基于SAR的远程精确打击应用

佘燕翔，张海峰，曹唯伟

（中航工业雷达与电子设备研究院，江苏 无锡 214063）

基于SAR的远程精确打击应用

佘燕翔，张海峰，曹唯伟

（中航工业雷达与电子设备研究院，江苏 无锡 214063）

利用SAR（合成孔径雷达）探测识别并将目标定位，将目标的位置信息送给制导炸弹，通过制导炸弹精确打击目标，实现防区外精确打击或战略轰炸是远程轰炸的发展趋势。对联合直接攻击弹药（JDAM）的研发情况进行了描述，结合当前SAR的发展状况，对采用SAR图像进行目标识别定位，通过制导武器进行防区外武器投放精确打击地面固定目标探讨，提出了基于SAR进行制导武器投放控制的一种思路。

联合直接攻击弹药，小直径炸弹，合成孔径雷达，轰炸，制导

引言

国外战斗机和轰炸机已装备SAR用于对地精确打击，如F-15战斗机和F/A-18战斗轰炸机以及B-2、B-2A轰炸机。美国西屋公司的AN/APG-76多模式合成孔径雷达已经出口以色列，用于装备F-4E空中优势战斗机，SAR分辨率为1 m～0.3 m、可投放空地导弹及联合直接攻击弹药。

美国AN/APQ-181配装B-2飞机，在高度13300 m，可同时攻击32个目标，其SAR2模式可进行目标识别、定位，可用AGM-154C滑翔炸弹进行攻击，投放JDAM及各种炸弹。

目前，美军现役战机如B-2A、B-1B、B-52、 F-22A、F-16C/D/E/F、F-15E、F-117A、F-14A/B/D、AV－8B、P-3C；S-3B等装备有SAR功能的雷达，都可以投放JDAM，只是海、空军飞机投放的型号略有差别。

根据Increment3.1升级计划，F-22A“猛禽”战斗机将获得合成孔径雷达，小型SDB炸弹投放能力以及电子战设备。

用光学轰炸瞄准具或常规轰炸雷达进行瞄准投放常规炸弹的方法已不适应现代战争的需要。制导炸弹已成现代战争中空对地的主要攻击武器。装备具有SAR功能的雷达，通过SAR对目标进行精确定位，使用GPS制导炸弹实现精确打击或战略轰炸是一种发展趋势。

1 JDAM弹药

卫星制导炸弹是在现役普通炸弹上加装惯性/卫星定位（INS/GPS）制导装置，利用卫星定位系统引导、攻击所指定的目标。有SDB（小直径炸弹）炸弹、“联合直接攻击弹药（JDAM）”（增程型号为JDAM-ER）、“联合防区外攻击武器（JSOW）”（一种由INS/GPS制导的滑翔炸弹），典型代表为美军的联合直接攻击弹药，其具有昼/夜、全天候、防区外、投射后不管、多目标攻击能力，是最先研制成功的第四代制导炸弹。

美国发展的制导炸弹型号最多，其次是俄罗斯、法国、以色列、英国和南非等。中国正在研发一系列防区外投射的中国版本JDAM制导炸弹。

1.1 JDAM弹药的组成及原理

JDAM由战斗部、悬挂螺栓、内置1 760数据总线接口、保护夹壳、炸弹尾锥体整流罩、尾部舵机、制导舱、电缆和尾部控制舵面等组件组成。实际上是用新的INS/GPS制导组件配合现有的战斗部、引信和控制组件组装而成的精确制导炸弹。

图1是JDAM GBU-32构型示意图。

图1 JDAM GBU-32及其分解图

JDAM的制导系统包括导航系统和控制系统。导航系统提供位置和速度信息以及自动驾驶仪所需的弹体角度率和加速度信息；控制系统根据导航系统提供的炸弹位置和速度信息，与已知的标称弹道和目标位置信息进行综合，根据所设计的控制律控制炸弹飞向目标。

JDAM的弹尾有4片控制舵面，其中3片是可动的，1片是固定的。3片可动舵面根据任务计算机传来的控制偏转指令，不断调整炸弹的飞行轨迹。

投弹后，攻击动作就由JDAM在制导系统的引导下自主完成。JDAM在自由下落过程中，还可分为投放阶段、优化制导阶段和攻击阶段。攻击动作过程如图2所示。

图2 攻击动作过程示意图

1.2 JDAM弹药的性能特性

JDAM制导炸弹的最大射程为28 km，改进型（JDAM-ER）最大射程为75 km～110 km，“小直径炸弹（SDB）”，是美军研制中的最新、最轻、真正小型化的JDAM炸弹，GBU-39/B射程74 km。

