图像传输可靠性对末制导炮弹的影响分析及使用建议*

陈 朋 马翰宇

（1.陆军炮兵防空兵学院研究生大队 合肥 230031）（2.陆军炮兵防空兵学院兵器工程系 合肥 230031）

1 引言

火炮常规弹丸产生巨大的弹药消耗，达到的作战效果却并不理想，制导炮弹并没有特殊的发射平台，而是在使用和维护都不变的情况下，借助常规火炮平台发射，在飞行过程中通过制导控制系统引导炮弹命中目标[1]，具有射程远、精度高、反应迅速的优势，弥补了常规弹药的不足[2]。国内外对制导炮弹经过大量的研究，主要形成了全球定位系统（GPS）、毫米波、雷达或者红外末段导引头、惯性导航系统等制导方式[3]，已有诸如美国XM982神剑（Excalibur）[4]，增程制导弹药（ERGM）[5]，俄罗斯的红土地-M2制导炮弹[6]等多型制导炮弹研制成功并进行列装。图像末制导弹是一类新型的制导炮弹，具有制导精度高、效费比高等优点，受到国内外普遍重视[7]，但在实弹射击过程中地面站偶尔会出现接收不到图像，导致操纵手搜索目标困难甚至炮弹偏离目标的情况。对此，本文对炮弹飞行过程中图像传输可靠性与命中概率的关系进行了分析，并以此为基础提出采用图解法合理选择侦察位置及合理设置弹道的提高炮弹命中概率的作战使用方法，希望能为部队探索图像末制导炮弹的作战使用提供一些指导。

2 图像末制导炮弹系统工作流程分析

图像末制导炮弹是一种采用北斗卫星与电视图像复合制导技术，通过弹载电视导引头获取目标区图像，在后方地面站通过制导控制站实时选择目标、自动锁定目标的一种精确制导炮弹。图像制导炮弹由电视导引头、控制舱、战斗部和尾舱等组成。弹丸出炮口后尾翼张开，弹丸进入无控飞行段。当弹丸掠过弹道顶点时，惯性陀螺开始测量弹体下滑角；根据卫星定位得到实时炮弹的坐标、速度信息以及目标坐标解算生成控制指令从而控制炮弹飞行目标区域[8]。接近目标区域时，炮弹将图像导引探测的目标区域的图像发送到地面站，地面操作手观察图像，发现目标后，冻结图像并锁定目标，系统自动跟踪目标并调整弹丸飞行姿态，最终控制弹丸准确飞向选定的目标。弹丸碰击目标或落地后，引信作用战斗部起爆，完成对目标的毁伤。

地面站与炮弹间图像的传输以电磁波为载体，如果地面站距离炮弹末制导段弹道较远，传输稳定性会因两者较远的距离和遮蔽物而受到不利影响。因此，为提高图像传输稳定性，同时结合炮兵部队战斗队形配置，在实际作战使用时地面站依然选择配置在观察所，随侦察分队操作使用。

3 图像传输可靠性对图像末制导炮弹的影响分析

根据图像末制导炮弹的工作流程，我们可以把整个飞行弹道划分为三段：无控段、中制导段、末制导段[9]。末制导段影响因素主要是控制精度、图像传输可靠性以及炮弹的目标识别能力，控制精度一般很小，对末制导段的影响最小，目标识别能力指根据目标特性识别其类型、真假的能力[10]，主要受操纵手的军事素质、目标幅员、目标隐蔽伪装程度、导引头性能、图像传输可靠性的影响，从一般经验也可知，图像传输可靠性直接影响操纵手搜索发现目标的效率，综上图像传输可靠性对炮弹末制导阶段的作战效能发挥起到至关重要的作用，信号传输的影响因素有人为干扰、自然干扰以及传播因素干扰[11]，由于炮弹整个飞行时间也才几十秒，因此受到敌方的有意干扰概率很低，自然干扰对信号传输的影响一般很小，而传播因素干扰中最主要的干扰便是地形地物等遮蔽物的阻挡。良好的观察位置可以降低遮蔽物对图像信号的遮挡，同时为操纵手提供良好的观察视野和角度，帮助操纵手熟悉目标及目标区，较高的弹道也可以一定程度上避免信号受中间障碍物的阻挡。因此观察所位置和弹道的高度能够影响影响图像末制导炮弹的图像传输可靠性，并进而影响炮弹的作战效能。

