近程高射速反导舰炮武器系统大闭环校射新方法

黄义，汪德虎，黄景德，孙续文

（海军大连舰艇学院导弹与舰炮系，辽宁大连 116018）

0 引言

现代反舰导弹的突防能力进一步增强，对水面舰艇构成了致命威胁。为了有效抗击反舰导弹，提高水面舰艇战场生存能力，各国海军都极为重视舰艇防空体系建设，大力发展远、中、近全域覆盖的防空反导体系。近程反导任务由高射速小口径舰炮承担，高射速小口径舰炮主要靠密集的弹幕反导，射击诸元精度一定的情况下，射速越高，弹幕越密，反导效果越好。另一方面，继美国研制的“密集阵”近程反导舰炮武器系统首次采用大闭环校射来提高射击精度以来，近程反导舰炮武器系统多采用闭环校射技术来提高反导效能。但是，射速提高到一定程度后，观测跟踪器不能逐发测量弹丸脱靶量，而现行的闭环火控系统校正量模型是基于逐发测量弹丸脱靶量的，致使闭环校射无法实施，射击诸元精度和反导效果均降低。本文探讨近程高射速反导舰炮武器系统基于非逐发测量脱靶量进行闭环校射的新方法。

1 新方法的提出

大闭环校射的基本原理是:利用在连续射击过程中弹与弹之间脱靶量的相关性，由先前发射的弹丸的脱靶量，根据相关性，预测即将发射的弹丸的脱靶量，从而将其校正［1］。目前，近程反导舰炮大闭环校射火控系统要求逐发测量弹丸脱靶量，进行弹丸与目标的分离和弹丸与弹丸的分离。虽然舰炮射速提高到一定程度后，临近弹丸在空间的位置缩小，观测跟踪器无法逐发测量弹丸脱靶量，但是，近程高射速反导舰炮连续射击过程中弹与弹之间脱靶量的相关性强，可以采用基于非逐发测量弹丸脱靶量进行校正的方法，对观测跟踪器按时间先后实际测量的脱靶量进行滤波，预测未来的脱靶量实施闭环校正。

2 脱靶量的测量与处理

2.1 脱靶量的测量

近程反导舰炮武器系统利用单脉冲炮瞄雷达跟踪目标并采用波门测偏法测量弹丸脱靶量，舰炮射速提高到一定程度后，测偏波门内会出现多发弹丸，由于随机误差，测偏波门内多发弹丸相对电轴的偏差是不同的［2］，离电轴近的弹丸回波信号强，离电轴远的弹丸回波信号弱，根据单脉冲炮瞄雷达信号处理原理，此时可以测多发弹丸合成的脱靶量，测量误差会因弹丸回波的相互影响而增大。

2.2 脱靶量的综合处理

现行的近程反导舰炮闭环火控系统采用逐发测量弹丸脱靶量，利用等距离点脱靶量和tf时刻脱靶量，按误差源将机动误差引起的脱靶量和外部误差引起的脱靶量进行分离，对分离的脱靶量分别进行预测和校正［3］。这种方法要求对脱靶量误差分量的变化规律要有所了解，即要能给出各误差分量的随机差分方程，并已知其统计特征参数［4］。从理论上说这是一种好方法，但在高射速近程反导舰炮闭环校射中由于不能逐发测量脱靶量，各误差分量的数字特征也难以预先获得，采用此方法校射效果并不好，甚至使射击效果变差。由于弹丸的脱靶量是武器系统射击各种误差引起的综合结果，在实际建模时不可能将所有误差都予以考虑，因此，使用等效原理综合处理脱靶量数据［5］。由弹道学知识以及大量仿真计算表明，可以将引起方位脱靶量因素等效为横风偏差，高低脱靶量因素等效为弹丸初速偏差。

2.3 脱靶量的滤波方式

1次连射过程包括开环射击阶段和闭环射击阶段，如图1所示。

图1 闭环校射射击过程Fig．1Firing proccss of closcd-loop spotting

获得脱靶量之后，需要对脱靶量进行滤波，预测校正量。根据滤波所用脱靶量的开闭环性质不同，可分为开环脱靶量滤波和闭环脱靶量滤波［4］。开环脱靶量滤波有2层含义:一是对开环射击阶段发射弹丸的脱靶量进行滤波;二是在闭环脱靶量观测阶段，将闭环脱靶量变换为开环脱靶量进行滤波。闭环脱靶量滤波是指对测得的闭环脱靶量不进行变换，直接用来滤波。由于闭环脱靶量中含有校正量，闭环脱靶量滤波的复杂性因此而增加，使闭环脱靶量滤波的软件变得复杂。所以，选择开环脱靶量滤波。

