傾斜安裝火炮反天頂攻擊目標(biāo)技術(shù)研究*

徐國亮，王勇，王海川

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港　222061)

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傾斜安裝火炮反天頂攻擊目標(biāo)技術(shù)研究*

徐國亮，王勇，王海川

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061)

摘要：針對天頂攻擊或高角俯沖反艦導(dǎo)彈等目標(biāo)的威脅，分析了近防艦炮武器系統(tǒng)在作用范圍、伺服性能、跟蹤誤差等方面存在的問題。提出了采用基座傾斜安裝火炮對付天頂攻擊目標(biāo)的技術(shù)措施，在目標(biāo)高角情況下可大幅降低對跟蹤伺服系統(tǒng)的要求、搖擺誤差對跟蹤誤差的影響。給出的傾斜安裝火炮坐標(biāo)變換及采用瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系求解天頂攻擊目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)方法，可為艦艇近程防御系統(tǒng)反天頂攻擊或高角俯沖目標(biāo)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：高速；天頂攻擊；反艦導(dǎo)彈

0引言

反艦導(dǎo)彈在現(xiàn)代海戰(zhàn)中扮演著重要的角色。隨著軍事科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各國/地區(qū)裝備的第1代亞聲速反艦導(dǎo)彈逐步讓位于射程更遠(yuǎn)、速度更快的新一代反艦導(dǎo)彈。同時(shí)為了提高反艦導(dǎo)彈的打擊能力，新一代反艦導(dǎo)彈通常采用高空巡航與末端大角度或天頂俯沖攻擊相結(jié)合模式。

近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)作為艦艇反導(dǎo)防御的最后屏障，具有戰(zhàn)斗持續(xù)時(shí)間長、反應(yīng)時(shí)間短、發(fā)射率高、效費(fèi)比大、適裝性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效地防御突襲反艦導(dǎo)彈，彌補(bǔ)了近程防空導(dǎo)彈及其他軟硬防空武器的不足，成為近程防御中不可缺少的一員。

基于以上原因，本文分析了國內(nèi)現(xiàn)役近程防御艦炮武器系統(tǒng)在防御俯沖攻擊目標(biāo)存在的不足，給出了傾斜安裝火炮系統(tǒng)對俯沖目標(biāo)的優(yōu)勢，力求為艦艇近程防御系統(tǒng)反天頂攻擊或高角俯沖目標(biāo)提供技術(shù)參考。

1需求分析

1.1反艦導(dǎo)彈發(fā)展現(xiàn)狀

海戰(zhàn)中，反艦導(dǎo)彈一直是水面艦艇的主要威脅。當(dāng)今世界經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的反艦導(dǎo)彈還是以“亞聲速低空掠海+末端機(jī)動”突防為主的攻擊模式。如美國的“捕鯨叉”、法國的“飛魚”等，如表1[1]所示。

(1) 低空掠海

對傳感器火控雷達(dá)來說，需要克服低角多路徑效應(yīng)的影響(影響系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、跟蹤及其精度)。

(2) 末端機(jī)動

規(guī)避艦艇近程防御武器攔截(嚴(yán)重影響近程防空導(dǎo)彈、小口徑速射艦炮系統(tǒng)等精度)。

1.2反艦導(dǎo)彈的高空突防+末端俯沖攻擊

隨著新型戰(zhàn)艦防御能力的提高，老式反艦導(dǎo)彈將更加難以穿過現(xiàn)代艦艇的警戒防御圈。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，反艦導(dǎo)彈升級換代的速度明顯加快，各國研制的新一代反艦導(dǎo)彈都朝著高聲速、高機(jī)動的方向發(fā)展，以獲得前所未有的打擊優(yōu)勢[2]。

導(dǎo)彈采用不同的彈道攻擊目標(biāo)時(shí)，其射程是不同的。采用高空飛行，射程能增長近一倍。因此超聲速反艦導(dǎo)彈通常進(jìn)行中、高空飛行，末端大角度或天頂俯沖攻擊[3]，如圖1所示。

圖1　高空突防+末端俯沖攻擊彈道Fig.1　High altitude penetration and end　　　dive attack trajectory

據(jù)報(bào)道，某俄式導(dǎo)彈能以70°高角從40 000 m高空以4Ma高速進(jìn)行俯沖攻擊。因此，天頂攻擊目標(biāo)(zenith target)已成為近防系統(tǒng)必須面臨和對抗的威脅。

