舰载发射智能靶弹在试验海域飞行控制中的关键技术*

张彦忠　魏　琳

(92941部队93分队　葫芦岛　125000)

舰载发射智能靶弹在试验海域飞行控制中的关键技术*

张彦忠魏琳

(92941部队93分队葫芦岛125000)

摘要舰载靶弹的智能化飞行控制，以其具有的机动灵活特点充当空中靶标，给新型防空武器系统进行作战使用、鉴定和海域试验训练带来更加真实的目标信息。针对舰射导弹进行技术改造，通过建立多种飞行航路易于设定控制方式，加之全球定位系统GPS/BD北斗导航技术、惯性导航INS和数字地图三位一体的组合，可以形成对预定航线实时准确的修正。并对靶弹上加装相关技术设备，如靶目标雷达截面积RCS改变、规避自毁技术和脱靶量测量网络传递分别作出说明。

关键词舰射靶弹; 智能控制; 航线修正

Class NumberV249

1引言

随着高科技和信息化不断在武器装备上应用，导弹攻击目标方式逐渐呈现出防区外发射、数次降高、掠海飞行、机动攻击的技术特点，给海上编队战略重要目标构成很大威胁。海域靶场为适应新武器带来的冲击，必须在供靶上进行选择，力求满足检验各型防空武器的需要。要反映出实战状态下导弹攻击的目标环境，仅靠飞机拖靶或采用无人机靶标等措施因其机动的目标反射面积、飞行状态等难以构成特定环境条件下的目标信息态势。海域的舰艇攻击与防御、编队实战演练，通常是研究检验舰载武器装备作战性能的极好方案，非常需要机动靶弹做为靶标在新武器试验训练中应用。而舰射靶弹因其拥有机动灵活和能较真实地模拟攻防的技术特点，可以极大地满足新型武器试验检验的需求。鉴于导弹技术复杂，实弹飞行危险性、破坏性极大，对它的智能化机动设计，海域飞行试验训练的控制与管理就显得非常重要。为合理地利用实现舰射智能化靶弹的飞行控制，设计的思路是采用对舰射导弹进行技术改造的做法，使其形成具有机动可控飞行路线(航线、高度、速度、姿态)的靶弹，在避免给被试武器与舰艇编队带来危险的情况下，完成靶场检验防空武器战术技术性能和作战使用性能的使命[1]。

2系统组成与控制关系

舰载智能靶弹飞行控制与管理的大系统是由舰艇导弹发射系统、作战试验任务规划系统、智能化导弹系统和舰与弹网络通讯系统所组成，执行靶弹的任务规划、发射、飞行、机动、通信等作战使命，从而完成新武器装备的攻击与防御样式试验检测任务。各部分之间控制关系见图1所示。

图1　舰载导弹飞行规划控制关系图

作战任务规划应建立存贮有靶场试验海域电子地图和试验规划信息，针对反舰、空袭等不同作战样式的靶弹飞行路线，以及转折航向、受控管理、荧幕指示等作出筹划安排。根据当时的试验任务给出本次飞行航路任务规划，并加装在靶弹的存储器中，便于弹载计算机实施工作过程的量化管理。电子数字地图是靶场试验海域被量化的地理数字信息，数据文件内含有一阶特征网格点地理经度，二阶特征反映经度和坐标原点的高度。将INS与GPS/BD系统有机地组合已成为当前最佳的导航方式。GPS/BD可以提供长期位置和速度精度，并连续地对准校验惯性系统。INS系统具有短期速度精度特点，应用辅助代码跟踪回路，缩短捕获和重新捕获时间，帮助系统在GPS/BD中断期间进行导航，并为靶弹飞行控制系统提供加速度和姿态数据。这些导航设备的有机结合，可使作战任务航线在电子地图上被清晰标注，飞行输出导航误差被实时地纠正，最终使靶弹完成预定航线任务[2]。

舰艇靶弹的作战试验需要的是单舰船(机)或多种舰船(机)防御攻击模式见图2，根据弹的飞行轨迹安排发射舰与试验舰防空武器之间的通信设备，用网络控制方式接收传递弹上信息，利于舰船荧幕显示掌握靶弹工作情况。当舰载被试防空武器对弹攻击时，弹上脱靶量测量设备可随时捕获、记录、传送各武器打击的效果。受环境与可靠性影响，弹载计算管理机可随时发现并阻止失效弹攻击早已规划好的保护区，实行办法是炸毁或扼杀靶弹[3]。

