高速机动反舰导弹防御技术

徐国亮，张 逊，王 勇

(中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

1 反舰导弹的发展

1.1 反舰导弹朝着高速、高机动方向发展

反舰导弹是一种可以利用空中、陆地、海上和水下多种平台从防区外发射、对水面舰艇实施打击的精确制导武器，已成为当今海战的主要攻击武器[1]。

为提高反舰导弹突防能力，各国建立反舰导弹体系的侧重点不尽相同，反舰导弹朝着高速、高机动的方向发展。主要有下列三种代表性的发展思路：

1) 以美国为代表的，重点对亚音速导弹的机动、隐身、抗干扰、超远程等性能方面进行改进，反舰导弹大量采用末端跃升俯冲等大机动飞行弹道，如美国的“捕鲸叉”、法意联合研制的“奥托马特”系列、中国台湾的“雄风2”[2]等，这大幅度降低舰艇防御系统的跟踪预测精度，降低了其被拦截的概率；

2) 以俄罗斯为代表的、更注重导弹超音速(Supersonic)飞行特性，降低舰艇防御系统可用反应时间而提高其突防概率，如俄罗斯的“白蛉”导弹、中国台湾的“雄风3”、印俄联合的“布拉莫斯”[3]等导弹；

3) 俄罗斯和美国正在研发的速度大于 5Ma的超高音速(Hypersonic)反舰导弹，具有作战空间大、非接触打击、高杀伤效果等特点而备受军事科学界重视。如俄罗斯的 X-15C型反舰导弹的飞行速度已达到5Ma，美国研制的X-51导弹速度大于5Ma，这使得舰艇防御系统未来发展面临更为严峻的挑战。

1.2 反舰导弹机动样式

重点分析“雄风”、“布拉莫斯”、“白蛉”及“捕鲸叉”等典型高速机动反舰导弹飞行攻击特性可知，反舰导弹从巡航到攻击舰艇整个过程中主要包括等速、加速、比例导引、蛇形、跃升俯冲、降高等运动模式的组合。为实现相应的战术目的，在攻击时采用如下战术意图的攻击弹道，包括：① 低空掠海飞行，② 末端跃升俯冲攻击；③比例导引攻击；④水平面蛇形机动；⑤ 可编程迂回。图1为模拟的典型高速机动反舰导弹航路轨迹。

图1 高速机动反舰导弹飞行轨迹特征

高速(超音速、超高音速)、高机动(比例导引、跃升俯冲等)是反舰导弹主要战术攻击特点。舰艇近程防御系统应充分考虑其特点，有针对性地采取拦截措施。

2 舰艇近程防御系统的发展

2.1 发展现状

作为反导防御最后一道屏障的近程防御系统一直受到各国海军的高度重视，国外已发展了多型近程防御系统，如“守门员”、“密集阵”、“海上卫士”、“卡什坦”等[4]，国内也自主研发了相应的近程反导防御系统。为有效拦截高速、高机动反舰导弹，国外近程防御武器发展的趋势是采用弹炮结合和制导炮弹，其中比较有代表性的是美国“海拉姆”(Sea RAM)导弹防御系统、俄罗斯“卡什坦”弹炮合一近程反导武器系统[5]和意大利76mm舰炮DART驾束制导武器[6]等。

2.2 发展方向

反舰导弹战术性能的不断改进提高，使得水面舰艇对反舰导弹的防御变得更为困难[7]。在现代海战条件下，水面舰艇对反舰导弹防御的基本原则是组织多层次的拦截，做到海空结合，即水面舰艇编队的防御与空中防御相结合；远近结合，即远程防御武器与中、近程防御武器相结合；软硬结合，即使用电子干扰的软杀伤武器与硬杀伤武器相结合，以构成相互协调，纵深、梯次和多种手段相结合的防御体系。

