復雜廣域戰(zhàn)場下靈巧引信精準起爆控制問題

張合，于航，戴可人，劉鵬，楊宇鑫，馬翔

(南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

引信是彈藥起爆控制的“大腦”，是保證彈藥安全與完成毀傷的核心部件。引信伴隨彈藥的全壽命周期并一次使用，能夠使彈藥的毀傷能力大幅提高，因此引信技術屬于先進國家對他國保密與封鎖的“卡脖子”核心技術[1-4]。

從機械引信、機電引信發(fā)展至今，引信隨技術的進步出現(xiàn)過多個定義。從歷史發(fā)展的過程來看，最初的機械引信可通俗或膚淺理解為“開關”，是受時間、安全性與可靠性約束下的開關。隨著機電引信與近炸引信的出現(xiàn)，引信的定義上升為起爆控制裝置，即引信是利用目標信息和環(huán)境信息，在預定條件下引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥的控制裝置或系統(tǒng)。把引信與控制關聯(lián)起來是武器系統(tǒng)發(fā)展對引信要求的必然，也是技術進步的推動[5]。對于目前正在發(fā)展的靈巧引信，是對發(fā)射前或發(fā)射過程中通過武器系統(tǒng)與引信進行信息交聯(lián)，采用單一或復合探測手段獲取環(huán)境與目標信息，具備全壽命安全控制功能，通過單片機、可編程控制器或DSP處理器等完成起爆控制的引信，具體可表述為：具有可裝定(獲取初始任務狀態(tài)信息)、可探測(對初始任務狀態(tài)信息進行補充和修正)、可處理(在全壽命安全階段，根據(jù)任務狀態(tài)信息解算最佳毀傷控制時機)和可控制(根據(jù)最佳毀傷控制時機輸出起爆控制信號以及靈巧引信全壽命安全控制)4個能力，具有這4個能力的引信被稱為靈巧引信[4,6-7]。在大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡化的發(fā)展助推下，根據(jù)彈藥組網(wǎng)的需求，引信作為控制系統(tǒng)的概念有進一步定義的必要，即：引信是指在多約束與多任務條件下，按預定策略和規(guī)劃起爆或引燃戰(zhàn)斗部或多個戰(zhàn)斗部裝藥，可進行瞬態(tài)時空識別與短時延過程控制的動態(tài)起爆系統(tǒng)。引信動態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)是一種動態(tài)選擇對象觀測時機和控制輸入時機的開環(huán)控制系統(tǒng)。而傳統(tǒng)機械、機電引信的控制為動態(tài)開環(huán)控制，引信只能在特定的時刻或特定的時間段內(nèi)對彈丸、目標和環(huán)境進行觀測，存在觀測時機與控制輸出在時間上的約束[8]。這類引信系統(tǒng)的主要特征是：在系統(tǒng)的整個演變過程中，觀測和控制僅在某一時刻或某一時間段進行，即觀測/控制輸入和觀測/控制時機分別存在邊界約束，控制算法除了需要解算觀測/控制輸入外，還需要選擇觀測/控制時機，控制效率低下，起爆控制精度偏低。日益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境需要引信進行全過程的觀測與多時刻的控制輸出，而引信動態(tài)開環(huán)控制已經(jīng)難以滿足當前引信發(fā)展的需求，需進一步提升引信精確起爆控制能力，急需構(gòu)建新的引信控制體系。

為滿足靈巧引信發(fā)展的控制需要，本文在分析了時空識別與過程控制作為引信起爆控制的基礎上，提出了靈巧引信精確起爆控制面臨的三個科學問題，即：強多物理場環(huán)境干擾對引信探測的影響、短時延對引信控制適時性的影響以及多樣化目標對引信最優(yōu)起爆控制的影響。為解決上述科學問題對引信精準起爆控制的影響，分別建立了環(huán)境自適應探測控制器、自觸發(fā)時延補償狀態(tài)控制器以及虛擬閉環(huán)起爆控制器，形成引信控制“三元”控制器，進而構(gòu)建了靈巧引信用“三元”級聯(lián)控制器的設計方法，實現(xiàn)了引信精準起爆控制的靈巧化，提升了引信的起爆控制精度，確保了彈藥高效毀傷的能力。