1.3其他威脅

聯(lián)合直接攻擊彈藥(joint direct attack munition,JDAM)[4-5]：用常規(guī)炸彈升級而來，利用GPS引導(dǎo)自動尋的炸彈，能從24 km高空投下精確落在目標(biāo)上。

由此可見，天頂攻擊或高角俯沖目標(biāo)愈來愈成為艦船面臨的主要威脅，由于該類目標(biāo)的攻擊角度較高，而高角跟蹤是現(xiàn)役艦炮武器系統(tǒng)的跟蹤盲區(qū)，從而防御系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對該類目標(biāo)有效攔截，本文主要就艦炮武器系統(tǒng)反天頂攻擊目標(biāo)存在的問題及解決的措施進(jìn)行討論。

表1　各國/地區(qū)發(fā)展的主要反艦導(dǎo)彈

2反天頂攻擊目標(biāo)存在問題分析

現(xiàn)役防御武器系統(tǒng)的跟蹤傳感器大都采用兩軸跟蹤結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)本身的缺陷導(dǎo)致了天頂盲區(qū)，對天頂攻擊目標(biāo)無法穩(wěn)定跟蹤。另一方面，天線指向角度過高，也會放大跟蹤器的方位瞄準(zhǔn)誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)無法跟蹤。

2.1系統(tǒng)作用范圍

“天頂攻擊目標(biāo)”正處于“密集陣”、“守門員”、“海拉姆”等西方國家海軍普遍裝備的近防武器系統(tǒng)的盲區(qū)[6-8]，如表2為國外近防武器系統(tǒng)俯仰角作用范圍。

表2　國外近防武器系統(tǒng)俯仰作用范圍

2.2跟蹤伺服速度特性分析

反天頂攻擊目標(biāo)不是簡單一個(gè)角度范圍的問題，其中涉及到武器系統(tǒng)本身的跟蹤、瞄準(zhǔn)角(加)速度及其誤差等問題。

針對典型目標(biāo)的速度、捷徑等目標(biāo)運(yùn)動態(tài)勢進(jìn)行分析，令常數(shù)A=v/S0，其中v，S0分別為目標(biāo)速度和航路捷徑，捷徑點(diǎn)的方向角為0°，則目標(biāo)方向角、角速度和角加速度分別為[9]

(1)

目標(biāo)方向角及其變化曲線如圖2所示。

圖2　目標(biāo)方向角及其變化曲線Fig.2　Target direction angle and its change curve

當(dāng)目標(biāo)過天頂時(shí)，航路捷徑S0很小，即航路常數(shù)A很大，根據(jù)圖2可知，當(dāng)目標(biāo)高速靠近時(shí)，跟蹤目標(biāo)所需的角(加)速度迅速增大，如果系統(tǒng)(傳感器和武器)跟蹤能力無法滿足跟蹤目標(biāo)所需角(加)速度的要求，則會造成目標(biāo)跟蹤精度嚴(yán)重下降或目標(biāo)丟失。

2.3跟蹤伺服精度特性分析

在目標(biāo)不同俯仰角情況下，目標(biāo)瞄準(zhǔn)誤差、搖擺誤差對目標(biāo)跟蹤伺服精度影響不同，尤其是在目標(biāo)高角時(shí)影響較為明顯。

2.3.1瞄準(zhǔn)誤差影響分析

如圖3為跟蹤指向器瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系Oaxayaza，其中Δq，Δε為舷角和俯仰角瞄準(zhǔn)偏差角。于是甲板坐標(biāo)系下目標(biāo)坐標(biāo)(xd,yd,zd)及指向角(qd,εd)為

式中：

qa，εa為目標(biāo)舷角和俯仰角。

圖3　瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系與瞄準(zhǔn)偏差角Fig.3　Coordinate system of line of sight and　　　 aiming deviation angle

令傳感器舷角為qa=0，則有

sinqd≈sin Δq/cosεd.

因此在目標(biāo)不同俯仰角情況下，甲板坐標(biāo)系目標(biāo)舷角跟蹤誤差與跟蹤傳感器舷角瞄準(zhǔn)誤差的關(guān)系為

(2)

式中：σqd為甲板坐標(biāo)系目標(biāo)舷角跟蹤誤差；σΔq為跟蹤傳感器舷角瞄準(zhǔn)誤差。

2.3.2搖擺誤差影響分析

以最簡單的靜止目標(biāo)為例，設(shè)定我艦不動，目標(biāo)舷角q=0，俯仰角為ε。假設(shè)縱搖角為0，橫搖角有一個(gè)幅度為σθ的噪聲波動Δθ。于是由艦艇搖擺變換可得，甲板坐標(biāo)系下目標(biāo)舷角和俯仰角為

即

tanqd≈-sin Δθtanεd.