3自动航线产生模块系统

它是实现靶弹航线产生半自动化的一种工具，安装在舰载靶弹火控系统内，作用是为每个到达的发射点/目标对产生预计飞行航线。机动变化航线在可控无危险范围内威胁回避、障碍物回避以及遵守导弹和规划约束方面是最优的。自动航线产生模块(ARM)系统，具有评估航线和所有中间信息的能力。规划模块是完全交互式的，可以提供战区环境全面高分辨率的彩色图表显示，包括经/纬度栅格、发射点、目标、试验海域数字地图和防御区域。另外用规划地图方式显示它提供依赖于高度危险等值线，包括障碍物危险、假想敌方防御威胁、组合危险和每个状态空间单元边缘高度处总的危险等值线[4]。

模块系统还允许规划者更改变动推荐的航线并重新进行评估，并在使用控制数字地图的选择、导航点的设定、各航线的高度和转弯半径截取以及发射点和目标作出详细说明。任务产生规划问题是产生一条从发射点到目标地的最佳飞行航线。利用地形跟踪技术，使靶弹必须避开防御阵地或避免在到达目标之前碰撞到地面任何障碍物，充分利用试验海域数字地图组合导航信息加以确认并实时修正[5]。

飞行任务规划法就是将整个问题分解成许多小的易于处理的部分，其目的就是确定一个功能上独立，计算上能实现的模块。对于一个预定飞行航线具体实行应满足下面几个步骤。

图2　舰射靶弹飞行航线与两舰防空武器控制区域示意图

3.1状态空间构造

状态空间反映了相关试验海域地理区域的三维量化，地理区域被分成具有离散高度值的纬/经度单元。主要应予以考虑的影响因素是被试舰艇或编队在试验训练机动航行进攻与防御的区间范围，包括被试导弹、炮弹打击有效区域，弹目交汇形成的破片分散地点，靶弹飞行距舰艇之间的最小航路截径设置。另外由于舰船保护区的危险是通过横向和纵向威胁模板包括在状态空间中，利用这些模板并根据特定的试验作战规划区域来测算导弹造成的危险[6]。

3.2“节点”构造

在大多数任务规划中应有许多航线产生约束必须满足，就是通过规定靶弹必须飞经地理点或节点的模型化处理，一个完整的任务可以用节点序列来表示，包括发射点、修正点和目标。采用节点数的约束性修正显得很必要，不仅能满足靶弹的硬性要求，还为系统任务规划中非常关键的逻辑分析进行了直观理性的判断，这些约束在计划的“知识收集”或需求分析阶段就应作出明确的规定[7]。

3.3航线段的产生

节点网络中每个节点对之间的最佳航线段或弧线数，节点对状态空间子集执行多路径动态规划算法(MDPA)加以解决。MDPA得出状态空间中各单元到终止节点的最佳控制集合(飞行方向)，再用航线检索选取连接起始节点和终止节点的最佳航线段，进行航线平滑及飞越成本处理[8]。

3.4航线产生

航线的产生就是将选定的航线段连接成一个完整的航线或路线。为保持灵活性和减少路线数目，采用最短路线算法，提取一组航线段使起始和最终节点对之间航线，对照被试武器规划任务使合算成本达到最优。从试验区域数字地图的航行起始点到终点路线，其算法实际结果上表现为树形，应将每棵树的每条路线的飞跃成本得出。

3.5航线选择和评估

搜索集合中的起始节点(发射点)，终止节点(目标点)，连接发射点/目标对的航线数量，从而选择容易控制路线。再由目标开始反向工作，根据从发射点到树和从树到目标的飞越成本，选择具有最佳抵达概率或最佳概率树和路线。在这个过程中，ARM将根据规则规划评估所有可能的航线，但只保留它选定的航线和评估结果。

4GPS与INS组合导航

对于必须在高动态、低空和干扰环境海域工作的靶弹导航系统来说，将导航全球定位系统(GPS)的长期高精度与惯性导航系统(INS)的短期高精度结合起来，可获得满意高精度的混合导航解。组合导航系统可以克服惯性系统(主要是无限制的位置误差)和独立GPS系统的局限性(如偶尔发生不合适卫星的几何关系、动态噪声、卫星遮蔽和固定频率修正速度)。这种混合系统在使用上优越于两个独立系统，其中突出的优点如下[9]：

1) 提高了卫星跟踪能力

当GPS接收机需要捕获一颗进入视场的新卫星或由于遮蔽丢失卫星时，INS提供惯性位置和速度信息来辅助GPS接收机,使其能产生比独立GPS系统快得多的速度捕获卫星。

2) 惯性传感器校准

组合系统的中央导航卡尔曼滤波器能计算INS的位置、速度、加速度和姿态速率误差。利用这些误差可以获得惯性解的修正值，并在靶弹飞行中不断调整传感器的校准系数，从而提高INS系统的精度。