图像末制导炮弹在末制导阶段若丢失目标，会按卫星制导方式向目标的卫星定位坐标飞行，一旦重新锁定目标便又继续向目标飞行。假设目标的卫星定位误差为ΔDm，舵机每秒钟可驱使炮弹偏离原弹道的最大距离为ΔVm，且在距地面时间之前的末制导段目标都位于炮弹导引头视场范围内，图像末制导炮弹在t0时刻进入末制导阶段，设整个末制导段飞行的时间为T秒，各个时刻及代表事件如表1所示。图像末制导炮弹通常用来攻击价值较高的点目标，其毁伤概率服从0-1规律，在此假定目标只有被直接命中才能被毁伤，故此时能否毁伤目标完全取决于操纵手能否在地面站接收稳定图像的有效时间内搜索并锁定目标以及锁定目标后炮弹自身的命中概率（设为P0）。末制导段距离较短，假设炮弹在末制导段的速度维持不变，由于目标实际位置与卫星定位点通常距离较近，炮弹在向目标实际位置点和目标卫星定位点变换过程时间很短，可以假设变换过程的轨迹为直线，其末制导段的炮弹质点轨迹可以简化为如图1中实线所示，图中M为目标实际位置点，M1为目标的卫星定位点。

表1 图像末制导炮弹末制导段状态时刻表

图1 末制导段炮弹质点轨迹

操纵手在地面站第n次接收稳定图像至第n次图像信号丢失的时间（t3n-t3n-2）内的搜索发现概率Pn。

假设操纵手搜索发现并锁定目标的情况是只要未搜索到目标，无论地面站丢失图像信号多少次，每次接收到图像信号后的搜索发现概率都为P1，一旦发现目标后，以后每次丢失图像信号后再次搜索发现的概率都为P2。

假设整个末制导段图像传输中断1次，中断时刻分别为 1s、4s、7s、10s，得到中断持续时间与命中概率的关系如图2。另假设从时刻1s开始，接收图像和中断信号交替进行，每次获得稳定图像的时间为 0.5s，每次中断的时间为 t s，令t分别为 0.5s、1s、1.5s、2s，则得到命中概率和中断次数的关系如图3。

图2 命中概率与中断时间的关系

图3 命中概率与中断次数的关系

通过上述结果可知在操纵手搜索发现目标效率一定的情况下，炮弹与地面站之间的图像回传可靠性对最终的命中概率影响较大，信号中断时间越长，命中概率越低，中断次数越多，命中概率也越低，且末制导阶段末段的传输稳定性对命中概率的影响较刚开始阶段更明显，一旦在末制导段末段丢失目标，再次搜索发现目标的时间很短，炮弹大概率无法命中目标。因此通过合理选择观察所位置和设置弹道，保证图像回传可靠性，以达到提高炮弹命中概率的目的具有一定的理论基础。

4 提高图像末制导炮射命中概率的方法

4.1 图解法判断通视条件

由以上分析可知，在侦察分队装备有图像末制导炮弹地面站时，选择观察所位置时尽可能保证观察所与末制导段的通视可以保证地面站接收到足够时间的稳定可靠图像，从而提高命中概率。判断通视的方法有两种，一是图解法，二是计算法，由于炮弹对点与点之间的通视精度要求不高且图解法速度较快，故采取图解法计算通视条件更为高效。

