基于引信天线波束控制的引战配合模型

冯清娟

(北京信息科技大学，北京　100101)



基于引信天线波束控制的引战配合模型

冯清娟

(北京信息科技大学，北京100101)

针对高速弹目交会条件下，传统引战配合模型引战配合效率低的问题，提出了基于引信天线波束控制的引战配合模型。该模型能根据不同目标类型、不同弹目交会条件调整引信天线波束倾角，控制引信的启动区，使引信的启动角和最佳起爆角重合，实现引信的最佳起爆控制。计算机仿真结果表明，这种引战配合模型可以根据不同弹目交会条件改变引信天线波束倾角，从而实现基于引信天线波束控制的最佳引战配合。由于该模型是基于“触发即启动”原则，无需进行延时控制，这也避免了计算延迟时间带来的误差。

引信；引战配合；天线波束控制

0　引言

在现代战争中，防空导弹所要对付的目标种类很多，既要对付普通的飞机目标，又要对付导弹等高速目标，这就使导弹与目标的交会条件变化范围变的很宽，如何使导弹引信在各种交会条件下都能适时起爆战斗部，实现最佳引战配合成为防空导弹作战的主要任务[1-3]。

为了提高引战配合效率，从目标探测的角度来分析，目前的技术方案有三种。第一种是采用前倾的单波束天线并加大引信启动延迟时间[4]，即采用反导弹时的天线波束倾角，在反飞机时加大引信启动延迟时间。这种方法在对付高速目标时延迟误差较小，但是在对付低速目标时，随着引信延迟时间的加大，延时误差会很大；第二种是采用两组天线实现双波束[5]，即对付飞机目标时采用较大的波束倾角，对付导弹目标时采用较小的波束倾角。这种双波束天线使引战配合效率得到了很大提高，但不能保证在各种交会条件下都有着最佳的引战配合，即保证不了引战配合效率的均匀性；第三种是采用相控阵技术，使引信波束在一定范围内分档可调[6-7]。由于这种方法的波束可调，所以引战配合效率的均匀性较好，同时，延迟时间较短，延迟误差也很小。但其既要控制引信天线波束，又要控制延迟时间，计算量较大，信号处理时间较长。

因此，要提高引战配合效率，特别是高速弹目交会条件下的引战配合效率，就需要根据不同目标类型、不同弹目交会条件下引信的最佳起爆角调整引信天线波束倾角，控制引信的启动区，使引信的启动角和最佳起爆角重合，实现引信的最佳起爆控制。即实现基于引信天线波束控制的引战配合。

1　最佳引战配合准则及假设条件

引战配合准则是设计引战配合算法的依据，本文选引战配合效率最大作为最佳起爆准则，最大破片密度方向瞄准目标作为起爆控制的策略。它侧重工程应用，在研究引战配合效率过程中可绕过目标易损特性研究[8]。

为了便于分析，本文在建立最佳引战配合模型时做如下假设：1)在导弹失控进入遭遇段后，导弹和目标均作匀速直线运动，其速度矢量方向与各自的轴线重合。2)战斗部破片静态飞散方向角为90°，且忽略破片在空气中飞行的速度衰减。

2　基于引信天线波束控制的引战配合模型

引战配合的目的就是调整引信的启动角使其尽可能与战斗部破片动态飞散方向角重合，从而实现最佳引战配合。由于本文采用引信“触发即启动”的原则，即引信的触发角与启动角重合，因此，确定并计算引信触发角与战斗部破片动态飞散方向角是建立引战配合模型的基础。

2.1引信触发角的确定

在工程上，引信触发角一般由引信触发线确定。引信触发线通常是根据引信地面绕飞试验、仿真试验及飞行打靶试验的结果，将引信对目标的启动角随启动距离的变化规律进行统计处理[9-10]，它是相对引信天线方向图所假设的一条角度随距离变化的曲线。由于引信天线方向图绕导弹纵轴具有一定的对称性，引信触发线实际上绕弹纵轴旋转而成一个触发面，在某一平面内，也可用一根触发线表示。