3) 惯性速度回路稳定

GPS系统的高精度输出可用来稳定INS系统的垂直回路(通常只使用气压高度表稳定)，这将使INS系统的垂直数据更准确地反映靶弹动力学。

4) 卫星覆盖或接收不良期间的导航

在接收或卫星覆盖不良期间，INS替代并辅助GPS组合导航系统，可以在中央导航计算机帮助下利用全部或有限的GPS信息，从而获得最好的导航解。

5) 系统完整性

组合导航系统INS和GPS具有相互监控并能随时发现误差，准确地判断切换导航系统。

4.1卡尔曼滤波器

卡尔曼滤波器是一种“最优传递归数据处理算法”，利用系统信息估计随机系统的状态。它处理所有可用的测量值，估计感兴趣变量的现时值。

系统基本状态方程

XK+1=ΦKXK+WK

YK+1=HKXK+VK

在线性系统里，WK、VK为高斯白噪声。

通常构成卡尔曼滤波器

(1)

的基础。于是，卡尔曼增益矩阵K的最优值为

(2)

(3)

所以，卡尔曼滤波器由方程(1)～(3)组成。

4.2GPS与INS组合方案

将GPS与INS数据组合方案有多种。可以使用开环(前馈)或闭环(反馈)卡尔曼滤波器，单-卡尔曼滤波进行处理GPS的距离和距离数据及INS的速度、位置数据。GPS拥有它自己产生的导航解卡尔曼滤波器，在第二个卡尔曼滤波器中与INS数据组合起来，形成导航组合解，形成级联卡尔曼滤波器构型。GPS和INS有它们各自独立的卡尔曼滤波器，加上中央导航计算机中的卡尔曼滤波器形成多层结合的方式。

在比较开环和闭环卡尔曼滤波器时，需要认真考虑如下几点。在开环机械编排中，INS的导航解被GPS的导航解修正，不打算补偿或重新校准INS的基本参数，如陀螺偏差、加速度表偏差和标度因子。若INS导航解不在内部修正，误差将继续传播，对捷联式系统来说，将是主要的缺点。在闭环卡尔曼滤波器法中，修正值反馈给INS，从而避免了误差在卡尔曼滤波器中高速传播。因INS的参数不断得到修正，一旦后来失去GPS信号，也能确保获得较好的导航性能。系统必须仔细监控GPS数据，确保INS参数不至受到不合理测量值的损害。

4.3系统完整利于提高跟踪性能

在组合导航GPS/INS系统中,中央计算机承担误差/故障监控，便于检查纯惯性INS和纯GPS接收机输出。如果INS的漂移超出设定值，则INS的信息可以忽略。利用余度卫星信息将GPS伪距和δ距离测量值与先前从其它卫星测量值进行比较，若误差超过系统预算，中央计算机就对数据进行处理，以确定哪颗卫星出现故障。

GPS数据能显著提高INS的性能，同样GPS也能从INS的数据中获益。在独立的GPS接收机中，代码和载波跟踪回路必须工作在极宽的宽带内，因窄跟踪回路置于高动态变化时容易丢失卫星跟踪，使得卫星捕获或重新捕获变得困难。在组合导航系统中，INS数据提供位置、速度、姿态和姿态速率，利用这些信息可导出距离和速度估值，从而缩小代码和载波跟踪回路的带宽。一般来说，与无辅助GPS接收机相比，可使带宽降低一个数量级，这样就可以显著提高信噪比并降低对干扰的敏感性。采用INS作为导航辅助，使系统在高动态机动情况下不会降低重新捕获和跟踪性能[10]。

5 靶弹加装相关技术设备

5.1靶弹目标增减器

由于靶弹的体积小，其迎头雷达截面积(RCS)也小，符合新一代战机和各种飞行器的目标特性。通过对导弹雷达天线等技术改造，减少雷达天线锅的面积，降低雷达回波或加装雷达回波增强器、愣勃透镜和曳光管等多种设备，可使导弹的RCS根据需要设定不同大小的RCS值。如俄罗斯RM-5V27A靶弹前半球有效雷达截面积可在0.07～0.3m2范围内设定。此外，还可根据任务试验训练的需要，改装成雷达型、红外型等有源型靶弹。