侦察分队到达观察所选择地域后，观察现地地形和目标区域，确定2～4个观察预选点。根据炮阵地位置、目标区位置等信息确定目标区相对观察所位置最左、最右两条概略弹道，分别计算预选点与两条弹道的通视情况，结合其他条件确定最佳观察点位置。在占领观察所之前，具体的通视计算方法可以采用图解法，即通过在地图上作业判断通视情况。假设炮弹在距预设目标约m公里处导引头开始工作并回传图像，由此认为炮弹末制导段弹道长约m公里，而若在末端距目标较近时才锁定目标，炮弹调整飞行轨迹效果则及其有限。在地图上，标出两条概略弹道线及观察预选点位置，在末制导弹道上选取概略起始点和末制导段1/3处和3/4处两个点，将预选点与选定弹道点连线，找出连线中间可能遮挡的障碍点。根据预选点、选定弹道点、障碍点三点高程，在地图上以等比例线段竖直标出，线段底端与各点重合，再将预选点高程线段顶点分别与选定弹道点高程线段顶点连线，若障碍点高程线段顶点不高出连线，则表明预选点与选定弹道点通视。如果观察点对三个选择点都通视，则毫无疑问炮弹末制导段全段与观察点通视；若观察点与1/3处点及其他任一点通视，则末制导段大部与观察点通视；若观察点与除1/3处点外的其他两个点通视，则根据遮蔽处形状及遮蔽点高程线段高出连线的程度综合判断末制导段被遮挡情况；若观察点只与其中某一点通视，则表明末制导段大部被遮挡；若观察点与三点都不通视，则末制导段全段被遮挡。为保证操纵手对图像有足够的观察时间且不在最后丢失目标，通常选取能够对末制导段后2/3段通视的观察位置。由于不同装药号对应的末制导段弹道高不一样，因此可以计算满足射程的不同装药号的弹道通视情况，由此确定最佳装药号。具体操作可参照图4。

图4 图解法判断通视

在图4中，对左弹道，障碍点高程顶点刚好过预选点与左弹道末制导弹道起始点（即选点1）的高程连线，说明预选点与左弹道末制导弹道起始点不通视，同理可以判断该预选点与选点2不通视，与选点3通视，由于遮挡的高地形状中间高、两边低且形状为左右条状，障碍点高程线段超预选点与选点2的连线较高，故可认为在该号装药情况下该左弹道末制导段相对此预选点而言大部被遮挡。同理可以判断出右弹道末制导段对该预选点全段通视。

在确定观察所位置并占领后，可以对先前通视计算结果进行现场验证，若计算结果与实际情况差别较大，可以视时间是否充足等情况重新选择观察所位置。

4.2 合理规划弹道

为避免图像传输信号受到干扰，除了合理选择观察所外，合理设置弹道也可以有效改善地面站与炮弹的通视条件，提高信号传输可靠性。可以通过以下两种方式合理规划弹道。

一是合理选择发射阵地。由于末制导炮弹的精确打击能力，在单炮发射时也能够完成打击任务，因此在实际遂行任务过程中可以单炮设置为发射单元，远离主发射阵地，一方面可以避免主发射阵地的暴露，更主要的是能够降低对发射阵地的要求，实现灵活配置[12]。因此单炮发射单元有条件根据末制导段地形地貌选择发射阵地，尽量使弹道末段附近避免产生遮蔽物。

二是合理选择装药。在末段弹道难以避免遮蔽物时，在射程允许的范围内选择大号装药以获取高弹道，既可以降低障碍对信号的干扰，也能获得较大落角的观察视角和实现对目标的顶部打击。

5 结语

本文就炮弹系统图像传输可靠性对炮弹命中概率的影响分析虽然整体上能够反映这该因素对命中概率的影响，但是分析过程作了很多简化，仍有不足。分析结果表明采取合理选择观察所位置和合理设置弹道的方法可以提高炮弹命中概率。