1 引信控制的要素：時空識別與過程控制

引信的時空識別與過程控制，是引信控制的重要過程，包括引信的探測、識別、信息處理、狀態(tài)判斷、姿態(tài)調(diào)節(jié)以及核心變量控制等重要環(huán)節(jié)。圖1所示為引信時空識別與過程控制部分變量示意圖。圖1中，α為飛行角，γ為彈目視線角，v為彈丸速度。

1.1 引信時空識別

引信時空識別是指從引信隨彈藥發(fā)射直至遭遇目標的過程中，對時域和空域相關參量進行識別[6]。上述過程包括膛內(nèi)運動、空中或水中飛行、遭遇目標以及侵徹目標等階段。時域參量包括出炮口時間、彈道頂點時間、飛行時間、目標前某一距離的時間以及起爆時延控制量等；空域參量包括飛行過程位移、速度、角度、距離誤差以及起爆距離與誤差控制量等。若引信具有與武器系統(tǒng)信息交聯(lián)的功能，則部分控制量可在發(fā)射前裝定獲取，如起爆時延控制量、起爆距離等，這些變量可直接控制調(diào)整。因此，引信獲取時空識別的信息分為預先裝定信息、環(huán)境與目標探測信息，預先裝定信息由武器系統(tǒng)與引信信息交聯(lián)獲取，環(huán)境與目標探測信息由引信專用傳感器獲取。

引信隨彈藥發(fā)射時經(jīng)歷的環(huán)境、空間、目標的種類是引信設計的邊值函數(shù)，為便于設計者使用時空識別，需進行引信設計。針對不同引信的功能建立時空識別函數(shù)，函數(shù)的基本形式[5]如下：

F=f(T,H(t),R(t),M(t))，

(1)

式中：T為引信飛行的時間，實際飛行時間與彈丸飛行速度相關；H(t)為引信所經(jīng)歷的環(huán)境量，t為引信當前工作時刻；R(t)為引信當前狀態(tài)信息；M(t)為目標參量。

為便于理解和分析時空識別函數(shù)(1)式，以激光引信為例，分別對環(huán)境量H(t)、狀態(tài)信息R(t)以及目標參量M(t)進行解釋：

激光引信所經(jīng)歷的塵環(huán)境H(t)模型[9]為

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

式中：ρ為氣體密度；xi、xj為坐標，i≠j；ui、uj為不同坐標點處的流體速度；μ為層流的黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；σε、σk分別為湍動能耗散率ε和湍流動能k對應的普朗特數(shù)；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能；YM為可壓縮湍流中由過度擴散產(chǎn)生的波動；Sε、Sk定義的湍流動能；C1ε、C2ε以及C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、1.92和1。

(2)式和(3)式構(gòu)成了有限空間內(nèi)塵濃度的計算標準k-ε模型，此模型具有計算精度高且計算量小的特點，模擬流體流動，因此可用于煙塵的仿真試驗。

利用脈沖激光同步掃描周視探測進行彈目相對距離狀態(tài)量的計算，其激光回波方程[8]為

(4)

式中：Pr為激光回波功率；Pt為脈沖激光發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Rt為激光發(fā)射系統(tǒng)與目標之間的距離；σs為雷達散射截面；Rr為發(fā)射系統(tǒng)與目標之間的距離；D為接受系統(tǒng)直徑；ηatm為大氣透過系數(shù)；ηsys為系統(tǒng)光學通過率。

在激光引信周向探測過程中，將回波功率與設定閾值不斷進行時刻鑒別，判斷彈目之間相對距離，直至滿足起爆條件。

激光探測系統(tǒng)對目標進行探測時，激光束與目標相互作用關系[11]為

(5)

h(x,y,t)=4πρb(x,y,β)δ(t-2z(x,y)/c)