3 校正量模型

3.1 校正量表示

闭环校射的目的是消除脱靶量，因此校正量为脱靶量预测估计值的负值。设Xo（k）为第k个实际测量的开环脱靶量，X^o（k）为最佳估计，Uo（k）为校正量，则

其中，p为预测超前的脱靶量。闭环脱靶量是开环系统加上开环校正量后得到的弹丸脱靶量，设Xc（k）为闭环脱靶量，则

由测量的闭环脱靶量转换为开环脱靶量的方法是:在指挥仪内部存贮多发弹的开环校正量，当获得第k发弹的闭环脱靶量时，按式（2）求出该发弹的开环脱靶量。

3.2 校正量计算

高射速近程反导舰炮射距近、弹道低伸平直，弹丸飞行时间短，弹丸脱靶量之间的相关性强，假设脱靶量表示为:

将脱靶量数据［ki，Xo（ki）］（i=1，2，…，n）代入式（3）得:

4 仿真计算

假设来袭导弹以零勾径、速度Vm=680 m/s、距炮口水平面高度为0，向水面舰艇攻击，导弹直径0.5 m，近程反导舰炮武器系统开始抗击距离1 500 m （指提前点或命中点距离），射速150发/s。以方向为例，假设在前100发开环射弹中按时间先后测得50个脱靶量数据，分别对射击方向角初始偏差3.0 mrad、射弹散布标准差1.2 mrad和方向角初始偏差5.0 mrad、射弹散布标准差1.2 mrad两种情况，采用一次、二次、三次多项式模型拟和脱靶量进行闭环校射，采用Matlab软件模拟10 000次航路，图1中所示闭环脱靶量观测阶段的命中弹数如表1所示。

分析表1中数据可知:

1）射击方位角初始偏差不同的2种情况下，采用同次数的多项式拟和闭环校射的效果大致相同。比如，采用二次多项式拟和闭环校射时，第1种情况下的平均命中弹数为3.373 4，至少命中1发的航次为4 320;第2种情况下的平均命中弹数为3.294 9，至少命中1发的航次为4 269。说明采用本文的方法闭环校射可以提高射击精度。

2）射击方位角初始偏差不同的2种情况下，采用一次多项式拟和闭环校射的效果均好于采用二次或三次多项式拟和闭环校射。比如，第1种情况下，一次校射的平均命中弹数为12.550 0，至少命中1发的航次为9 956;二次校射的平均命中弹数为3.3734，至少命中一发的航次为4 320。

假设在前100发开环射弹中仅测得30个脱靶量数据，其余条件相同，闭环脱靶量观测阶段的命中弹数如表2所示。

比较表1和表2得出:若测得开环阶段脱靶量的数据减少，闭环脱靶量观测阶段的命中弹数的均值和至少命中1发的航路次数均减少。假设在前100发开环射弹中仅测得10个脱靶量数据，其余条件相同，仿真得出闭环脱靶量观测阶段命中弹数的均值和至少命中1发的航路次数进一步减少。实际使用中，根据作战效能的要求和装备战技性能实际数据，仿真计算出需要测得开环阶段脱靶量数据的最小个数。

用图来显示表1中的命中弹数。由于模拟航路次数较多，人眼无法辨认。为此，模拟100次航路，开环射击、一次校射、二次校射的命中弹数如图2所示。从图2可以看出，采用本文的校射方法可以提高命中弹数。

5 结语

本文针对近程反导舰炮射速提高到一定程度后，观测跟踪器不能逐发测量弹丸脱靶量，现行的闭环校射方法无法实施的问题，提出近程高射速反导舰炮武器系统闭环校射的一种新方法。仿真结果表明，本文提出的闭环校射方法可以提高命中弹数的均值和至少命中1发的概率，从而提高反导效能。

［1］戴自立．现代舰载作战系统［M］．北京:兵器工业出版社，1999．

DAI Zi-li．Combat system of modern naval vessels［M］．Beijing:National Defense Industry Press，1999

［2］汪德虎．舰炮火控原理［M］．北京:国防工业出版社，2009．90－103．

WANG De-hu．Theory of naval gun fire control［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2009．90－103．

［3］黄义．近程反导舰炮武器系统闭环校射研究［J］．火炮发射与控制学报，2008，（4）:25－28．

HUANG Yi．Closed-loop firing correction for close in antimissile naval gun weapon system［J］．Journal of Gun Launch and Control，2008，（4）:25－28．

［4］王基组．舰炮火控系统原理［M］．北京:海潮出版社，1999．211－235．

WANG Ji-zu．Theory of naval gun fire control system［M］．Beijing:Tide Press，1999．211－235．

［5］赵登平．现代舰艇火控系统［M］．北京:国防工业出版社，2008．300－306．

ZHAO Deng-ping．Fire control system of modern naval ship［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2008．300－306．