5.2规避自毁技术

当靶弹飞抵地面防空导弹试验训练部队及其载体(舰、机)海域和空域前方供靶区域后，确保被试武器和试验训练部队(舰、机)的安全将成为供靶的第一要务。为此，必须在靶弹加装相应的规避自毁设备，以防止防空导弹或舰炮在未成功拦截靶弹后，反而使靶弹对试验训练部队以及载体(舰、机)的安全构成威胁。靶弹的安全/规避自毁技术一般采用四种方式：在弹上控制系统中设置安全自毁指令软件或采用人工遥控；采用陀螺测量相对前置航向的偏移量；利用GPS/INS/数字地图组合导航系统测量相对航路；利用弹上GPS和被试武器系统的定位信息等。

5.3加装脱靶量测量传递网络

为了获取靶弹与防空武器弹目之间交汇时的相对矢量值，一般要在靶弹上加装脱靶量测录设备，用以评估防空武器的射击精度。由数码摄像机、信息处理设备和靶弹与载体(舰、机)数据传递网络组成的脱靶量测量录取系统，对于满足飞行距离的导弹和炮弹进行实时画面跟踪捕获，并把每帧幅图像进行距离、高度、角度等数据处理，从而取得攻击靶录取框内的准确数值。这些信息由靶弹上中心计算机管理存储，并经过通信数据终端加以确认，由无线电形式进行发送。舰载网络收发系统实时接收靶弹传回的数据信息，并按照预先设计解算准则由计算机进行快速处理，这样可得到脱靶量参数数据图像和结果评定，从而为参试训练情况作出准确的决策。网络安排上应采用交互式传递指令控制方式，一方面保证弹与舰信息交流顺畅，做到弹航迹趋势实时展示同时使时间动作上形成协调一致；另一方面健全舰船载体之间的网络结点构成，达到参试训练各部门共同分享态势信息和结果评价。

6结语

空中靶弹目标设置是检验考核防空武器系统

作战性能最好方法，利用舰载靶弹进行机动发射和航路控制，可以真实地模拟反映海战对抗各种导弹攻击态势环境，为新型武器试验鉴定和部队训练使用提供帮助支援。世界军事大国都十分重视空中靶弹的开发和研制，较为普遍的做法是改装现役和淘汰的导弹，充分利用其弹体、发动机等主体部分构架，通过更新相应的控制系统、软件和其它配置等技术手段，加装飞行试验设备，这样既降低了研制经费和风险，又消化了退役导弹。我国在舰载靶弹设计使用上应借鉴国外的成功经验，努力打造国产靶弹的品牌，在保证靶弹按需供给不同航路飞行和适应各型防空武器试验训练的同时，尽量做好靶弹的毁伤防范技术措施，最终使国产靶弹经济、安全、可控、好用。

参 考 文 献

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工程学院学报，2000，15(4)：27-29.

[2] 高凯,胡黎明.俄罗斯新一代舰载防空导弹系统[M].北京：国防工业出版社，2007.

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[4] 干国强.导航与定位[M].北京：国防工业出版社，2000.

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[6] 田鹤,李启华,孟一鸣.基于改进型遗传算法的舰艇航路规划研究[J].舰船电子工程，2011，31(10)：46-48.

[7] 姚新.无人机提高目标定位精度方法研究[J].舰船电子工程，2011，31(10)：56-59.

[8] 梁立波，罗亚中.空间交会轨迹安全性定量评价指标研究[J].宇航学报，2010，31(10)：2239-2245.

[9] 姚新.无人机提高目标定位精度方法研究[J].舰船电子工程，2011，31(10)：56-59.

[10] 姚新.无人机提高目标定位精度方法研究[J].舰船电子工程，2011，31(10)：56-59.

Key Technique of Ship-borne Intelligent Drone Missile Flight Control in Test Sea Area

ZHANG YanzhongWEI Lin

(Unit 93, No.92941 Troops of PLA, Huludao125000)

AbstractIntelligent flight control of ship-borne target missile can be used as aerial drone for its characteristics of mobility and flexibility. It can also afford more real target information for combat usage, test evaluation and training of aerial defence weapon. By reconstruction of ship-borne missile，construction of manifold flight course for easy control and the combination of airmanship of GPS/BD, INS and digital map, the scheduled course can be modified in real time accurately. Moreover, relevant technique equipments, such as target RCS remodeling equipment, evading and self-destruction equipment and the network transmission equipment of undershooting measurement，can be added on the drone missile.

Key Wordsshipboard arget missile, intelligent control, course correction

*收稿日期：2015年12月3日,修回日期：2016年1月18日

作者简介：张彦忠，男，硕士，高级工程师，研究方向：导弹火控系统试验。

中图分类号V249

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.012