JDAM具有离轴发射能力，可在设定的命中角30°左右范围内进行侧向攻击。载机如以12 200 m高度，使用0.8 M的速度投弹，可在限定的区域内攻击任何目标。所以它可攻击纵轴24.1 km、横轴30.4 km椭圆形区域内的目标，命中目标精度为13 m。

JDAM除可由作战飞机从低、中、高空实施水平轰炸外，还可实施俯冲和上仰轰炸；既可实施定轴轰炸也可实施离轴轰炸；既可同时攻击多个目标，也可同时攻击单个目标的不同部位；既可攻击预定计划的固定目标，也可攻击载机飞行过程中发现的新目标。

2 SAR与目标定位

2.1 SAR的基本性能

SAR是一种能够远距离全天候进行高分辨力微波成像的雷达，其分辨力与距离无关；它的高分辨率图像可以用以精确定位地面目标，它的远距离成像能力可以用于空对面远距离精确打击目标。

SAR的成像距离与雷达的功率等有关，同时也与入射角、高度有关，在雷达的功率等性能参数一定的情况下，受到入射角和高度的限制。图3为入射角87.4°时，高度与成像斜距的关系图。

图3 87.4°入射角时，斜距与高度关系曲线

对不同的目标进行探测、识别、辨别要求的分辨率不同，如对车辆、地面停放的飞机进行识别，分辨率在0.6 m～1.5 m，识别的分辨率在0.3 m～1 m；对桥梁、军事驻地、机场设备进行识别，分辨率在2 m～4.5 m，辨别的分辨率在0.6 m～1.5 m。空对地打击的SAR分辨率通常在0.3 m～1 m。

SAR的不足之处是它不能对载机前方的地形成像，在载机前方航迹线±20°范围内的地形成像效果很模糊，不能用以对目标进行识别定位。

2.2 目标定位

2.2.1 粗定位

粗定位是根据SAR成像画面求解画面上各点的经纬度坐标。在SAR的画面上用十字线压上目标，然后根据SAR画面上十字线所压目标的距离和方位角及载机的经纬高、航向等信息求取十字线指定目标的经纬度坐标Ms（λs，Φs）。

如图4所示，用十字线指定画面上的攻击目标M并确认，雷达根据十字线指定目标M到载机的斜距Rc和孔径中心方位角θac，结合载机上的INS/GPS提供的载机经纬高及相关飞行参数，通过oxy为图像坐标系、空间直角坐标系OXYZ、地理坐标系OXEYNZS、地心坐标系OeXeYeZe之间的转换，可求取SAR图像各对应像素点的经纬度［7］。

图4 机载SAR成像定位坐标转换关系图

机载SAR图像上每一点的经度和纬度分别为：

Re为地球长半径，Re=6 378 140 m，地球椭球扁率a=1/298.257，地球短半径Rp=（1-a）Re。xe、ye、ze为目标M在地心坐标系OeXeYeZe中投影。

2.2.2 精确定位

精确定位是以SAR图像上点Ms（λs，Φs）为中心，在卫星数字地图上提取以Ms（λs，Φs）为中心的卫星数字地图图像作为基准地形图像，采用基于特征匹配的图像匹配方法将以Ms（λs，Φs）为中心的SAR图像和卫星数字地图图像进行特征匹配，将SAR图像平移、旋转后与数字图像重合，依据卫星数字地图中各点的经纬度坐标来度量SAR图像上各点的经纬度坐标。

3 基于SAR的轰炸控制与瞄准

3.1 轰炸原理

以水平轰炸为例进行探讨。采用连续计算投放域（CCRR）的原理进行瞄准轰炸。

CCRR瞄准的基本原理：在载机接近目标的过程中，由机载火力控制系统不间断地、实时地计算出载机正确投弹区域（投放域），并与载机现实位置进行比较，从而求出载机到投放域的机动飞行信息，由飞行员操纵载机向投放域飞行，当载机飞行到投放域（“篮筐”）内，控制系统自动发出投弹信息。

