基于相控陣?yán)走_(dá)的艦炮聯(lián)合反導(dǎo)技術(shù)

周克強(qiáng)，王海川

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 引言

國內(nèi)海軍裝備的艦炮武器系統(tǒng)中，小口徑系列主要用于近程反導(dǎo)，中大口徑系列以對海和遠(yuǎn)程對岸為主要使命，兼顧對空作戰(zhàn)，各系統(tǒng)傳感器配置相對獨(dú)立，在艦艇編隊艦炮對空防御/火力打擊時，作戰(zhàn)資源使用效率較低。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，艦艇編隊內(nèi)傳感器組網(wǎng)可以提高信息的共同感知能力，通過在各武器系統(tǒng)中共享艦炮火控數(shù)據(jù)，控制艦炮武器發(fā)射，支持艦炮武器協(xié)同成為提高海軍作戰(zhàn)能力的途徑。

目前協(xié)同交戰(zhàn)能力［1］（CEC）數(shù)據(jù)鏈將戰(zhàn)場上的艦載和機(jī)載傳感器/武器鏈接起來，以產(chǎn)生非常精確的單一、共享空中態(tài)勢圖，支持艦艇與它本身傳感器作用距離以外的目標(biāo)作戰(zhàn)，例如一個作戰(zhàn)平臺可以在其自身雷達(dá)從未捕獲目標(biāo)的情況下，使用從其他CEC單元接收到的數(shù)據(jù)，發(fā)射導(dǎo)彈并引導(dǎo)它攔截目標(biāo)。然而要做到對艦炮武器系統(tǒng)的協(xié)同指揮，特別是艦炮火力的精確到達(dá)控制，對共享目標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時性，以及火控數(shù)據(jù)的共享形式提出了特殊的要求。

本文立足于國內(nèi)現(xiàn)有裝備，對艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)信息進(jìn)行深度挖掘利用，促進(jìn)艦炮武器戰(zhàn)技戰(zhàn)法的提高，將探討在相控陣?yán)走_(dá)建立艦炮武器殺傷數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上，建立艦炮武器系統(tǒng)信息網(wǎng)，并通過聯(lián)合反導(dǎo)的作戰(zhàn)場景，分析該網(wǎng)絡(luò)如何通過艦炮火力的精確控制，提升艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)的聯(lián)合反導(dǎo)攔截效能。

1 艦炮武器系統(tǒng)互通互聯(lián)

國內(nèi)艦艇數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時的傳輸和交換，為指揮決策和戰(zhàn)場實(shí)時控制提供保障。然而真正能被艦炮武器系統(tǒng)直接使用的火控數(shù)據(jù)尚未通過數(shù)據(jù)鏈接入艦炮武器控制。聯(lián)合合成跟蹤網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注傳感器數(shù)據(jù)整合，但是對于艦炮武器的精確控制尚缺乏進(jìn)一步考慮。艦炮武器系統(tǒng)對共享數(shù)據(jù)存在其特殊性：1）對目標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時性要求高，艦炮火控解算通過對當(dāng)前目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)的濾波來預(yù)測和彈丸的相遇點(diǎn)，滯后的目標(biāo)數(shù)據(jù)將增大火控系統(tǒng)誤差，對高速機(jī)動類目標(biāo)影響更大；2）對數(shù)據(jù)空間一致性要求高，各傳感器在各自艦艇平臺的安裝位置不同，探測時艦艇甲板搖擺不定，目標(biāo)跟蹤頻率各異；3）需要關(guān)注全彈道時空數(shù)據(jù)，特別是火力達(dá)到的精確計算；4）數(shù)據(jù)鏈終端需要一定的數(shù)據(jù)存儲和計算能力，例如校射偏差轉(zhuǎn)換時需要本艦航程累計。

