的交會情況變得更加復(fù)雜，而現(xiàn)代防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)既需要對付低速飛機(jī)類目標(biāo)，還要攔截彈道式導(dǎo)彈等高速目標(biāo)，導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對速度范圍很大(400～4 500 m/s)，使得戰(zhàn)斗部動態(tài)飛散區(qū)變化范圍很大，對應(yīng)的引信啟動角范圍也很大，采用傳統(tǒng)定角引信進(jìn)行引戰(zhàn)配合的延時設(shè)計，在反高速目標(biāo)時，延遲時間較小或受制于引信波束傾角和硬件處理信息能力會出現(xiàn)負(fù)延時，延時誤差較大或出現(xiàn)炸點滯后，這種方法不能適應(yīng)當(dāng)前交會角和相對速度變化范圍大的彈目交會環(huán)境，引戰(zhàn)配合效率較低。本文基于相控陣導(dǎo)引頭引信一體化設(shè)計平臺，綜合利用導(dǎo)引頭和引信信息，提出了一種基于相控陣引信自適應(yīng)波束的高效引戰(zhàn)配合方法，為解決既反低速飛機(jī)類目標(biāo)又可攔截彈道導(dǎo)彈等高速目標(biāo)的現(xiàn)代防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)引戰(zhàn)配合需求提供了一種思路，同時可以為其它系統(tǒng)引戰(zhàn)配合研究提供很好的借鑒作用，對國防建設(shè)具有重大意義。

1 引信系統(tǒng)基本原理

在彈目遭遇過程中，當(dāng)滿足一定的作用距離時，導(dǎo)引頭跟蹤波束自適應(yīng)切換至引信探測波束，并發(fā)射引信所需的探測波形，導(dǎo)引頭丟失目標(biāo)前，將實時測量的彈目交會信息送給引信，引信根據(jù)導(dǎo)引頭提供的信息和戰(zhàn)斗部信息計算戰(zhàn)斗部動態(tài)飛散中心角，并將回波信號下變頻為中頻信號后，進(jìn)行AD 采樣，采樣信號結(jié)合導(dǎo)引頭信息通過DBF算法進(jìn)行引信自適應(yīng)波束賦形，形成引信所需的探測波束。當(dāng)引信波束探測到目標(biāo)時，結(jié)合識別的目標(biāo)脫靶方位控制不同的起爆點起爆戰(zhàn)斗部，達(dá)到最佳引戰(zhàn)配合效果。

根據(jù)引戰(zhàn)配合設(shè)計原則，只有戰(zhàn)斗部破片動態(tài)飛散區(qū)寬度不小于引信啟動散布寬度時，才能實現(xiàn)有效地引戰(zhàn)配合，從而有效毀傷目標(biāo)。戰(zhàn)斗部破片動態(tài)飛散角的最大值和最小值利用以下公式計算。

圖1 引信系統(tǒng)基本原理框圖

取破片初速V0=2 500 m/s，Vrmax=4 500 m/s，取彈目相對速度為Vr=3 500 m/s，失調(diào)角Ωr=20°，則戰(zhàn)斗部破片動態(tài)飛散角范圍為16.3°～50.8°，破片動態(tài)飛散中心角約為33.6°?？梢姼咚偾闆r下，戰(zhàn)斗部破片飛散區(qū)在Vr方向前傾程度嚴(yán)重，引信啟動角也應(yīng)該越靠近前傾，才不會出現(xiàn)炸點滯后等問題。因此，傳統(tǒng)的定角引信在兼顧反飛機(jī)、TBM 時，不能自適應(yīng)引信傾角變化，引戰(zhàn)配合效率較低，需要研究高效引戰(zhàn)配合的方法。

