基于衛(wèi)星通信的導彈打擊系統(tǒng)仿真

于 佳,張 影,蒯本鏈

(南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司),江蘇南京 210000)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,特別是在科索沃戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中,從發(fā)現(xiàn)目標到最終打擊到目標用的時間達數(shù)天到數(shù)小時不等[1-3]。隨著時間的推移,軍隊打擊目標的時間越來越短,關(guān)鍵因素是航天工程的發(fā)展,衛(wèi)星通信起了關(guān)鍵性的作用,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,信息的重要性越來越受到重視[4-6]。在攻擊目標的方式方面,使用武器導彈進行攻擊是目前軍方主要選擇的攻擊方式[7]。在實際作戰(zhàn)中,導彈能否實現(xiàn)對目標進行有效打擊主要取決于導彈擊中目標的誤差程度,所以,帶有末制導的導彈對導彈軌道的修正尤其重要[8]。本文建立一個仿真系統(tǒng),包括衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標,通過衛(wèi)星傳輸信息到最后導彈攻擊一整套環(huán)節(jié),仿真系統(tǒng)的理論涉及覆蓋分析、通信傳輸、末制導攻擊布標等一系列理論知識。

1 攻擊目標的運動模擬

攻擊目標的運動的速度是隨機變化的,本文采用馬爾科夫過程作為運動加速度的模型,濾波器的轉(zhuǎn)移矩陣為[9]

(1)

(2)

而噪聲協(xié)方差矩陣也可進行如下變換。

(3)

單部雷達定位誤差標準差為0.08 km,均值為0,濾波系統(tǒng)自身噪聲均方值為0.05,目標做勻速直線運動,其x和y方向的速度相等,運用singerαβγ卡爾曼濾波后可以得到目標的模擬預測航跡與真實航跡。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

假設目標的經(jīng)緯度為φ0和λ0,衛(wèi)星的星下點的經(jīng)緯度是φs和λs,具體的衛(wèi)星覆蓋目標的示意圖如圖1所示,星下點與覆蓋最邊緣的點之間的角度為d*(0≤d*≤π),d≤d*時,目標在衛(wèi)星的可視范圍內(nèi)。

圖1 衛(wèi)星對目標的覆蓋圖

cosd≤sinφ0sinφs+cosφ0cosφscos(λ0-λs)

(4)

假設目標位置為距星下點軌跡的偏差角為ξ的某一點上,而天線波束能偵察的最大偏差角為ξmax,則能偵察該目標的軌道弧度為

Fv=φ/180°

(5)

其中，cosφ=cosξmax/cosξ。

衛(wèi)星在本圈軌道中偵察到目標所用的時間為

t=TSFv

(6)

其中,TS是軌道的周期。

3 末制導建模

3.1 雷達組網(wǎng)

為了獲得最佳作戰(zhàn)效果,新一代作戰(zhàn)系統(tǒng)依靠單傳感器提供信息已經(jīng)無法滿足作戰(zhàn)需求,必須運用覆蓋寬廣頻段的各種有源和無源探測器的多傳感器集成,來提供多種觀測數(shù)據(jù),通過綜合優(yōu)化處理,實時發(fā)現(xiàn)目標,獲取目標狀態(tài)估計、識別目標屬性、分析敵方行為意圖等。雷達組網(wǎng)的技術(shù)基礎是多傳感器信息融合技術(shù)。從作戰(zhàn)角度來看,信息融合可以定義為這樣一個過程:把來自不同傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組織,以獲得目標的精確狀態(tài)[11]。

3.2 末制導修正方法

末制導的基本理論是在導彈上計算導彈擊中目標的位置,然后和理論的位置進行比較,導彈根據(jù)理論值與預測值的誤差產(chǎn)生控制信號,改變導彈的運行軌跡,最終準確擊中目標。

彈頭在一個校正時間間隔內(nèi)的調(diào)整過程及方法如圖2所示。

(7)

4 偵察打擊系統(tǒng)仿真

4.1 偵察打擊系統(tǒng)總體框架

整個仿真系統(tǒng)采用Matlab的GUI設計制作,主要功能有衛(wèi)星偵察、衛(wèi)星通信傳輸、導彈打擊目標計算和演示等，如圖3所示。圖4為偵察打擊流程圖。