隨著相控陣?yán)走_(dá)在新型驅(qū)逐艦的列裝，對艦炮武器系統(tǒng)而言將具備更強(qiáng)的火控管理能力，相控陣?yán)走_(dá)為大口徑艦炮武器系統(tǒng)提供多個目標(biāo)的精跟資源通道，另外可以通過相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)建一體化艦炮武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈，結(jié)合雷達(dá)自身的特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，利用雷達(dá)平臺進(jìn)行通信，滿足艦艇艦炮武器系統(tǒng)之間的協(xié)同。圖1顯示了在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的調(diào)配和授權(quán)下，通過相控陣?yán)走_(dá)形成艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，為艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)提供火控級共享數(shù)據(jù)，達(dá)到艦炮火力精確控制的示意圖。文獻(xiàn)［2］結(jié)合艦載一體化發(fā)展的需要，以CEC網(wǎng)絡(luò)中的DDS設(shè)計技術(shù)，以及Link16數(shù)據(jù)鏈中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為啟示，提出了基于艦載相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化設(shè)計的思路，并從通信系統(tǒng)的鏈路流程、時間資源、時隙分配以及通信協(xié)議幾個方面進(jìn)行了論述。2007年雷聲公司演示有源相控陣?yán)走_(dá)傳送大量文件，作為指揮與控制平臺或者地面站的能力，性能遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的寬帶戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和通信系統(tǒng)，雷聲公司稱，提供有源陣列、相應(yīng)的算法和軟件就能過的這種新功能，并將其命名為“超級通信”（Super Communication）功能；2013年雷聲公司在荷蘭岸基設(shè)施上成功演示雙波段數(shù)據(jù)鏈與先進(jìn)相控陣?yán)走_(dá)（APAR）的集成，并演示了其作戰(zhàn)能力，擴(kuò)大了歐洲能夠進(jìn)行艦船彈道導(dǎo)彈防御的艦船數(shù)量。

圖1 艦炮武器系統(tǒng)互聯(lián)互通示意圖

2 火力精確控制提升反導(dǎo)能力

高射速小口徑艦炮依靠高密度彈群集中覆蓋提前點(diǎn)來毀傷來襲反艦導(dǎo)彈，然而對于高速機(jī)動目標(biāo)的情況，該集火射擊方法的缺點(diǎn)也變得日益突出，目標(biāo)高速機(jī)動性，極易導(dǎo)致火控預(yù)測的提前點(diǎn)精度下降，而少量的彈丸對反艦導(dǎo)彈的毀傷極為有限［3］，為克服此類不足，本文嘗試通過中大口徑艦炮結(jié)合小口徑艦炮進(jìn)行聯(lián)合反導(dǎo)的方案，來增強(qiáng)艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)的聯(lián)合反導(dǎo)能力。

目前艦艇裝備的中大口徑艦炮以76 ms、100 ms和130 ms口徑為主，一般認(rèn)為中大口徑艦炮的有效殺傷近界在3 km，而小口徑艦炮的有效殺傷遠(yuǎn)界在1.5 km，兩者一般通過梯次攔截來提高全航路對反艦導(dǎo)彈的毀傷效能，本文通過相控陣?yán)走_(dá)建立的艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，真正通過信息手段實(shí)現(xiàn)艦炮火力的精確到達(dá)控制，實(shí)現(xiàn)1.5 km處中大口徑彈丸水柱和小口徑彈幕的聯(lián)合精確控制，能有效地提升艦炮武器系統(tǒng)的反導(dǎo)能力。艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合體系結(jié)構(gòu)［4］見下頁圖 2。

2.1 水幕反導(dǎo)原理

圖2 艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)

以往認(rèn)為中大口徑艦炮由于自身固有的系統(tǒng)偏差，對1.5 km處攔截掠海高速機(jī)動目標(biāo)作用有限，文獻(xiàn)［5］提出了對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行抗擊的水幕反導(dǎo)射擊方法，文中指出海水密度約為空氣密度的1 000倍，彈丸水柱由海水和空氣混合組成，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣密度。根據(jù)流體動力學(xué)原理，當(dāng)高速運(yùn)動的導(dǎo)彈撞擊到遠(yuǎn)大于空氣密度的水柱時，瞬間增大的流體動力壓會使導(dǎo)彈彈體承受一個很大的過載，這一過載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)及組件所能承受的過載極限，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈解體、爆炸或失控偏航。試驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，中大口徑艦炮達(dá)到有效攔阻密度的水柱高度可達(dá)15 m~20 m，直徑可達(dá)5 m~7 m，考慮到大中口徑艦炮，從彈丸入水到水柱升起到最大高度一般需要2 s~4 s，雖然水柱形成過程與艦炮口徑和彈種有關(guān)，但對大中口徑艦炮水柱形成時間進(jìn)行分析，彈丸入水爆炸后到形成較為理想的彈著水柱的時間為3 s左右。

目前絕大多數(shù)反艦導(dǎo)彈的末段彈道為掠海飛行彈道，高度在10 m以下。因此，在高度上艦炮水幕可以抗擊絕大多數(shù)的反艦導(dǎo)彈。水幕反導(dǎo)射擊時火控解算的諸元控制彈丸落水點(diǎn)，水柱的形成需要時間，控制水柱形成時剛好目標(biāo)達(dá)到。

