基于要地防护的分布式火控系统研究*

郭新胜，寿少峻，党力，赵创社，韩伟

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

现代高技术条件下的局部战争对以指挥工程为代表的重要军事目标的生存和保障能力提出了新的挑战和更高的要求。空袭方多利用巡航导弹、精确制导炸弹等精确制导武器进行精确、迅速的点打击[1]。此类武器的拦截偏重于中远程拦截、摧毁，但随着军事科技的快速发展，来袭导弹的快速突防能力得到大幅提升，使得防御有效时间变短，很难对来袭目标实施完全拦截。

在超近程范围内，目前尚无有效的防御手段, 所以重点城镇、军事要地等关键地域的威胁就被凸现出来，对于要地的超近程防护也成为近年来国内外各国大力发展的一项关键技术。本文针对要地的超近程防护分布式火控系统进行了深入研究，着重研究分布式火控系统的原理、组成，及其结构体系和关键技术，为超近程防护分布式火控系统的研制提供一些参考价值。

1 超近程防护分布式火控系统

要地的超近程防护系统主要是针对国家重要目标的安全防护，包括政治经济中心、首脑机关、重要工程、军事要地、工业基地、重要交通枢纽的防护。依据要地的防护特点，其主要由光电单元，雷达单元、若干火力单元组成，形成一个严密的超近程防护网，以确保要地的安全[2-3]。

目前国内外在要地防空发展迅速[4-5]，例如美国“密集阵”近距防空武器系统的火炮为6管20 mm“加特林”火炮，每分钟可射3 000发，探测跟踪发射全部自动化，是目前世界上唯一能实行自动搜索、探测、评估、跟踪和攻击目标的超近程防御武器系统。它采用搜索雷达、跟踪雷达和火炮三位一体的结构，其全部作战均由高速计算机控制完成，不需人工操作，反应速度极快，跟踪距离为10 km。荷兰、美国“守门员”7管30 mm近程防御武器系统， 发射率4 200发/min，射程3 000 m，该系统可以用来抗击400～500 m内低空(5 m高度)飞行反舰巡航导弹，也可攻击来袭飞机。

超近程分布式火控系统由多个火力单元、光电单元、雷达单元、火控单元等构成。它们分散布置在需要防护的要地四周，由火控单元统一协调指挥控制，完成对要地的超近程防护，达到最佳防御效果。战场布设如图1所示[5]。

图1 超近程分布式火控系统结构图Fig.1 Ultra-short-range distributed fire control system structure

其主要工作流程：首先雷达远距离发现、跟踪目标，并引导光电跟踪系统跟踪来袭目标，建立来袭目标的弹道航迹，由火控系统判断目标的威胁程度，预测来袭目标的运动轨迹。再依据系统反应时间、火力单元等因素，实时外推出最佳拦截点或者拦截区域，并计算出采用哪几组火力单元组合发射拦截，能够达到最佳拦截效果。超近程分布式火控结构体系设计打破了传统的雷达、光电传感器与火控解算为一体高炮防空体系结构，充分发挥各分系统的特点，提高超进程防御的信息利用率，极大地缩短了火力单元的反应时间。采用新的火控机理，快速解算，使火控系统具有复杂背景条件下对付高速、低角、机动小型目标的能力[6]。

分布式火控系统设计组成，如图2所示。

图2 超近程分布式火控系统组成Fig.2 Ultra-short-range distributed fire-control system

2 关键技术分析

超近程防空分布式火控系统的任务是及时准确地将拦截弹丸(战斗部)发射到预毁伤的目标区域或直接命中目标。要完成这一任务,需要先搜索发现目标、识别目标，确定预拦截的目标，连续跟踪测量目标运动参数，再依据测量的数据建立目标的航迹，实时计算射击诸元并控制火力系统瞄向预定拦截点，选择不同的弹种，在最佳时刻发射，实现拦截，上述任务均由火控系统完成[7]。因此, 火控系统是武器系统的“大脑”,雷达、光电是武器系统的“眼睛”，是人眼观察视野的拓展、作用距离的延长以及大脑思维判断及运算能力在机器上的体现,解脱了人对武器的繁重体能操作和瞄准[8-11]。而要完成这些，首先要解决7个关键问题：