(6)

δ(·)為狄拉克函數(shù)；z(x,y)為目標表面縱深距離；c為光速；ρb為雙向反射分布函數(shù)，

(7)

等式右側(cè)第1項和第2項分別為入射角β的鏡面反射分量和漫反射分量，A為鏡面反射幅度，B為漫反射幅度，s為表面斜率，m為漫反射系數(shù)；激光脈沖形狀函數(shù)Ss(x,y,t)定義為

(8)

g(x，y)為光束的空間形狀，n為激光脈沖的時間形狀，τ為時間常數(shù)。

受篇幅影響，其他參數(shù)定義可分別參考文獻[9-11]。在上述過程中，以激光引信為例分別就經(jīng)歷的環(huán)境、自身狀態(tài)以及目標參量進行舉例說明，不同引信類型最終形成的時空識別函數(shù)形式不同。

1.2 引信過程控制

引信過程控制是指引信到達目標前或侵入目標后完成指定的精準起爆或引燃控制，實現(xiàn)爆轟、開倉和分離等。

無論是遭遇目標，還是侵徹目標，整個過程的時間量級在毫秒級甚至亞毫秒級，而引信配合彈藥作戰(zhàn)環(huán)境涵蓋多維、多域空間；不同武器平臺、環(huán)境與目標信息要求引信進行多域信息處理，而此過程具有極強的時間敏感性。因此，引信必須根據(jù)瞬態(tài)時空識別信息，完成短時延的過程控制，使彈藥毀傷效能最大化。

例如，根據(jù)毀傷不同目標類型約束可選用不同的輸出控制量，如對付空中目標，可選用探測到目標的距離與方位實時起爆；對地面運動車輛與有生力量，輸出量可選用合理的地面炸高；對地下硬目標內(nèi)的人與設施，侵徹靶后給出合理的起爆距離與時間等。針對多樣化目標，靈巧引信需選擇合理的起爆時機，使戰(zhàn)斗部的毀傷效能最大化。由此，時空識別與過程控制對引信的發(fā)展尤為重要，應是引信控制理論發(fā)展的主要方向[6]。

對于引信的動態(tài)過程控制，在彈丸飛行過程中受環(huán)境與目標信息約束，引信的數(shù)學模型可表述為

y=R(S(m,e,o,ls),De(ld,us),Do(ld,us),lr,t)，

(9)

式中：y為引信的輸出結(jié)果；R(·)為過程控制函數(shù)；S(·)為引信與武器平臺信息交聯(lián)函數(shù)；De(·)和Do(·)分別為環(huán)境與目標探測函數(shù)；us=S(·)為武器平臺發(fā)送來的裝定信息函數(shù)；m、e和o分別為裝定輸入的作戰(zhàn)任務信息、環(huán)境信息以及目標信息；ls、ld以及l(fā)r分別為信息交聯(lián)、探測與識別以及引信動態(tài)過程控制的狀態(tài)邊界約束條件，其約束函數(shù)如下：

(10)

式中：h1(·)為引信位置約束函數(shù)；p(x,y,z)為引信當前位置，pt為目標位置；h2(·)為引信方位角約束函數(shù)，θ為引信起爆方位角，θt為目標易損方位；Ω1為引信位置約束誤差域；Ω2為引信方位角約束誤差域；td為引信動態(tài)時延；t0為時延邊界值。

以上約束的目的可使彈藥毀傷效能最大化，即

(11)

式中：Φ(·)為起爆毀傷效能函數(shù)，p0(t)為毀傷效能最大起爆點，θ0(t)為毀傷效能最大起爆方位，td為期望作用時間；t0為時延上界；L(·)為由于時延引起的效能衰減。