因此，在目標(biāo)不同俯仰角情況下，甲板坐標(biāo)系目標(biāo)舷角跟蹤誤差與搖擺誤差的關(guān)系為

(3)

由式(2)，(3)可知，不論是瞄準(zhǔn)誤差還是搖擺誤差，隨著目標(biāo)俯仰角的增大，在甲板坐標(biāo)系舷角跟蹤誤差急劇放大，如圖4所示。

圖4　隨俯仰角不同瞄準(zhǔn)誤差和搖擺誤差的放大倍數(shù)Fig.4　Amplification with the elevation of different　　　pointing errors and swing errors

由分析可知，對于高速、高角俯沖目標(biāo)的跟蹤，要求近防武器系統(tǒng)的跟蹤伺服系統(tǒng)具有高帶寬、高精度性能，使得系統(tǒng)難以對該類目標(biāo)進(jìn)行有效跟蹤和攔截。

3反天頂攻擊目標(biāo)技術(shù)分析

為了對付天頂攻擊目標(biāo)，有的國外近防系統(tǒng)采用火炮基座傾斜安裝方式，如圖5所示。本文以“海天頂”(sea zenith)近防炮[10]為研究對象，分析其反天頂攻擊目標(biāo)時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)處理方法及主要技術(shù)特性分析。

圖5　基座傾斜安裝的“海天頂”火炮Fig.5　slant-mounted “sea zenith” gun

3.1火炮安裝基座傾斜時(shí)數(shù)據(jù)變換處理

如圖6，甲板坐標(biāo)系Oxdydzd固聯(lián)于艦艇。Oyd軸平行艏艉線(艦艏為正)，Oxd軸與Oyd軸垂直且平行于甲板面(右舷為正)，Ozd軸與軸Oxd，Oyd構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系?；鹋趦A斜坐標(biāo)系Oxlylzl固聯(lián)于火炮安裝基面。Oyl平行安裝基面指向最大傾斜角抬起方向，Oxl軸與Oyl軸垂直且平行于安裝基面(右側(cè)為正)，Ozl軸與軸Oxl，Oyl構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

設(shè)火炮安裝基座平面Oxlyl與甲板平面Oxdyd的夾角為αl(“海天頂”火炮基座傾斜角αl=35°)，且夾角方向?qū)?yīng)的舷角為ql，即Oyq和Oyl的夾角為αl，Oyq和Oyd的舷角為ql。

從甲板坐標(biāo)系到火炮傾斜坐標(biāo)系變換為

式中：

3.2傾斜安裝火炮伺服系統(tǒng)特性

分析傾斜安裝后對火炮伺服的影響。如圖7所示給出了在不同俯仰角下傾斜安裝火炮與目標(biāo)舷角變化曲線。由圖可知當(dāng)目標(biāo)俯仰角小時(shí)，艦炮舷角變化率與目標(biāo)舷角變化率相當(dāng)。當(dāng)目標(biāo)俯仰角大于55°時(shí)，艦炮舷角變化率大大低于目標(biāo)舷角變化率，即對艦炮跟蹤角速度要求大幅降低。

下面分析傾斜安裝后火炮伺服的俯仰角范圍。假設(shè)火炮指向最低角度-20°(實(shí)際傾斜火炮俯仰角為-55°)，計(jì)算在不同舷角對應(yīng)甲板舷角和俯仰角，如圖8所示。當(dāng)火炮舷角90°時(shí)，對應(yīng)甲板俯仰角約為-42°。

據(jù)此傾斜安裝火炮在理論上可覆蓋上半球空域。如火炮傾斜安裝在甲板艦艏，火炮俯仰角在艦艏可低至-20°，而左右舷可低至-42°。

3.3傾斜安裝時(shí)搖擺誤差對舷角誤差影響

公式(3)表明，目標(biāo)俯仰角的變大，會放大搖擺誤差，造成舷角跟蹤誤差急劇放大。這里，以縱橫搖誤差均值0，均方差1 mrad為例，仿真不同目標(biāo)俯仰角情況下，基座傾斜安裝時(shí)搖擺誤差對舷角誤差的影響，如圖9所示。