图1是引信触发线在弹体坐标系xmOym平面的示意图。其中：Oxm轴为弹轴正向，vt为目标速度矢量；Ωf0为引信天线主瓣倾角；Ωf为引信触发角；Ri为第i个触发点与引信天线中心的距离；φ为半波宽度；α为目标速度方向与水平方向的夹角，即弹目交会角。

图1　引信触发线示意图Fig.1　Schematic of fuse trig line

根据对空无线电引信回波功率

(1)

式(1)中，P∑为发射功率，σ为目标雷达截面积，λ为引信信号的波长，Gyf为发射天线的增益，Gyj为接收天线的增益；r0为目标距引信中心的距离。

式(1)中，除目标雷达截面积σ外，其他物理量都是可以测得的，在这里假设目标雷达截面积σ与目标进入探测场深度l的平方呈正比关系，那么，弹目交会角为α的目标有效截面积可表示为:

σ=k·(l·cosα)2

(2)

其中：k为比例系数；l为目标进入探测场的深度；α为弹目交会角。

从图1中可以解得目标进入探测场有效长度l的表达式为：

(3)

将式(2)和式(3)代入式(1)可得

PAS=

(4)

引信“触发线”是目标回波功率使引信触发的点的集合，在此，令各点回波功率相等并等于Ph，从而可导出引信触发角Ωf的表达式

(5)

式(5)即为基于引信天线波束倾角的引信触发线模型。从该模型可以看出：引信触发角Ωf是引信作用距离Ri、引信灵敏度Ph、弹目交会角α、引信天线波束倾角Ωf0以及半波宽度φ的函数。

2.2战斗部破片动态飞散方向角的计算

本文在导弹弹体坐标系内确定战斗部破片的动态飞散方向角。在弹体坐标系O-xmymzm中，坐标原点O设在导弹战斗部几何中心，Oxm轴沿导弹纵轴指向弹头，Oym轴取在对称平面内向上，Ozm轴与Oxm、Oym构成右手坐标系。战斗部破片动态飞散角在导弹弹体坐标系内的示意图如图2所示。

图2　战斗部破片动态飞散角示意图Fig.2　Dynamic Dispersion Angle of Warhead Fragments

VR是弹目相对速度；φx是弹目相对速度与Oxm(弹轴)轴的夹角；ωVR是弹目相对速度在ymOzm平面上的方位角；Vf是战斗部中心破片静态飞行速度，假设破片密度沿战斗部圆周均匀分布；ω是目标在ymOzm平面内的脱靶方位角；VC是战斗部中心破片动态飞行速度矢量；φq是战斗部中心破片动态飞行速度矢量与Oxm的夹角。战斗部破片动态最大密度方向与战斗部中心破片动态飞行速度方向一致，即φq为战斗部破片动态最大密度方向角。

根据本文选用的最佳引战配合准则，φq就是引战配合所需的最佳起爆角。

由图2可得：

cosφq=

(6)

即：

φq=

(7)

由式(7)可知：战斗部破片动态最大密度方向角(最佳起爆角)φq是弹目相对速度大小VR及其方向角φx、ωVR、战斗部破片速度Vf及脱靶方位角ω的函数。

2.3基于引信天线波束控制的引战配合模型的建立

由式(5)可以看出，引信的触发角Ωf在导弹弹体坐标系内直接与引信天线波束倾角Ωf0相联系。通过调整引信天线波束倾角可以实现对引信触发角的控制[11]。

引战配合的目的就是调整引信的启动角使其尽可能与战斗部破片动态飞散方向角重合，从而实现最佳引战配合。根据引信“触发即启动”的原则，即引信的触发区与启动区重合，令Ωf=φq。

由式(5)和式(7)可得：

(8)

根据式(8)推导出引信天线波束倾角Ωf0的表达式即为本文所要建立的基于引信天线波束控制的引战配合数学模型。

这种基于引信天线波束控制的引战配合数学模型是引信灵敏度Ph、引信作用距离Ri、弹目交会角α、半波宽度φ以及弹目相对速度大小VR及其方向角φx、φy、φz，以及战斗部破片速度Vf及脱靶方位角φf的函数。根据这些参数，可以确定引信天线波束倾角的角度，从而实现基于引信天线波束控制的最佳引战配合。