(1) 分布式火控系统的网络控制技术

由于本系统由多个火力单元组成，系统要实现对多个火力单元的调度和分配，必须通过快速网络互连和管理，而且各种目标数据、过程数据、武器数据等也需要通过网络与数据库进行交互。对目标进行威胁估计和排序，多个目标还需完成目标分配，然后对目标参数进行滤波，判断攻击决策条件，在满足攻击决策条件时利用解命中问题的求解方法进行预定拦截点、拦截开火时间和火控诸元的计算，然后将火控诸元实时分发给武器系统进行随动控制。在该系统中快速可靠的网络能够满足系统的要求。

(2) 分布式火控诸元的快速解算技术

本火控系统属于超近程防护。从发现目标至目标到达仅有3～5 s的时间，留给火控系统的反应时间非常短。传统的高炮火控解算对快速小目标的拦截计算难以满足系统的精度要求，必须探索新的火控原理和模型，实现从搜索捕获、数据录取、威胁判断、目标指示、火力组织、跟踪解算到武器瞄准等全过程的自动控制。处理过程需要根据光电分系统的输入输出信息，进行坐标转换、滤波、预测与误差补偿等工作，完成火控系统射击诸元快速计算，并进行诸元实时传递。

(3) 全系统精度分析技术各项误差分析

射击精度的分析是对火控模型进行检验和验证的必要步骤，通过射击精度的分析不但可以判断射击结果是否满足系统指标要求，还可以确定影响系统精度的主要因素。通过对主要影响因素的修正实现对火控模型进行优化。精度分析将在考虑不同传感器会产生各种误差源的条件下进行多次Monte Carlo仿真，计算出整个武器系统的平均瞄准跟踪精度、攻击精度、平均作战响应时间、平均拦截精度。通过灵敏度分析方法可以确定各种因素对系统精度的影响程度和趋势。

(4) 分布式火力单元组合效能分析

由于超近程防护系统含有多个火力单元，分散布设在要地的四周。在拦截来袭目标时，针对不同位置的来袭目标，采用那些火力单元进行组合发射拦截，采用一个火力单元或几个火力单元，或全部火力单元发射拦截，如何组合能够发挥火力单元的最佳费效比。通过建立模型进行仿真分析，将实验所得数据，进行多次Monte Carlo模拟仿真，期望达到最佳的火力单元拦截组合，为设计提供依据。

(5) 火力单元发射时刻的计算

火力单元发射时间计算根据预定拦截点位置、目标位置与速度、炮弹的速度与弹道轨迹等计算武器提前发射的时间。火力单元发射时刻计算的误差实际上从侧面反映的就是命中概率。火控系统通过光电系统获取拦截目标的参数，以及火力单元的参数，结合火控解算时间和数据传输时间等因素，进行综合分析计算，再由外推的拦截点来反推出各个火力单元发射的不同时刻，如图3所示。

图3 分布式火控同一拦截点射击示意图Fig.3 Skectch of shooting for one coming point in distributed fire-control system

(6) 超近程防御武器火控原理模型与算法的研究

火控原理模型和算法根据系统的作战流程采用模块化设计方法。其主要模型与算法模块如下图4所示。

图4 火控原理与算法结构图Fig.4 Fire control principle and algorithm diagram

威胁判断与目标分配模块根据威胁判定规则评定来袭目标的威胁等级[12],由此来完成对目标作战单元的分配。威胁评定方法主要根据目标到达时间、相对距离、目标数量与防护目标的重要性4个方面进行加权评定；分配算法则根据航路捷径与火力单元的武器数量综合考虑。