近程防御（通常在15km以内）系统目前包括：近程防空导弹、近程反导舰炮武器系统和电子战武器系统等。随着反舰导弹性能的提高，分析近程防御系统的发展方向有以下几点：

1) 应用火控新机理、新算法，提高系统瞄准精度和快速反应能力；

2) 提高舰炮发射率和弹丸初速度，发展新型制导弹药，提高对导弹的毁伤效果；

3) 研制“弹炮结合”反导武器系统，综合控制多种类型反导武器，扩大纵深防御层次，提高抗饱和攻击的能力；

4) 研制如舰载激光武器系统等新概念舰载近程反导武器系统，对付未来超高音速反舰导弹。

2.3 机动目标跟踪技术的发展

机动目标跟踪和预测在舰艇防御系统，尤其是近程反导舰炮武器系统中是一个永恒的课题。40多年来，人们对机动目标的统计模型和卡尔曼滤波的自适应算法进行了大量研究[8-16]，提出最小方差滤波算法、交互式多模型算法[11]、中值滤波、小波滤波、鲁棒H∞滤波[12]、区间滤波、粒子滤波[13]等不同的算法。这些滤波算法发展的突出特点是：

1)滤波算法：时域滤波向时频域结合方向发展；

2)信号的建模：由常规的一致平稳高斯信号向非线性、非高斯、非平稳信号方向转变；

3)噪声统计量：由低阶一维向高阶多维方向发展；

4)运动模型：从单一模型向多模型转变；

5)模型的自适应能力：向具有模糊控制、鲁棒控制等智能方向发展。

本文后续讨论内容更关注于用于舰艇末端防御的近程反导舰炮武器系统[17]。

3 面临的突出问题

随着新一代超音速、末端有意机动的反舰导弹的发展及使用，现役近程防御系统已无法满足作战需求，其效能将大幅度降低。下面从系统反应时间和精度等主要性能指标进行详细分析。

3.1 系统反应时间

新一代的超音速反舰导弹大都采用低空飞行，使得水面舰艇难于在远距离发现来袭导弹。以搜索传感器在10km左右发现目标为例，对不同速度的来袭目标，可供系统使用的时间关系如图2所示。当目标速度大于3Ma后，对大多数近程防御系统来说已没有足够的时间对目标实施拦截，最终导致拦截失败。

图2 目标速度与可供系统使用时间关系图

近程反导舰炮武器系统的反应时间，主要分为情报处理反应时间和火控系统反应时间两部分。情报处理反应时间除了受建航算法收敛时间影响外，主要还受到搜索雷达转速制约，因而依靠搜索传感器提高转速可显著缩短系统反应时间。火控系统反应时间可进一步分为跟踪器调转、捕获转跟踪时间和火控解算反应时间。可通过接收三坐标目标指示的方式一定程度缩短搜索捕获时间，而火控解算反应时间主要受滤波收敛时间的制约。

3.2 有效拦截区段射弹数

国内外近程反导舰炮武器系统对反舰导弹的最佳拦截区段通常都在2km以内，在对亚音速目标射击时，可以保证一定射弹数，但是，当反舰导弹飞行速度越来越快后，在同样的有效拦截区段内火炮能够发射的弹数将越来越少。以达到每分钟万发的“卡什坦”武器系统对不同速度来袭目标为例，在最佳拦截区段内可射弹数以及系统为保证一定命中概率所需射弹数的关系如图3所示。对超音速反舰导弹，在有效拦截区段内射弹数的减少必然会降低近程反导舰炮武器系统的拦截成功概率。

图3 目标速度与射弹数关系图

为了提高在系统有效拦截区段内的射弹数，提高火炮的射速是一种非常有效的技术措施。美国的“密集阵”Block 1B型发射率为4500发/分；俄罗斯的AK630发射率为 4200～4800发/分；而“卡什坦”弹炮结合武器系统发射率可达10000发/分，在相同的拦截区段内射弹数可以提高一倍。