在過去幾十年主要發(fā)展以下幾類引信：機械與定距引信、近炸引信與侵徹引信，主要起爆方式、打擊目標類型與目標的毀傷能力如表1[12-13]所示。

根據(jù)表1可以看出，不同類型的引信，可針對不同種類的目標選擇對應的起爆方式。當戰(zhàn)斗部采用傳統(tǒng)動態(tài)開環(huán)控制的引信時，毀傷效能偏低，難以滿足戰(zhàn)斗部高效毀傷的需求，因此急需建立新的引信控制設計方法。

表1 目標種類與毀傷

2 引信控制靈巧化面臨的三個問題

為研究引信精確起爆控制過程，將彈藥毀傷效能與目標之間的毀傷邊界分割為3個區(qū)域，如圖 2所示，即：可實現(xiàn)對目標最大摧毀效果的區(qū)域—毀傷區(qū)；對目標造成輕度毀傷的區(qū)域—模糊區(qū)；對目標不能造成毀傷的區(qū)域—安全區(qū)。

對于傳統(tǒng)機械或機電引信而言，通過點控制僅能實現(xiàn)部分彈藥在毀傷區(qū)起爆，其炸點大多落于模糊區(qū)或安全區(qū)，起爆位置距目標偏差較大，彈藥毀傷效能偏低；為提升彈藥毀傷能力，提出了具有起爆距離與時間二維約束的面控體制引信，可實現(xiàn)炸點大多落于毀傷區(qū)或模糊區(qū)邊緣，相比于傳統(tǒng)的機械或機電引信，其炸點分布范圍已接近于目標，提升了戰(zhàn)斗部對目標的毀傷效果。但面對未來強多物理場環(huán)境干擾下的戰(zhàn)場，對彈藥的精確起爆能力提出了更高要求，僅依靠現(xiàn)有的點控制或面控制已無法實現(xiàn)對目標的高效毀傷。因此，本文提出了具有抗強多物理場環(huán)境干擾信息解耦和多目標選擇短時延起爆控制方法的靈巧引信，具有目標距離、時間與方位多維體控制能力，確保彈藥在毀傷區(qū)內(nèi)起爆，具有體控制能力的靈巧引信可提升彈藥的毀傷效能。

在建立靈巧引信控制模型的基礎上，引信時空識別與過程控制需完成以下步驟：多物理場環(huán)境探測、多樣化目標識別與精準起爆控制。為此，需解決以下3個關鍵科學問題：

2.1 強干擾環(huán)境對引信多物理場探測的耦合影響機制

如圖3所示，廣域戰(zhàn)場存在自然與人工環(huán)境下信息型與能量型的干擾，由于多物理場環(huán)境相互耦合[10,13-20]，誘發(fā)引信探測信號失真，使得探測模塊獲得的信息存在畸變與混疊，影響引信獲取真實環(huán)境的準確度。因此必須實現(xiàn)環(huán)境信息的解耦與快速識別，確保探測模塊信息真實可用。

針對多物理場環(huán)境干擾的問題，提出了多源融合探測抗干擾控制方法，通過建立多物理場環(huán)境干擾數(shù)據(jù)庫，快速在線提取環(huán)境特征值并與當前環(huán)境探測信息值對比，并形成探測源權(quán)重因子，動態(tài)調(diào)節(jié)各探測源在總探測信息中的比重，實現(xiàn)對強多物理場環(huán)境干擾的有效快速解耦。

2.2 時延對引信控制系統(tǒng)適時性的影響機制

傳統(tǒng)引信的動態(tài)開環(huán)控制存在觀測時機與控制輸出在時間上的約束，對全壽命多時間段存在強敏感性。特別當攻擊超高速目標時，由于彈目交會過程的相對速度極大，極小的引信時延(探測時延、信息處理時延以及起爆輸出時延等)將會造成幾十米至幾百米的起爆點誤差散布，導致戰(zhàn)斗部毀傷效能嚴重降低。因時延對炸點位置影響如圖4所示。針對于此，為實現(xiàn)精確起爆控制，開展時延對引信控制系統(tǒng)影響機制的研究，重點突破擴展信息輸入，引入武器平臺裝定的先驗信息、多源探測模塊和周邊武器平臺傳輸?shù)奶綔y信息，結(jié)合高精度時延估計算法，實現(xiàn)引信時延補償。圖4中，Tτ為計時周期，n為周期增益，τ1為周邊平臺傳輸時延，τ0為自身固有信息傳輸時延。