本文提出了一種基于相控陣引信自適應(yīng)波束的高效引戰(zhàn)配合方法，在作戰(zhàn)過程中，引信利用導(dǎo)引頭提供的相對速度、距離等信息計算戰(zhàn)斗部破片的動態(tài)飛散區(qū)，進(jìn)而根據(jù)動態(tài)飛散中心角自適應(yīng)調(diào)整天線波束傾角，控制引信的啟動區(qū)，使引信啟動角與戰(zhàn)斗部動態(tài)飛散中心重合，達(dá)到觸發(fā)即啟動，實現(xiàn)既反低速類飛機(jī)目標(biāo)、又可攔截戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(TBM)高速目標(biāo)的引戰(zhàn)配合兼容，提高防空導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合效率。具體模型如下。

2 彈目交會模型

導(dǎo)彈和目標(biāo)交會段又稱遭遇段，通常指從導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)失控至導(dǎo)彈與目標(biāo)最接近的脫靶點之間的一段運動彈道。在這段彈道上，導(dǎo)彈和目標(biāo)呈現(xiàn)如下特征[1]：

a)導(dǎo)彈和目標(biāo)已來不及做機(jī)動飛行，因此相對速度矢量的方向基本不變;

b)在進(jìn)入這段彈道時，目標(biāo)相對導(dǎo)彈的視線角速度開始發(fā)散，導(dǎo)引頭開始丟失目標(biāo)。

根據(jù)彈目交會段的上述技術(shù)特征，建立簡化的交會幾何模型。假設(shè)交會過程中目標(biāo)和導(dǎo)彈姿態(tài)不變，沿各自的軸線作勻速直線運動，不考慮彈目交會時導(dǎo)彈攻角;戰(zhàn)斗部破片飛散在飛行過程中速度大小不變。圖2為彈體坐標(biāo)系下的交會示意圖。

圖2 彈體坐標(biāo)系下彈目交會示意圖

在彈體坐標(biāo)系中：ox 1軸為導(dǎo)彈速度方向，假設(shè)與導(dǎo)彈縱軸重合;Vr為相對速度矢量，被分解為縱向速度Vrx(導(dǎo)彈縱軸方向)和橫向速度Vrzy(垂直于導(dǎo)彈軸方向);B點脫靶點;ρ 為脫靶量;ωr為脫靶方位角;中心破片動態(tài)速度矢量V0r是彈目相對速度矢量Vr與中心破片靜態(tài)速度矢量V0之和;Ω0r為最佳起爆角即動態(tài)飛散角。

3 自適應(yīng)角起爆的引戰(zhàn)配合模型建立

如圖3，當(dāng)視線角變化到ξz 時，視線方向恰好與戰(zhàn)斗部動態(tài)飛散角中心方向重合，顯然此時起爆戰(zhàn)斗部就是“最佳起爆時刻”，對應(yīng)的ξz 定義為“最佳起爆角”(ξz根據(jù)導(dǎo)引頭測量的信息計算，預(yù)先裝定)。也就是說，交會時，引信探測到目標(biāo)就給出起爆信號[3]，模型如下。

(1)計算失調(diào)角Ωr

遭遇段彈目相對速度與導(dǎo)引頭天線指向一致，失調(diào)角Ωr可由下式近似為

圖3 彈體坐標(biāo)系下彈目交會示意圖

式中：ε，β 分別為目標(biāo)高低角、目標(biāo)方位角。

(2)相對速度矢量在彈體坐標(biāo)系的方位角ωr1

(3)導(dǎo)引頭測量的相對速度值Vr

式中：λa為導(dǎo)引頭波長。

(4)動態(tài)飛散中心角計算

上式中vrx1，vry1，vrz1為相對速度在彈體坐標(biāo)系中的速度分量：

vrx1=vrcosΩr

vry1=vrsinΩrcosωr1vrz1=vrsinΩrsinωr1

式中：ω0為 破片靜態(tài)飛散速度方位角(v0在y1oz1平面的投影與Y1軸的夾角);φ0為破片靜態(tài)飛散速度與彈軸的夾角。

根據(jù)戰(zhàn)斗部設(shè)計的靜態(tài)飛散角，將相應(yīng)的φ0入上式得到動態(tài)飛散區(qū)范圍。將波束按照動態(tài)飛散區(qū)飛散范圍賦形，實現(xiàn)“觸發(fā)即啟動”。由于引信從探測到目標(biāo)到輸出啟動信號需要一定的時間，設(shè)該時間為t0，因此需要將該時間轉(zhuǎn)化為引信波束賦形的前傾量，計算過程如下。