圖9　是否傾斜安裝火炮舷角誤差比較Fig.9　Side angle error comparison of slant-mounted　　　　 gun with level-mounted gun

可以看出：

(1) 火炮未傾斜安裝時(shí)低俯仰角(如50°以下)情況下，舷角誤差與搖擺誤差相當(dāng)或略大于搖擺誤差，但高俯仰角情況下，誤差迅速增大；

(2) 在負(fù)俯仰角情況下，傾斜安裝火炮的舷角誤差略大，但都小于搖擺誤差；

(3) 由于火炮基座傾斜安裝降低了火炮伺服的俯仰角，因此在目標(biāo)高角情況下舷角誤差受搖擺影響不大。

3.4天頂攻擊目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)解算

相比低空掠海來襲目標(biāo)，天頂攻擊目標(biāo)在俯仰或高度方向變化劇烈。為求解這類目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)，通常需專門針對俯仰角或高度方向建立運(yùn)動模型[11]。

本文在考慮末端自防御條件下，給出在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下求解天頂攻擊目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)的方法。此時(shí)目標(biāo)運(yùn)動被分解為瞄準(zhǔn)線徑向、側(cè)向(方向/俯仰)，即對掠海、俯沖或天頂攻擊目標(biāo)運(yùn)動的描述可不加區(qū)分，如比例導(dǎo)引、蛇形、俯沖等都作為側(cè)向機(jī)動考慮。

瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系是一個(gè)運(yùn)動的非慣性坐標(biāo)系，其坐標(biāo)按跟蹤指向器法線方向來定位。這種坐標(biāo)系在連續(xù)時(shí)間里和跟蹤指向器系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)動，但在一個(gè)解算工作周期內(nèi)與慣性系相對靜止，因而稱其為“步進(jìn)”坐標(biāo)系[12]。它已被廣泛應(yīng)用于國外現(xiàn)代火控領(lǐng)域。其特點(diǎn)在于：

(1) 瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向與跟蹤傳感器測量相互對應(yīng)，各坐標(biāo)量測值之間互不相關(guān)，克服了傳統(tǒng)在直角地理坐標(biāo)系中進(jìn)行強(qiáng)制分解，忽略其相關(guān)性帶來的精度損失。

(2) 在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系中進(jìn)行濾波，系統(tǒng)模型與物理過程相吻合，傳感器的原始測量信息能得到充分利用。

(3) 在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動建模，可簡化某些特定模式的目標(biāo)運(yùn)動模型的描述，如側(cè)向機(jī)動。

4結(jié)束語

超聲速、超高聲速、高超聲速反艦導(dǎo)彈的發(fā)展，天頂攻擊或高角俯沖必然對近程防御系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。從前面分析來看，反天頂攻擊目標(biāo)問題的解決是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，涉及傳感器和火炮的安裝及其伺服系統(tǒng)的跟蹤、瞄準(zhǔn)，火控模型算法等各方面。

當(dāng)然，火炮基座傾斜安裝將使得火炮重心、后坐力等發(fā)生變化，對火炮伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會帶來較大影響。

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Zenith Attack Target Countermeasures Based on Slant-Mounted Antimissile Shipborne Gun

XU Guo-liang, WANG Yong, WANG Hai-chuan

(Jiangsu Automation Research Institute,Jiangsu Lianyungang 222061, China)

Abstract:When a shipborne close-in gun weapon system operates against the target with zenith attack or with high-angle dive, it will meet some problems in system coverage, servo capability and tracking error. To solve those problems, the countermeasure of a slant-mounted shipborne gun is proposed to greatly reduce the requirements for the tracking servo capability and decrease the tracking angle error caused by rolling error. The coordinate’s transformation for the slant-mounted shipborne gun and the method of calculating the parameters of target motion are also proposed. Those means can be offered as some technical advices for the ship close-in defense system operating against the target with zenith attack or with high-angle dive.

Key words:high speed; zenith attack; antiship missiles

中圖分類號：TJ30;TJ761.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0007-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.002

通信地址：222061江蘇省連云港市102信箱4分箱E-mail：XUGL716@163.com

作者簡介：徐國亮(1971-)，男，江西豐城人。研究員，碩士，研究方向?yàn)榕炁谖淦飨到y(tǒng)、火控系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：“十二五”國防預(yù)研項(xiàng)目

收稿日期：2013-07-10；
修回日期：2013-12-30