2.2 聯(lián)合反導(dǎo)流程設(shè)計

艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)射擊時間緊迫，為減少射擊指揮層次和操作程序，便于實(shí)施，一旦艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)方案獲得批準(zhǔn)后，編隊艦炮武器系統(tǒng)直接無縫共享相關(guān)火控數(shù)據(jù)。

以某型小口徑艦炮武器系統(tǒng)和某型大口徑艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)為例，其中大口徑艦炮武器系統(tǒng)內(nèi)配備跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù)通訊周期為20 ms，具備彈丸跟蹤能力，系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)流程見圖3，打擊過程如下：

1）大口徑艦炮火控設(shè)備以水柱形成阻攔導(dǎo)彈為目的控制艦炮擊發(fā)，并通過測速雷達(dá)的紅外脈沖信號，記錄彈丸出炮口的準(zhǔn)時刻T0，并鎖定彈丸出炮口的艦炮架位數(shù)據(jù)；

圖3 艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)功能流程圖

2）火控設(shè)備計算理論彈道，向跟蹤雷達(dá)進(jìn)行彈跡指示；

3）火控設(shè)備接收到跟蹤雷達(dá)反饋的彈丸跟蹤數(shù)據(jù)（對齊到開火時刻），進(jìn)行彈道濾波；

4）火控設(shè)備可根據(jù)彈道偏差數(shù)據(jù)，分離部分射擊誤差如彈道氣象等信息；

5）火控設(shè)備進(jìn)行彈跡預(yù)測，估算彈丸落水時刻和位置信息；

6）通過艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，共享即將出現(xiàn)的水柱信息；

7）小口徑近防艦炮武器系統(tǒng)修正目標(biāo)未來點(diǎn)預(yù)測模型進(jìn)行射擊；

8）同時形成水柱阻攔和彈幕攔截的火力到達(dá)控制。

其中步驟1）中艦艇編隊通過協(xié)同控制大口徑艦炮的發(fā)射時刻，可以盡可能保證多個水柱同時出現(xiàn)，增加水柱阻攔的范圍；步驟4）中通過分離的彈道氣象誤差信息，也可以在編隊艦炮武器系統(tǒng)中進(jìn)行共享。

3 關(guān)鍵模型與可行性分析

3.1 射擊時間控制

艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)時間緊迫，控制流程嚴(yán)格，大口徑艦炮武器系統(tǒng)在完成彈道跟蹤后，需要在小口徑艦炮發(fā)射之前，向小口徑艦炮火控設(shè)備完成反饋。

在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，如圖4所示，某型大口徑艦炮武器系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)射時刻為T0，通過射表可知1 500 m處落水點(diǎn)飛行時間約為1.86 s，假設(shè)彈丸入水到水柱升起到最大高度需要3 s，并在此時與目標(biāo)相遇，則相遇時刻T2=T0+4.86；假設(shè)小口徑艦炮發(fā)射時刻為T3，1 500 m處命中點(diǎn)飛行時間約為2.25 s，如果要實(shí)現(xiàn)水柱和彈幕同時到達(dá)的效果，可知發(fā)射時刻T3=T2-2.25=T0+2.61。

圖4 聯(lián)合反導(dǎo)時間控制

根據(jù)以上時間估算，如果水柱和彈幕實(shí)現(xiàn)聯(lián)合反導(dǎo)，小口徑艦炮在大口徑艦炮發(fā)射后約2.61 s后即要進(jìn)行擊發(fā)，在這個時間段內(nèi)，主要需要實(shí)現(xiàn)兩個主要功能：大口徑艦炮發(fā)射后，火控設(shè)備立即指示跟蹤雷達(dá)進(jìn)行彈丸跟蹤和落點(diǎn)預(yù)測（分配約1.5 s）；小口徑艦炮火控根據(jù)水柱威脅進(jìn)行預(yù)測模型的調(diào)整和解算諸元的校正（有解算諸元的情況下進(jìn)行調(diào)整，分配約0.5 s）。通過分析艦炮武器系統(tǒng)在1 500 m處聯(lián)合反導(dǎo)在時間反應(yīng)上基本可行。

3.2 彈跡跟蹤和預(yù)測

艦載大口徑艦炮發(fā)射后，測速雷達(dá)可測得的彈丸出膛的紅外脈沖信號以及彈丸初速，火控設(shè)備在收到該信號后，綜合利用捷聯(lián)垂直基準(zhǔn)的艦艇姿態(tài)數(shù)據(jù)以及本艦綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，計算火炮空間指向角，在地面坐標(biāo)系下采用彈道積分方法［6］，求解彈丸出膛后經(jīng)過K個火控解算周期在空中飛行的運(yùn)動參數(shù)，即位置和速度值，當(dāng)前運(yùn)動參數(shù)由火控設(shè)備用于指示跟蹤雷達(dá)捕獲跟蹤彈丸，所用的外彈道模型為：