3　基于引信天线波束控制的引战配合模型的仿真

由于从式(8)导出Ωf0的表达式非常复杂，但通过计算机可以很容易求解出各种弹目交会条件、各种引信参数条件下的引信天线波束倾角。本文通过计算机仿真，给出了Ri=5m，α=0°，φ=7°，φx=90°，φf=0°，Vf=2 000m/s时的一组引信天线波束倾角随弹目相对速度变化情况的计算结果，如表1所示。

表1　Ωf0随VR的变化情况

可见，这种引战配合模型能根据不同弹目交会条件改变引信天线波束倾角，由于这种模型是基于“触发即启动”的原则，无需进行延时控制，也避免了计算延迟时间带来的误差。

4　结论

本文提出了基于引信天线波束控制的引战配合模型。该模型可以根据不同弹目交会条件，调整引信天线波束倾角，控制引信的启动区，使引信的启动角和最佳起爆角重合，实现引信的最佳起爆控制。计算机仿真结果表明，这种引战配合模型可以根据不同弹目交会条件改变引信天线波束倾角，从而实现基于引信天线波束控制的最佳引战配合。由于该模型基于“触发即启动”原则，无需进行延时控制，这也避免了计算延迟时间带来的误差。该模型为提高高速弹目交会条件下的引战配合效率提供了一种新的技术手段。

[1]马宝华.现代引信的控制功能及特征[J].探测与控制学报，2008，30(1)：1-5.

[2]施坤林，黄峥，马宝华,等.国外引信技术发展趋势分析与加速发展我国引信技术的必要性[J].探测与控制学报，2005，27(3)：1-5.

[3]赵曦，程明，路明,等.空面导弹引信技术发展浅析[J].飞航导弹，2012，25(1)：17-20.

[4]沈磊，黄忠华.超宽带无线电引信天线设计及仿真[J].兵工学报，2014，35(7):960-964.

[5]简金蕾，李静，任宏斌,等.基于相控阵天线的引信与导引头一体化设计[J].飞航导弹，2011，24(1)：85-89.

[6]陈辛，掌亚军.大攻角交会条件下引战配合分析[J].航空兵器，2010，63(3)：5-9.

[7]张斌.有效应对多种类目标的引战配合技术途径分析[J].现代防御技术，2015，43(1)：39-44.

[8]ZhangYajun,ChenXin.Fuze-warheadMatchingTechnologyofAnti-TBMandCruiseMissileTarget[J].TacticalMissileTechnology，2011，30(1)：40-44.

[9]杨志群.防空导弹飞行试验引信启动特性考核分析[J].舰船电子工程，2014，52(2)：11-15.

[10]吴昌忠，熊小丽.基于天线方向图分析的引信启动性能试验方法[J].制导与引信，2013，56(4)：31-34.

[11]冯清娟，黄忠华.一种基于线性约束最小方差准则的引信天线波束形成算法研究及仿真[J].探测与控制学报，2008，30(5)：19-21.

Fuze Warhead Coordination Model Based on Antenna Beam Control

FENG Qingjuan

(Beijing Information Science and Technology University，Beijing100101，China)

In order to improve the efficiency of fuze warhead coordination, especially the fuze warhead coordination efficiency under the condition of high speed missile target intersection, a fuze warhead coordination model based on fuze antenna beam control was presented. This model could realize the fuze optimal initiation control through adjusting the fuze antenna beam angle and the fuze starting area, make the fuze starting angle and the fuze optimum ignition angle coincident according to different target types and different missile target intersection conditions. The simulation results showed that the model could change the fuze antenna beam angle according to different missile and target intersection conditions, and achieved the optimal fuze warhead coordination. Because the model was based on the principle of “trig and start”, no delay control was required, the error caused by the delay time could be avoided. This model provided a new technical method to improve the fuze warhead coordination efficiency under the condition of high speed missile target intersection condition.

fuze; fuze warhead coordination; antenna beam control

2016-01-21

总装预先研究项目资助(51306040402)

冯清娟(1978—)，女，山西运城人，博士，高级工程师，研究方向：引信天线波束形成。E-mail:fengqingjuan@foxmail.com。

TJ430.1

A

1008-1194(2016)04-0038-04