3.3 系统跟踪预测精度

反舰导弹的高速机动飞行，特别是末端有意机动，将导致火控解算精度的大幅度降低。由于舰炮武器发射的弹丸与目标相遇需要飞行一段时间，所以在弹丸飞行时间内对超音速和末端有意机动的反舰导弹运动规律的准确预测，是决定武器命中精度最为关键的因素。从反导舰炮火控系统精度分解来看，预测误差占火控系统误差的60%～75%以上，对于末端有意机动的反舰导弹所占比例更大。仿真计算表明，反舰导弹的末端跃升俯冲，将使得近程反导舰炮武器系统的诸元解算误差增大3倍以上（如图4），单纯从数学上进行滤波预测的精度无法满足舰炮武器系统对付高速机动反舰导弹的要求。

图4 目标作末端跃升俯冲机动高低射击诸元误差曲线

4 改进技术措施

4.1 命中弹幕体制

传统火炮射击方式是以目标预测的未来点为中心，发射大量弹丸。但是，当高射速火炮面对高速机动反舰导弹时，以这种传统方式实施射击存在着以下问题：火炮随动系统跟踪目标非常困难；对目标未来点的预测精度不可能无限提高，因此难以获得高精度的射击诸元。就单次射击而言，弹丸散布可以看作集中在预测的未来点附近且散布很小的正态分布，尤其对于高精度小口径火炮。当目标出现在预测未来点附近时，目标受弹数可能远远超过毁伤所需的实际弹数，而当目标偏离预测命中点较远时，则难以毁伤目标。

采用弹幕（也有的称为未来空域窗体制[18]），将传统对目标未来点的预测转换成数个在空间上成一定排列的命中点，而弹丸在形成的未来空域窗内的散布近似为均匀分布。这种体制可克服传统射击体制下火炮射击高速、高机动反舰导弹目标预测不准确等缺陷，大大提高了高射速火炮射击此类目标的能力。

未来空域窗的弹幕命中体制需要根据系统精度、火炮射击密集度等综合确定弹幕的拓扑结构、弹幕分布区域建模及优化、基于弹幕的火控预测控制方法。同时需要分析构建弹幕命中体制时对舰炮射速的需求。俄罗斯的“卡什坦”弹炮结合系统采用两门6管30毫米口径速射炮，在交叉火力点附近形成高达每秒万发，基本形成弹幕命中体制。在对付更为高速机动反舰导弹时，可以考虑多门速射炮集火射击，以形成万发以上的高射速弹幕。

4.2 提高快速反应能力

上面分析了大多数舰艇近程防御系统没有足够的时间来拦截来袭高速反舰导弹。武器效能发挥的前提是能够对目标实施打击，因此充分利用资源缩短系统反应时间是项重要研究工作。从下面几个方面分析：

1) 信息资源的利用

在实施拦截的前端，可以考虑将系统解算时间前伸到近程防御系统接收到目标指示信息，即研究如何将目标位置、速度等指示信息用于目标运动参数求解的粗跟踪处理。当跟踪传感器目标跟踪好后，再进入精跟踪处理。在精、粗跟踪处理的转接过程中，可以选取不同的火控滤波模型或参数，加快目标运动参数求解收敛时间。

除了能较好地进行目标位置测量外，有的跟踪传感器还能进行多普勒径向速度、瞄准线的俯仰、滚动和侧向的角速度测量。可以如下式得到目标相对瞄准线坐标系的速度矢量[19-20]。

速度测量的使用一方面可增加滤波器传递函数的零点，加快滤波收敛时间，降低滤波的动态误差，还可缩短机动检测时间，另一方面还有专门快速解算的角速率火控算法。但目前多数跟踪传感器给出的目标速度量测还不能满足实用的要求。

2) 高速机动目标快速解算策略

以对来袭目标打击效能最大为目标，综合系统精度、命中体制、解算方案等因素，制定系统反应时间控制策略。理论上说，在一定时间和精度情况下，解算时间越长诸元解算精度越高。简单地说，如果系统有足够可用的反应时间，就可以使用高精度解算算法；而如果时间不够用，则使用精度略低的快速解算算法。这样可以制定多套解算方法，灵活控制系统解算时间，因为只有进行打击才有命中毁伤效能可言。另一方面根据系统精度情况可选择弹幕或其他命中体制进行拦截的方法。

