防空导弹武器系统网络制导指令优选分析与建模*

(空军工程大学 导弹学院，陕西 三原 713800)

1 引 言

在“网络中心战”理念指导下，美陆军将“爱国者”与其它防空导弹武器系统混编部署，采用交叉定位或时差定位方式对空中干扰源进行加权定位，增强了系统生存能力[1～3]；美海军发展“协同作战系统”(CEC)，实现舰队内各平台的防空协同作战,对舰空导弹进行发射、中段制导和末端照射控制[4]。因此，基于网络中心战和协同作战能力协同制导技术,在各火力平台共享战术态势数据的基础上,通过多个制导平台的协同及交接变换来对防空导弹进行精确制导，最终获取协同制导能力必然是防空导弹组网的发展趋势。这种组网模式下，各个防空火力平台可实现对导弹接力协同制导，多个火力平台间可实现火力支援和火力协同。导弹飞行中制导段能够接收传感器网络发送的目标信息实施导引和控制,直至导弹顺利进入末制导[5，6]。实现协同作战能力协同制导需要解决传感器和导弹专用通用指令系统技术、多枚导弹区分及识别技术、网络指令优选技术、精密弹载定位导航等关键技术。本文针对网络制导过程的指令优选技术进行建模分析，为网络制导的技术实现奠定理论基础，为网络制导工程实现提供决策依据。

2 防空导弹网络制导的体系结构

美陆军将“爱国者”与其它防空导弹武器系统混编组网的结构如图1所示[1，2]，仍然属于有中心节点网络拓扑结构。通过数据链解决了所有火力平台互联互通问题。美海军协同作战能力(CEC)通过数据链实现了多个制导平台的协同及交接变换，但仍然是平台与平台间铰链，平台与导弹间信息通道没有打通。

图1 美陆军防空炮兵组网Fig.1 US anti-aircraft forces networking topology

网络制导要求打通导弹与雷达网之间的信息通道，给各防空导弹火力平台制导站、导弹加装数据链端机，使得导弹战斗飞行的每一段，尤其是中制导段，相关制导站(传感器)对目标探测跟踪信息都能通过数据链发送给导弹，实现火力平台发射后不管，实现导弹的网络制导，实现防空导弹武器系统的网络化作战，对应的无中心节点的网络拓扑结构如图2所示。

图2 防空导弹网络制导拓扑结构Fig.2 Network-centric guiding AMWS networking topology

3 网络制导导引过程分析

中远程防空导弹一般采用“程序+指令+寻的”制导体制，其网络制导过程主要是指中段制导段采用网络制导体制，其它制导指令取自传感器网络，弹载计算机负责指令分析计算，采取最优指令实施导引控制。某个指令周期，导弹依次接收网络制导指令序列，对命令序列分析判断，实施指令优选，形成最优指令作为有效指令；测量相关转动角速度，同时弹载传感器测量相关转动角速度及导弹状态信息，控制系统按照比例导引方法控制指定策略动作，比例导引法形成指令控制导弹飞行。网络中制导流程如图3所示。

图3 网络制导流程Fig.3 Flow of network-centric guiding

4 网络制导指令优选分析与建模

制导站对目标测量一般采用站心极坐标系，以制导站位置为原点，目标的斜距为R，目标斜距在切平面的投影与正北方向的夹角为方位角β，目标斜距与其在切平面上投影的夹角为高低角ε，则(R,ε,β)表示目标在空中的位置。单个制导站对于导弹制导指令一般包含目标的位置信息及目标的速度信息，而通过网络制导过程的目标信息必须转换为绝对坐标，因此在转换过程中必然引入多种误差源，包括制导站的标定误差、制导站的系统误差、制导站的测量误差、多站之间的时间同步误差等，因此网络制导指令必须将这些误差信息发送给飞行中的导弹。因而，网络制导指令信息内容包含位置信息、速度信息、发送时刻标记以及指令质量因子，其中，质量因子应该包括位置质量因子、速度质量因子以及时间质量因子[7]。

令指令矢量信息为

(1)

式中，i表示指令号，xi、yi、zi分别表示目标位置信息，vxi、vyi、vzi分别表示目标速度信息，ti表示指令发射时刻，e1i、e2i、e3i分别表示目标位置、速度以及时间质量因子。

假设在导弹第n个制导周期内，时间段内Tn-1～Tn接收的网络制导指令序列共有kn条指令，因此指令集可表示为

Ω={Mi|ti+1>ti,i∈[1,2,…，kn]}

(2)

(3)

因此，可推理出制导指令预测可知目标位置定位精度：

(4)

式中：

同理可得σy′、σz′。假设σxi=σyi=σzi，σvxi=σvyi=σvzi，则：

(5)

σM*=min {σMi},i=1,2,…,kn

(6)

5 实例仿真计算

下面以3个同型制导站三角部署对1个目标实施跟踪探测，按照前面建立的模型实施分析形成制导指令，通过指令优选得到目标位置定位精度分析。假设制导指令质量因子如表1所示，各种偏差均为均方根误差，仿真结果如图4和图5所示。

表1 指令质量因子等级信息Table 1 Quality rank of guiding instructions

参与制导的3部制导站及飞行的目标具体参数如表2所示。

表2 仿真参数Table 2 Simulation parameters

图4 多个制导站单站指令目标定位精度及质量等级Fig.4 Quality rank and GDOP of single radar guiding instructions

图5 网络制导指令目标定位精度及质量等级Fig.5 Quality rank and GDOP of network-centric guiding instructions

从仿真结论可以看出：

(1)制导站的制导指令几何质量取决于制导站的部署位置、目标来袭方向、目标运动特性等因素，对于同一批目标，多个制导站可能在各自一定范围内有较好的制导指令几何质量；

(2)通过网络制导指令优选，可以生成高质量的制导指令，由图4和图5可以看出，网络制导指令对目标的定位精度够在400～1 000 m，A、B、C三站在目标不同的飞行时间段指令精度变化较大，起始点至P1处，A站指令最优；P1至P2处，C站最优；P2至终点,B站最优，指令质量等级最大为7；

(3)通过网络制导，对于目标飞行的每一段，都具有指令冗余，A、B、C三站只要有1个工作正常，系统都能实现对目标连续的跟踪和对导弹的连续制导。

6 结 论

构建导弹与制导(传感器)网信息通道，组成无中心制导的网络，使导弹获得协同制导能力，是防空导弹武器系统组网的前沿课题，网络指令优选是影响网络制导实现的重要关键技术。通过仿真验证分析可以认为，处于中制导段的导弹可以通过指令优选得到制导指令，优选后的网络制导指令比单站制导指令质量有了很大的提升。初步表明，网络指令优选模型在网络制导中具有很强的适用性，但指令优选准则未考虑目标特性，而对于指令的位置、速度、时间质量因子标准化以及网络制导的战术运用将是进一步研究的问题。

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