2.3 多樣化目標與最優(yōu)起爆控制器的匹配映射關系

對于不同目標，引信需采用不同的起爆方式，起爆控制器要求的最優(yōu)工作參數(shù)也不同，因此必須要解決目標種類與最優(yōu)起爆方式的匹配映射關系。如圖5所示，不同類型的目標采用不同的起爆方式，方可達到最優(yōu)的起爆效果。但是，引信的起爆控制過程僅為微秒級，只能采用開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)引信被迫采用大量實彈毀傷實驗進行參數(shù)窮舉、尋優(yōu)。針對這一困境，本文提出將閉環(huán)控制環(huán)節(jié)前移到起爆控制器設計中。

通過線下虛擬閉環(huán)訓練與在線快速決策相結(jié)合策略。離線狀態(tài)通過大量數(shù)據(jù)訓練獲得毀傷效能最優(yōu)起爆控制器，實戰(zhàn)情況下，通過對不同目標編制不同的起爆控制策略軟件，利用發(fā)射前裝定信息與發(fā)射后不同平臺傳輸?shù)男畔?，實現(xiàn)最優(yōu)起爆控制器與彈上數(shù)據(jù)信息相匹配，實現(xiàn)針對不同目標快速產(chǎn)生最優(yōu)起爆方式。

3 靈巧引信“三元”級聯(lián)控制方法

3.1 靈巧引信“三元”級聯(lián)控制方法概述

針對第2節(jié)所提出的引信靈巧化所面臨的3個科學問題，需在傳統(tǒng)引信動態(tài)開環(huán)控制的基礎上，建立新的控制方法，以滿足引信靈巧化的控制需求。而實現(xiàn)引信控制靈巧化的主要方式是實現(xiàn)瞬態(tài)時空識別與短時延過程控制。

本文所提靈巧引信“三元”級聯(lián)控制方法相比于傳統(tǒng)引信控制，其主要的控制特點是在線下通過大量試驗、仿真以及數(shù)值計算等方式獲得環(huán)境與目標數(shù)據(jù)庫，并通過概率統(tǒng)計方法構(gòu)建的環(huán)境與目標函數(shù)。在探測階段通過多源探測融合方式與線下構(gòu)建的環(huán)境與目標函數(shù)相匹配，可準確、快速地獲得環(huán)境與目標特征值；本文控制方法中，利用自觸發(fā)時延補償理論結(jié)合目標與環(huán)境特征值，可實現(xiàn)對時延補償?shù)耐瑫r，并且對各探測源權(quán)重進行動態(tài)調(diào)整，進而實現(xiàn)最佳的探測效率。最后，為實現(xiàn)彈藥快速針對目標類型輸出對應的最佳起爆方式，考慮了一種線下訓練，線上使用的虛擬閉環(huán)起爆控制策略，最終實現(xiàn)對多類目標的精準毀傷。

從引信時空識別與過程控制方面來看，當靈巧引信進行時空識別時，為獲得實際的彈丸炮口飛行速度，需進行炮口測速；飛行一段時間后，為感知飛行環(huán)境或來襲目標狀態(tài)信息，需進行主/被動探測；接近目標時，為保證合理炸高，需進行高度測量。當靈巧引信進行過程控制時，控制合理的炸高對付地面運動車輛與有生力量或控制精確的起爆延期時間，對付地下硬目標內(nèi)的人與設施。

3.2 靈巧引信“三元”級聯(lián)控制方法設計

為滿足靈巧引信在復雜戰(zhàn)場中準確、適時地起爆戰(zhàn)斗部，實現(xiàn)毀傷效能最大化的要求建立了圖6所示靈巧引信用“三元”級聯(lián)控制器的設計方法示意圖。