火控設(shè)備對接收的彈道測量數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波進(jìn)行平滑處理，求取地理坐標(biāo)系下的彈丸測量數(shù)據(jù)即位置和速度。由于擊發(fā)后艦艇在運(yùn)動，因此，各彈道點(diǎn)數(shù)據(jù)均要修正到艦炮射擊時刻，主要是修正擊發(fā)后的本艦航程，x方向修正公式為，y方向修正公式為為第i個周期的本艦航程在x、y方向的分量。

獲取彈丸跟蹤濾波處理的信息后，采用3.3節(jié)彈道氣象誤差提取方法，根據(jù)修正后的氣象參數(shù)、彈丸初速，以及彈丸被穩(wěn)定跟蹤時刻的當(dāng)前運(yùn)動參數(shù)，在地面坐標(biāo)系下采用彈道積分方法實(shí)時積分，預(yù)估未來彈丸數(shù)據(jù)即位置和速度。比較彈丸高度數(shù)據(jù)與海平面高度數(shù)據(jù)（假設(shè)海平面高度為0）的高度差，若大于給定的閾值δ繼續(xù)積分，直至高度差<δ，此時彈丸位置數(shù)據(jù)，即為所求解的彈丸水柱坐標(biāo)。

3.3 氣象偏差提取

引起彈道偏差的因素有很多，對于大口徑艦炮而言，除測速雷達(dá)可以測量彈丸發(fā)射后的實(shí)際初速外，彈道偏差的一個主要來源是彈道氣象誤差，因此，盡可能地分離氣象偏差，短時間內(nèi)可以共享給其他艦炮武器系統(tǒng)，提高射擊精度。

建立偏差模型，通過彈道微分方程的泰勒級數(shù)展開，并保留一階項，可得到氣象因素對彈道偏差的影響，需要辨識參數(shù)向量為：

表示為Y=AX；

其中，△P為氣壓偏差，△T為氣溫偏差，△Wy為橫風(fēng)偏差，△Wx為縱風(fēng)偏差，△x、△y、△z分別為彈道偏差在3個坐標(biāo)軸上的分量。

根據(jù)當(dāng)前使用的氣象參數(shù)，結(jié)合修正量X，得到修正后的氣象參數(shù)；利用修正氣象參數(shù)以及彈丸被穩(wěn)定跟蹤時刻的位置和速度，當(dāng)作彈道方程重新計算的初始條件，進(jìn)一步提高彈丸落點(diǎn)的預(yù)測精度。

3.4 火控預(yù)測模型調(diào)整

以某小口徑艦炮火控多模型自適應(yīng)跟蹤算法為例［7-9］，對于機(jī)動復(fù)雜的目標(biāo)而言，同一時刻采用多個模型完成濾波，根據(jù)它們的似然函數(shù)，計算每一個模型的正確概率，然后求它們的加權(quán)和。改進(jìn)后的多模型算法結(jié)構(gòu)如圖5所示，大口徑彈丸采用水柱攔截模式計算諸元，發(fā)射后由于采用彈跡跟蹤預(yù)測模式，能夠馬上較為準(zhǔn)確地預(yù)知水柱信息；小口徑艦炮采用跟蹤集火射擊模式，在進(jìn)行加權(quán)系統(tǒng)計算時，充分考慮到水柱即將產(chǎn)生的“區(qū)域拒止”效果，修正當(dāng)前濾波器加權(quán)系數(shù)，保證小口徑彈丸向更多的非水柱區(qū)域進(jìn)行集火射擊，提升艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合攔截概率。

圖5 多模型算法結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合艦炮武器系統(tǒng)的特點(diǎn)，以艦炮火力精確控制為出發(fā)點(diǎn)，提出基于相控陣?yán)走_(dá)建立艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，分析了共享火控數(shù)據(jù)的內(nèi)容和要求，并以小口徑和大口徑艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)為例，展現(xiàn)了一體化火控網(wǎng)絡(luò)提升反導(dǎo)攔截概率的能力，該火控網(wǎng)絡(luò)也可應(yīng)用于艦艇編隊作戰(zhàn)，結(jié)合新型激光炮和電磁軌道炮裝備，進(jìn)一步提高防空反導(dǎo)和區(qū)域火力兼容控制能力。