不同的制导炸弹其投放域不同，它的形状和大小取决于载机飞行高度、速度、离轴角、制导炸弹的气动参数与弹体参数等。下页图5是连续计算投放域CCRR的投放示意图。

3.2 弹药分配

在成像画面上指定要轰炸的目标，并获取目标位置信息，SAR画面上指定的目标自动填入目标区。可以用多个炸弹打击同一个目标，也可以用一个炸弹打击一个目标。弹药的分配可以由轰炸员人工分配，也可以自动分配。

图5 连续计算投放域CCRR示意图

目标用M表示，炸弹位号用B表示。根据画面上的弹药分布表进行分配并在画面上显示分配结果。如图6所示的目标/弹药分配。

图6 目标/弹药分配示意图

3.3 瞄准

3.3.1 方位瞄准

通过SAR将目标定位后，设目标的经纬度为M（λ1，Φ1），载机的即时经纬度为F（λ2，Φ2）。

载机位置F点到目标位置M两点连线相对于正北的夹角（方位角）Km为：

其中：Δλ=λ1-λ2，ΔΦ=Φ1-Φ2

方位瞄准原理如图7所示。

设轰炸区域中部目标M（λ1，Φ1）与载机F（λ2， Φ2）点的连线为瞄准线，根据M（λ1，Φ1）与F（λ2，Φ2）点的经纬度坐标实时计算瞄准线的瞄准角Km，同时计算方位转弯信号ΔK（即方位瞄准误差），ΔK= Km-（Kj+Ψ），方位瞄准的过程就是操作飞机使ΔK= Km-（Kj+Ψ）逐步趋于0的过程。ΔK＞0时，飞机向右转，ΔK＜0时，飞机向左转，可根据画面上的提示进行人工瞄准，也可通过全球定位辅助瞄准系统自动瞄准。在轰炸学中，Ψ是由于退曳Δ引起的横偏角，与制导炸弹的离轴角相比可忽略。

图7 方位瞄准原理示意图

3.3.2 距离瞄准

距离瞄准是在完成方位瞄准后，在飞机进入正确的轰炸航线前提下，继续按轰炸航线飞行，使飞机到瞄准点（目标M）的距离满足弹药的投放条件。即根据载机飞行高度、速度，制导炸弹的离轴角、气动参数与弹体参数等实时计算弹药的射程Ax并与飞机到瞄准点的距离FM比较，当FM-Ax≤0，完成距离瞄准。

3.4 投放

当满足投放条件时，“篮筐”闪烁，说明投弹初始条件已经建立，可投射JDAM炸弹。对以多目标攻击，需要实时计算攻击多个目标的投放条件。

投放条件如下：

4 精确打击应用流程构想

4.1 地面准备

制定作战任务计划，内容包括明确作战目标、预计使用的弹药准备、预定航线准备、备用航线准备、雷达功能使用准备、航线上主要航路点设定、4颗跟踪卫星以及备份卫星的序号、制导炸弹数量、预定投弹点位置坐标以及投弹初始条件、命中目标时的参数（如命中角）、执行任务需要的数字地图等。将任务计划内容通报作战飞行人员，并将制成的作战计划任务数据装入机载任务计算机。

作战计划任务航线如图8所示。

计划打击目标M，设置航路点A、B、C、D、E、F、T。载机从A点出航，沿航路线飞行，到达B点后进入航路，在BC段进行空中准备，CD段成像寻找目标，DE段高分辨率成像定位，EF段进行弹药分配和装订目标数据，FT段瞄准，进入投放域后开弹舱投弹。

图8 作战计划任务航线准备

4.2 空中准备

设置航路点，根据导航画面，沿预定航线出航。接通制导炸弹电源进行自检测，然后加载任务数据。

如图8所示，到达预定航线点B时，进行空中传递对准，将机载INS/GPS系统的全部导航信息，传递给弹载INS/GPS系统，并加上精确的时间标记，以便对每颗INS/GPS制导炸弹进行标定，以保证在一个稳定精确的坐标系统中完成瞄准和攻击任务。

4.3 目标成像及定位

如图8所示，到达预定航线点C时，雷达开辐射，飞机沿CD航线飞行，先用RBM（真波束地形测绘）方式扇扫COP区域，用十字线压上预定攻击目标M位置，雷达天线指向目标M区域，对M点周围地形进行宽幅前斜视成像寻找目标，当画面上出现桥梁时，锁定画面，雷达自动保存图像数据并完成图像匹配，用十字线压上桥梁目标M（λ，Φ）的具体位置，如图8中ST1图像。