攻击决策模块通过预置拦截点给火力单元提供攻击决策，并判断来袭目标是否满足攻击条件，组织火力。

目标参数滤波与航迹预测模块对目标运动参数进行滤波融合处理，同时对目标未来轨迹进行预测。滤波与预测方法包括卡尔曼滤波、α-β-γ滤波、最小二乘估计方法等诸多方法[13]。

预置拦截点与火控诸元计算模块根据预测的目标运动参数(航向、速度等)、目标飞行时间以及拦截器的运动计算拦截目标的预置点，以及火力单元应该转动的俯仰角、方位角。预定拦截点的计算方法采用弹目相对运动方程求解的方法。诸元的计算则根据预定拦截点位置进行计算。

(7) 超近程防御武器火控系统诸元解算技术研究

火控诸元的计算主要是要求解弹头与目标相遇的问题，其实质是确定武器与目标运动在空间相遇点的位置并计算出武器未来点的高低方位角。预定拦截点的计算方法采用弹目相对运动方程求解的方法。诸元的计算则根据预定拦截点位置进行计算。由于该系统是由多个火力单元组成的分布式火控系统，在计算预先拦截点与火控诸元的过程中，坐标系的选定和建立以及拦截武器弹道方程的建立是求解弹目相对运动的基础。可以防御阵地中心为坐标系原点建立空间直角坐标系，x轴与目标航路在水平面上的投影平行，正向与目标航向相反；y轴与x轴垂直；z轴垂直于Oxy平面向上为正。空间直角坐标系为惯性参考系，主要用于确定目标弹的中心位置、空间姿态等。目标弹坐标系的原点O1为目标弹的质心位置，O1x1轴沿目标弹的纵轴，指向下为正方向；O1z1轴位于过质心点的铅直纵向对称面与横向对称面的交线，指向上为正；O1y1按右手法则确定，目标弹坐标系为动坐标系。其拦截坐标关系如图5所示(其中Mq为预定拦点)。

3 目标航迹外推仿真分析

通过上述关键技术的梳理，在以光电为基础的分布式火控系统中，结合系统的各项误差，光电的测距精度、位置精度、火力单元的随动精度和散布精度等因素，通过卡尔曼、最小二乘估计、线性最小二乘法等方法，对目标航迹进行简要的仿真，得到目标的外推航迹及误差，如图6所示。

图5 拦截坐标关系图Fig.5 Intercept coordinate relations figure

图6 目标航迹外推仿真Fig.6 Object trajectory prediction simulation

仿真模拟匀加速直线运动，以初速度以1 240 m/s的速度来袭，其中加速度为124 m/s2,在8 000 m处开始跟踪测量，对测量叠加噪声。跟踪8.5 s后，外推1.5 s。分别以不同的滤波算法外推仿真，得到结果如图6所示，仿真均以x向为例，其中右图为局部放大。

由图6可以看出，随着外推时间越长其产生的误差就越大，而且外推拦截点的精度决定了拦截的精度和毁伤效果，这是非常重要的。从仿真的结果来看，采用线性最小二乘法外推误差为35.82 m，采用最小二乘法外推误差为103.15 m，采用卡尔曼滤波外推的效果较好，误差仅为5.15 m。

4 结束语

随着战争形式由平台中心战向信息战的转变,超近程防空的技术需求和重要性越来越明显。不同于传统的火控系统,要地的超近程防空分布式火控系统具有许多新的特点,因此在原有理论与方法的基础上,需要提出新的研究思路和分析方法。本文针对超近程防空火控系统的体系结构及关健技术问题进行了研究探讨和仿真,为超近程防空分布式火控系统的设计与实现提供了一些新的思路。相信随着理论与实践的不断结合,该项研究将更加深入。

本文初步探讨了超近程防护系统的综合设计技术,给出了系统的基本构成与功能,提出了系统综合设计的主要研究内容,并分析了系统综合设计的几项关键技术，对于采用各种滤波算法来提高目标航迹外推的准确性，还需要再进一步深入研究。

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