4.3 多模型适应机动[16]

传统机动目标跟踪方法是建立匹配目标运动模型的独立滤波器，这种方法存在模型本身误差无法克服的缺陷，尽管在单模型单滤波器的基础上提出了许多自适应滤波算法，但仍无法解决与真实模型的匹配问题。单一模型难以有效解决机动目标跟踪问题已成为普遍共识，尤其反舰导弹速度范围、机动方式越来越大，多模型估计方法[11,14,16]为机动目标跟踪提供了有效的解决手段。从两个、三个，甚至逐步出现五、六个模型同时使用的情况。交互多模型算法是目前多模型算法研究的热点之一，在广义伪贝叶斯算法基础上，各模型之间满足马尔可夫切换系数。基于模型匹配原则，有针对性地深入分析反舰导弹对舰艇的典型攻击样式，结合目标物理及运动特性，选取可供使用的多模型集合，建立诸如比例导引运动、俯冲攻击和蛇形机动等模型，使各模型能较好地适应相应的机动方式。

1) 末端跃升俯冲攻击建模

根据反舰导弹在飞行末段进行跃升俯冲攻击的典型运动特征进行建模。反舰导弹接近目标一定距离后，在近程火炮的有效拦截区段，导弹按其所能承受的最大过载以一定角度和角速度迅速爬升到一定高度，然后导弹弹头急速旋转，转过一定角度后，以较大的俯冲角度俯冲攻击目标。这种攻击样式，会造成火控的预测误差急剧增大，从而导致防御系统毁伤概率的大幅度降低。

末端跃升俯冲攻击的主要战术特征参数包括：起始跃升距离、跃升角、跃升高度、俯冲角和高度方向过载力。

2) 比例导引规律攻击建模

比例导引法在导弹导向目标过程中，导弹的速度向量的旋转角速度与目标视线的旋转角速度成正比，比例系数即为导引系数，通常取3～5。

在导引做比例导引过程中往往还采用变系数比例导引法，在导弹距离目标较远时导引系数取较小值。在攻击末端选取较大导引系数可获得较好的弹道特性。在变比例导引系数的过程中，将比例导引系数采取平滑过渡，可降低由于系数变化带来的抖动。

3) 水平面蛇形机动运动建模

反舰导弹在水平面内的蛇形机动运动主要是为了规避舰艇防御系统的拦截。导弹发射并进入自导段后，在预装订好的机动开始时刻到来时，通过等幅等频的航向舵偏指令来控制反舰导弹的蛇形飞行弹道，主要体现为航向角和水平面内法向加速度的反复变化。其中，航向舵偏的最大幅值受反舰导弹侧向最大允许过载及最大侧滑角的限制。

运动建模时需要充分利用反舰导弹末段可能的机动开始时间、机动周期、机动次数、机动结束时间及过载等特征。

4) 超低空掠海飞行建模

反舰导弹的掠海飞行高度很低，压低导弹在末段导引时的飞行高度，难以被舰艇火控雷达探测到。在命中舰艇时，可在吃水线附近直接贯穿舰艇，引爆并破坏重要的部位。反舰导弹的末段掠海高度可根据战时海情加以选择，以达到最理想的攻击效果。运动建模时需充分综合导弹掠海飞行时海杂波影响。

4.4 机动检测与综合识别[15]

机动目标跟踪既要估计目标运动状态，还要及时检测出目标机动。一旦发现目标机动发生，则进一步对目标状态估计模型或参数做出调整，以便更好地适应机动。检测和识别目标运动模式及其机动变化对目标精确跟踪和预测有着重要作用。

1) 联合检测机制[15,21]