以M（λ，Φ）点为成像中心，雷达转入高分辨率SAR成像，飞机沿DE航线飞行，当画面上出现桥梁时，锁定画面，雷达自动保存图像数据并完成图像匹配，用十字线压上桥梁上想要轰炸的位置，并通过“确认”按键确认要轰炸的目标，如图8中ST2画面，通过十字线可对画面上任意目标进行精确标定，标定的目标将在画面上给出目标标识符和目标编号，目标信息包括经纬度坐标、目标编号等保存到目标列表中。经图像匹配后的SAR图像保存在图像存放区以便调用。

一旦完成目标定位，雷达就可以关闭辐射。

4.4 弹药分配及数据装订

在EF段，进入方位瞄准过程的同时，轰炸员从SAR图像存放区提取已标定目标的画面，通过“弹药分配”控制键弹出“目标/弹药分配表”（见图6），根据指定的目标，从目标数据区和弹药区选择目标和弹药，选中的目标和弹药自动发送到“目标/弹药分配表”中。确认目标/弹药分配表，如果要调整弹药分配，可以对目标/弹药分配表进行调整，一旦确认无误，即可通过“装订数据”命令键，按照目标/弹药分配表的配置将载机的经纬高、速度、所要攻击目标的坐标、炸弹命中角数据及所要跟踪的每个卫星的星历表、GPS绝对时间和电离层/对流层延时估算值等，通过数据总线装入弹载任务计算机。“目标/弹药分配表”见图6所示。

4.5 瞄准和攻击

在FT段进行瞄准，通过“瞄准攻击”画面进行瞄准攻击，如图9所示。

图9 瞄准攻击画面

攻击画面上具有载机位置标识符、目标标识符、载机F到目标M的实时瞄准角、目标相对于载机的距离、方位瞄准误差ΔK控制信息、篮筐、瞄准线、方位操纵线、载机高度、航速、航向等信息。多目标打击时，轰炸员在SAR画面上从轰炸的目标中选择一个中部的目标进行瞄准，瞄准可人工完成，也可以自动完成。

首先进行方位瞄准，方位操纵线与瞄准线重合后进行距离瞄准，当载机飞到距目标一定距离时，打开机身下的武器舱门，投射架处于弹射投放准备状态；当载机飞进入“篮筐”之内时，“篮筐”闪烁，目标进入制导炸弹有效打击距离范围内，表示投弹初始条件已经建立，可投射JDAM炸弹。

可由火控计算机控制自动投弹，也可以人工投弹。炸弹与载机安全分离后，弹载GPS接收机一旦快速截获机载GPS接收机所跟踪的4颗选定卫星，炸弹便进人自主攻击预定目标阶段，各自沿预定弹道飞向各自目标或同一目标的不同部位。

炸弹从武器舱内按预定顺序投放完毕，载机立即关闭舱门并沿预定航线返航。也可通过SAR对轰炸区域再次成像，对轰炸效果进行评估。

5 结束语

和传统的轰炸方式相比，采用SAR进行目标精确定位，然后根据目标的位置操作飞机转弯飞行进行瞄准，采用GPS制导炸弹对目标实施远距离精确打击，是未来精确打击的发展趋势。本文的研讨为精确打击提供了一种思路和设想，对于精确轰炸技术发展具有积极的推动作用，文中还有许多技术要点有待进一步深化研究。这种基于SAR的精确打击技术不但可以用于机载武器火控系统，也可以用于导弹末制导精确打击中。

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Discussion on Application of Long-range Precision Attack Based on SAR

SHE Yan-xiang，ZHANG Hai-feng，CAO Wei-wei
（Radar and Avionics Institute，Aviation Industry Corporation of China，Wuxi 214063，China）

The target is detected，recognized and located by using SAR，and the target location information is sent to the guidance bomb.The target is attacked precisely by guidance bomb;therefore，to realize standoff precision attack or strategic bombing is the trend for long-range bombing.This paper focuses on the development of Joint Direct Attack Munition（JDAM）.According to the development of SAR technology，the situation of conducting target recognition and location via SAR image and standoff weapon delivery to attack ground fixed target by guidance weapon is discussed.Finally an idea for guidance weapon delivery control based on SAR is presented.

JDAM，SDB，SAR，bombing，guidance

TJ630

A

1002-0640（2014）09-0005-06

2013-07-15

2013-09-06

佘燕翔（1957- ），男，云南玉溪人，研究员。研究方向：机载火控雷达总体技术、轰炸雷达总体技术。