在該靈巧引信“三元”級聯(lián)控制系統(tǒng)中，首先以環(huán)境-目標兩大數(shù)據(jù)庫為依托，構(gòu)建引信“三元”級聯(lián)控制器，分別為環(huán)境自適應探測控制器、自觸發(fā)時延補償狀態(tài)控制器以及虛擬閉環(huán)起爆控制器。其中探測控制器與狀態(tài)控制器采用反饋控制，起爆控制器為虛擬閉環(huán)控制；在探測階段，靈巧引信采用多源探測器進行環(huán)境和目標的信息采集，并通過環(huán)境和目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為特征值；將環(huán)境與目標的特征值輸入到狀態(tài)控制器與起爆控制器，并由狀態(tài)控制器生成靈巧引信的當前狀態(tài)量；引信狀態(tài)量輸入到起爆控制器作為靈巧引信起爆時刻與起爆方式的重要參量。同時狀態(tài)量也被反饋到探測控制器，進行動態(tài)探測權(quán)重因子反饋調(diào)節(jié)，優(yōu)化探測模式，直到起爆控制器輸出起爆指令。

在上述靈巧引信“三元”級聯(lián)控制系統(tǒng)中，要實現(xiàn)精確的目標識別，首先通過實驗室試驗、靶場試驗以及仿真試驗建立環(huán)境與目標特征數(shù)據(jù)庫。其中環(huán)境數(shù)據(jù)庫主要包含各類常規(guī)彈藥在發(fā)射和飛行過程中，所經(jīng)歷的發(fā)射環(huán)境與飛行環(huán)境的特征數(shù)據(jù)集合。例如，發(fā)射過程中的發(fā)射過載、強磁場、強電場以及溫度場等。飛行過程中的地磁場、自然環(huán)境、敵方干擾環(huán)境等。目標數(shù)據(jù)庫中，是對所攻擊的目標進行特征分類，如太空/空中目標、水面艦艇目標、水下目標、近地面以及地下目標等。

在上述環(huán)境與目標兩大數(shù)據(jù)庫的支持下，通過數(shù)理統(tǒng)計方法形成對應的環(huán)境與目標特征函數(shù)。因此，當彈丸發(fā)射后，引信實際所探測的環(huán)境與目標信息，通過上述所建立的特征函數(shù)進行匹配映射，輸出所探測的環(huán)境特征值與目標特征值。一方面，根據(jù)所獲得的環(huán)境、目標特征值，輸入至自觸發(fā)時延補償狀態(tài)控制器，結(jié)合武器平臺輸入的先驗目標、環(huán)境與自身狀態(tài)信息，狀態(tài)控制器生成動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)整各探測源時延值權(quán)重，使總時延最小化；并且動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)可對多源探測信息權(quán)重進行動態(tài)調(diào)節(jié)，進而優(yōu)化探測方式。

另一方面，目標特征值具有毀傷目標的特征數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)可精確判斷出目標的類型與對應的最佳毀傷方式。虛擬閉環(huán)起爆控制器依據(jù)引信狀態(tài)量與目標特征值判斷出當前針對該目標的最優(yōu)起爆模式，并將起爆指令輸出完成起爆。

4 結(jié)論

本文在提出了強物理場環(huán)境干擾下瞬態(tài)時空識別與短時延過程控制方法的基礎上，明晰了靈巧引信控制面臨的三個科學問題，即強干擾對引信探測的影響、時延對引信控制適時性的影響以及多樣化目標對引信最優(yōu)起爆的影響，初步建立了靈巧引信設計方法基本架構(gòu)。分別給出的環(huán)境自適應探測控制器、自觸發(fā)時延補償狀態(tài)控制器以及虛擬閉環(huán)起爆控制器的設計原則，針對不同領域的應用可分別進行硬件與軟件設計，該方法可為未來智能引信的發(fā)展提供理論指導。