(5)最佳彈目視線角計算

其中破片動態(tài)飛散速度為

(6)脫靶量ρ

通過彈目交會過程中兩次測量多普勒頻率可求得脫靶量ρ[4]。

設(shè)在時刻t1、t2分別測得多普勒頻率fd1、fd2，則有

由上式得

(7)彈目距離R

(8)目標(biāo)脫靶點坐標(biāo)求取

目標(biāo)在彈體坐標(biāo)彈體坐標(biāo)系中的瞬時位置為

目標(biāo)在脫靶點位置時，與導(dǎo)彈的徑向速度為0，因此，將R(t)對t求導(dǎo)，并令其等于零，得到目標(biāo)自基準(zhǔn)點運動到脫靶點的時間tρ為[4]

將tρ帶入(6-19)式得脫靶點的坐標(biāo)為

(9)戰(zhàn)斗部起爆至破片命中目標(biāo)時間tv0

設(shè)目標(biāo)相對速度坐標(biāo)系到彈體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

(10)最佳起爆C點坐標(biāo)求取

(11)引信波束賦形前傾角計算

設(shè)B點為引信波束前傾位置，則B點坐標(biāo)為

則前傾角α為

通過上面分析計算，可將波束傾角按照動態(tài)飛散區(qū)減去前傾角360°賦形，實現(xiàn)“觸發(fā)即啟動”。

4 引戰(zhàn)配合仿真

針對不同目標(biāo)類型，選取相對速度范圍為(400～4 500)m/s計算不同方位的動態(tài)飛散角統(tǒng)計如表1所示。

表1 仿真計算統(tǒng)計結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知，從(400～4 500)m/s相對速度檔中，選取特征點彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行引戰(zhàn)配合計算，初步統(tǒng)計得到各種交會條件下全方位對應(yīng)的戰(zhàn)斗部破片中心動態(tài)飛散角度范圍20.2°～68.6°，利用DBF 引信波束賦形技術(shù)使引信波束傾角等于戰(zhàn)斗部中心破片動態(tài)飛散角，根據(jù)“觸發(fā)即啟動”的原則實現(xiàn)最佳引戰(zhàn)配合;引戰(zhàn)配合仿真效果如下。

圖6 動態(tài)飛散角為20°～50°的24波束賦形效果圖

從圖4和圖5可以看出，形成不同個數(shù)的波束，也會影響前傾角的大小;從圖4、圖6和圖7對比分析可以看出，不同的交會姿態(tài)，前傾角的大小也不一樣，從圖4～圖7分析可以得到，在360°方位上，前傾角的大小不同，理論上引戰(zhàn)配合效果良好。

圖7 動態(tài)飛散角為20°～50°的16波束賦形效果圖

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)階段同時實現(xiàn)既反低速飛機(jī)類目標(biāo)又可攔截彈道導(dǎo)彈等高速目標(biāo)的高效引戰(zhàn)配合難題，本文基于相控陣導(dǎo)引頭引信一體化設(shè)計平臺，綜合利用導(dǎo)引頭和引信信息，提出了一種基于相控陣引信自適應(yīng)波束的高效引戰(zhàn)配合方法，該方法通過控制引信自適應(yīng)形成不同彈目交會條件下探測波束傾角，使引信啟動角和動態(tài)飛散角重合，實現(xiàn)引信“觸發(fā)即啟動”，不用計算延時，解決了傳統(tǒng)定角引信延時控制算法對高速目標(biāo)炸點滯后，不能命中目標(biāo)的情況，提高了引戰(zhàn)配合效率。通過仿真驗證了引戰(zhàn)配合模型的準(zhǔn)確性和高效性，并得出在一定交會條件下，理論上引戰(zhàn)配合效果良好。