圖3 偵察打擊的界面顯示

圖4 偵察打擊的流程圖

圖4控制指揮界面中,覆蓋分析、通信鏈路分析、末制導和雷達組網(wǎng)航跡預測是理論分析,第一步是衛(wèi)星偵察,計算衛(wèi)星看到目標的時間如圖5、6所示,第二步是衛(wèi)星通信,衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標后,將目標的信息傳回地面,然后，啟動OPNET軟件,通過OPNET軟件進行衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的研究,最后,啟動導彈攻擊目標模塊,導彈擊中目標的動畫演示和結(jié)果會在界面上顯示。

圖5 指揮中心可以被衛(wèi)星觀測到的時間點

圖6 目標被衛(wèi)星觀測到的時間點

4.2 衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標

假設指揮中心的經(jīng)度為116°,緯度為46°,目標的經(jīng)度為135°,緯度為40°。衛(wèi)星的參數(shù)如表1所示。

表1 偵察衛(wèi)星參數(shù)

4.3 衛(wèi)星傳輸信息

衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)包括兩種類型：一種是通過高軌衛(wèi)星,即同步衛(wèi)星來傳輸;另一種是通過低軌衛(wèi)星來傳輸。通過OPNET軟件來模擬衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)。

本文首先介紹第一種傳輸系統(tǒng),通過高軌衛(wèi)星來傳輸信息,當衛(wèi)星能同時覆蓋目標和指揮中心時,每次衛(wèi)星觀測到目標后,通過高軌衛(wèi)星把信息傳輸給地面,高軌衛(wèi)星的位置為東經(jīng)77°。衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 基于高軌衛(wèi)星的傳輸系統(tǒng)建模

第二種傳輸系統(tǒng),是通過低軌衛(wèi)星來傳輸信息,如果地面站和偵察衛(wèi)星不同時在高軌衛(wèi)星的覆蓋下,高軌衛(wèi)星就不能傳輸信息到地面站,所以，此時會通過低軌衛(wèi)星來傳輸。如圖8所示。

圖8 基于低軌衛(wèi)星的傳輸系統(tǒng)建模

基于上述兩種傳輸系統(tǒng),仿真得到下面的對比表2。

表2 傳輸系統(tǒng)對比

從表2可以看出,低軌衛(wèi)星的時延最低,高軌衛(wèi)星的時延次之,無中繼衛(wèi)星的時延最長,可見,中繼衛(wèi)星能夠有效地降低時延,給導彈打擊目標節(jié)省了寶貴的時間,在作戰(zhàn)系統(tǒng)中尤其重要。

4.4 導彈打擊目標

偵察衛(wèi)星把目標的位置等信息傳遞給地面站,地面站指揮中心派出導彈進行攻擊,導彈沿著運行軌跡,并根據(jù)目標位置的變化實時調(diào)整軌道,達到精確打擊的目的。精確打擊主要采取的手段是雷達組網(wǎng)[13]。

攻擊系統(tǒng)采用兩部雷達和三部雷達,殘差和模擬如圖9～12所示。對打擊目標的效果對比如表3所示。

圖9 導彈攻擊目標的模擬圖(兩部雷達)

圖10 預測的x、y、z方向的殘差(兩部雷達)

圖11 導彈攻擊目標的模擬圖(三部雷達)

圖12 預測的x、y、z方向的殘差(三部雷達)

表3 不同數(shù)量的導彈的比較

目標的速度為30 m/s,目標的坐標為(0,0,0)。從表3可以看出,導彈的數(shù)量越多,最終擊中點與目標的距離就越小,定位的精度就越高,殘差越小。

5 結(jié)束語

本文搭建了偵察打擊系統(tǒng),研究了導彈再入大氣層后如何對目標進行精確打擊,以及當偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標后,如何快速地把目標信息傳輸回指揮中心。本文對目標的運動模型和衛(wèi)星系統(tǒng)進行了分析,基于軟件OPNET、Matlab、C++和STK建立了一體化的仿真系統(tǒng)。通過仿真,展示了偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標,選擇通信方式,最后到導彈攻擊目標的全過程和結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明,導彈的數(shù)量越多,最終擊中點與目標的距離就越小,定位的精度就越高,殘差越小。而選擇低軌衛(wèi)星作為中繼衛(wèi)星通信,可以有效地減少通信時延。該偵察打擊一體化系統(tǒng)的建立,對于用戶理解偵察打擊整個過程有著重要的意義。