由于滤波新息和加速度估计直接反映了模型匹配性和目标机动大小，建立基于新息统计量和加速度估计量的联合检测机制，提高对目标机动检测的置信度。

2) 基于特征参数的目标运动模式识别

根据反舰导弹目标在各个运动模式段的特征，结合不同运动模式段内的特征信息统计特性，检测目标在对应飞行过程内的运动模式，包括通过检测速度、高度变化确定相应的巡航参数；建立检测参考轴，通过检测目标是否往返穿越视线轴且超出一定阈值来确定其蛇形规避参数；通过检测目标跃升速度来确定跃升俯冲段运动模式。

3) 基于贝叶斯网络的目标类型综合识别

贝叶斯推理也称为置信因果推理，指的是基于概率分析和图论的一种不确定性知识的表示和推理模型。一般是由贝叶斯网络结构和条件概率表集合两部分构成，它以节点表示系统变量，用条件概率表示两个节点间的因果关系。

把反舰导弹攻击过程分为一些相对独立的运动子过程，将加速度大小、方向、距离区段等特征信息与目标运动模式之间建立贝叶斯网络节点关系，按照必然性及似然性等规律特性，根据预判、检测、确认或舍弃等推理过程，更新贝叶斯网络节点概率，经过一序列的运动模式发生过程后，在末端选取概率最大的导弹运动模式和类型。

4.5 改进预测方法

以往求取目标未来点一般采用线性或二次预测。实质上反舰导弹的末端机动能力在逐步加强，因此在攻击舰艇的末端制导过程中，加速度并不是恒定不变的，相反是按照一定导引规律变化的，因此应根据机动目标的动力学特性对目标进行合理预测。因为即使滤波求取的目标位置、速度和加速度量很精确，若预测方法选取不适当对解命中同样带来一定的误差。使用机动目标当前“统计”(CS)模型滤波残差较小时，可选择按CS模型进行预测；当能够较为准确地识别出反舰导弹发生比例导引机动时，可按照比例导引规律进行预测；当能够识别出跃升俯冲机动时，则按跃升俯冲预测。下面分别说明。

1) 基于CS模型的预测

将CS模型离散化[10]可得加速度关系式为

式(3)相比来说可以一定程度可降低 CS模型加速度估计的灵敏度[14]。

2) 基于跃升俯冲的预测

对舰艇自防御系统来说，反舰导弹的最终战术目标是攻击我舰，其跃升后必然进行俯冲。导弹在跃升俯冲过程中，受到舵偏指令的控制，高度方向的运动模式主要是匀速、匀加速、减速再到匀速等运动模式的序贯组合。如图5所示，在A点按直线预测未来点在A1，而实际未来点在A0，B点类似。即从数学上按照当前运动模式的滤波估计进行直线或比例导引规律预测均难于符合实际过程，必然产生较大的模型预测误差。

图5 末端跃升俯冲预测示意图

基于此提出的预测思想是：利用反舰导弹的跃升俯冲机动意图及特征参数，对于跃升段和俯冲段进行分段预测，重点是俯冲段预测。假设(DM,HM)为预估的跃升俯冲特征参数(最大跃升高度对应的距离和高度)。则预测一个弹丸飞行时间后的水平距离Dktf。，比较Dktf和DM的大小，对高度及其速度估计按照跃升和俯冲进行分段处理。

5 结束语

反舰导弹的迅速发展，对舰炮适应现代海战提出了新的作战需求，机动目标跟踪这一难题必须进一步得到解决。而舰炮弹丸飞行时间较长这一不利因素的客观存在，使得控制舰炮对机动目标进行准确射击比控制雷达天线对机动目标进行跟踪要困难得多。根据理论分析及工程实践，我们清楚地认识到，机动目标跟踪的解决是一个系统性问题，单纯依靠数学算法是不能解决的。

本文从系统反应时间和精度着手，在改进拦截体制、灵活快速反应、多模型建立、机动检测和识别及改进预测方法等方面提出了改进思路。当然除此之外，还有炮射制导弹药[22]在反导中的应用，以及诸如激光武器等新概念武器的利用都可能成为未来反导领域中的研究重点。本文希望抛砖引玉，为舰艇近程防御系统的后续发展提供技术参考和研究方向。

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