反舰导弹末制导雷达基于GIS对岛岸附近目标搜索策略

吴 帅，谢春思，李进军，张小东，李 强，郭 策

(海军大连舰艇学院 a.学员五大队; b.导弹与舰炮系， 辽宁 大连 116018)

岛岸附近作战，美海军称为濒海战斗，是海上作战的重要样式。岛岸的遮挡和掩护，成为水面舰艇的天然庇护所[1-3]。而对于攻击方来说，如何能从岛岸背景下搜索到目标，并对其实施精准打击，是反舰导弹作战使用一个亟待解决的问题。从目前可获取文献和资料分析，研究工作主要从技术和战术使用两个方向开展。在技术方面，文献[4]提出了一种利用GIS对岛岸杂波进行消除的方法来抑制岛岸环境对目标搜索带来的干扰，从而避免导弹对岛岸目标的误捕，但方法过于理想，应用前景有限。在战术使用方面，文献[2-4]中在考虑自控终点散布误差的情况下，提出了雷达搜索的最小离岸距离及搜索扇面角的计算方法，但未能具体应用；文献[5]中提出了导弹平行岛岸射击时目标探测的方式，但未能结合复杂多变的地理环境。针对以上方法的不足，本研究提出了基于GIS地理信息系统更加精确的确定导弹的搜索与攻击方向的方法，为导弹的航路规划提供了参考依据。

1 岛岸附近目标选捕的影响

反舰导弹飞抵自控终点时末制导雷达开机对目标进行搜索、识别、选择和跟踪，最后进行打击。但在岛岸背景下，末制导雷达分辨岛岸和目标极其困难，极易将岛岸错捕成目标，给末制导雷达对目标的截获和识别带来困难。

一般来说，岛岸附近的复杂地理背景和岛岸上的建筑均会对反舰导弹末制导雷达捕捉目标产生影响。岛岸的自然地理环境复杂多变，茂密的森林、高耸的悬崖、高低起伏的山脉、岛岸附近零星的礁石，还有纵深狭长的港湾等都会产生强烈的雷达回波[5]。并且，不同质地物理背景的雷达回波也不同，小坡度、低地势的沙土的雷达回波信号较弱，而悬崖、礁石的雷达回波较强。同时，岛岸上高大的建筑物、营区、码头等，也会影响末制导雷达对岛岸附近目标的搜索与捕捉[6]。雷达回波的错综复杂，使得反舰导弹末制导雷达对岛岸附近目标的搜捕变得更加困难。

反舰导弹末制导雷达除对岛岸附近目标搜索存在困难之外，还存在对多目标识别和选择的困难。在对岛岸附近目标搜索和识别的过程中，停泊在码头或低速行驶的商船、游船或渔船，都会成为雷达选择的目标，并且型号不同的船只也会对目标的识别和选择产生干扰，加大了末制导雷达对目标识别和选择的难度[7]。当岛岸被错捕为目标，“岛岸目标”和预定目标混杂在一起，雷达如何从众多岛岸附近目标及岛岸目标中识别和选择出预定目标，是一个需要解决的难题[8]。

2 基于GIS搜索岛岸附近目标可行性分析

在打击岛岸附近目标时，GIS所提供的地形空间信息和描述性信息，能够为反舰导弹末制导雷达搜索目标提供帮助。根据获取的目标位置信息，结合GIS提供的目标区域附近岛岸地理特征信息，可以规划导弹的最佳搜索和攻击方向。同时，通过调整末制导雷达搜索图，使导弹开机后仅覆盖目标区域，从而最大可能避免岛岸环境的杂波干扰。

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一个基于计算机硬件和软件系统，对地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述以及辅助决策的技术系统[9]。它能够很好地描述物质的属性，空间的坐标与时间三者之间的关系，并且能够对空间数据进行分析、综合和查询。

一般的，地理信息系统中储存的地图包括最基本的两个信息：空间信息和描述信息。空间信息是用来描述地理特征的位置和形状及特征间的空间关系，而描述信息则用来反映这些地理特征的组成成分[10]。地理信息系统中提供的岛岸信息包括以下特征[11]。

1) 对岛岸空间查询分析

岛岸空间查询分析主要包括基于空间图形数据的分析运算、基于非空间属性的数据运算以及空间和非空间数据的联合运算。可以准确获得岛岸地理空间信息，提取和传输岛岸地理空间信息，为反舰导弹的末端搜索和攻击方向提供辅助决策。

2) 对岛岸层叠分析

将岛岸不同数据图层叠加在一起进行图形运算和分析，可以产生新的空间图形和属性，确定具有不同地理属性的要素分布，获得岛岸空间隐含信息。GIS对岛岸的层叠分析，可以充分了解岛岸的地理分布、岛岸建筑分布等信息，为反舰导弹的航路规划提供参考。

3) 对岛岸数字地形模型(DTM)与地形分析

DTM主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡向、坡度、地表粗糙度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用分析。不同地形对雷达回波强弱有所影响，GIS所提供的岛岸地形参数分析，便于反舰导弹末端搜索和攻击方向的选择。

从战术使用角度，解决岛岸附近目标搜索的问题，主要方法就是通过提高导弹射击精度、规划末端攻击方向和设置末制雷达搜索图，使得导弹在自控终点开机后，搜索到目标的同时不覆盖到岛岸目标。首先，根据GIS提供的岛岸边缘坐标，目标群中心位置坐标，解算出相对位置关系，计算出最小对岛岸附近目标搜索的距离，据此规划末端攻击方向。然后，根据目标射击距离，结合自控终点的散布误差，确定末制导雷达开机点，保证雷达在对目标区域搜索过程中不会误捕到岛岸上的目标，可极大提高反舰导弹对岛岸附近目标的搜捕概率。

3 基于GIS搜索岛岸附近目标模型

反舰导弹在对岛岸附近目标实施搜索和攻击时，首先要对GIS提供的岛岸边缘位置信息和目标群中心位置进行相对位置的解算。然后，确定反舰导弹末端攻击方向。最小对岛岸附近目标搜索的距离由反舰导弹末制导雷达分辨精度、导弹的自控终点散布误差等因素共同决定。在导弹末端确定的搜索方向上，通过调整末制导雷达自控终点的开机位置以及搜索波门，避免末制导雷达在搜索方向上捕捉到岛岸目标，减少了雷达对目标截获和选择的难度，从战术使用上降低了对末制导雷达性能的要求，增强了导弹使用的灵活性。

3.1 岛岸相对态势的解算

一般来说，GIS信息和目标位置信息坐标系基准不一致，为便于在同一平面内进行处理运算，需要将球面坐标系转换到直角坐标系。然后，解算发射舰船坐标、目标群坐标、岛岸坐标相对位置，并在此基础上完成反舰导弹末端攻击方向的选择[12]。考虑到导弹末制导雷达搜索距离较近，将导弹飞行的表面近似看作是水平面[13]。

为方便计算，采用简化的坐标转换公式。将目标经纬度坐标转换成直角坐标系下的坐标。例如目标位置(x,y)(其中x为目标的经度，y为目标的纬度)转换成以舰船为坐标原点的直角坐标系下的坐标为(X,Y,Z)，设地球的半径为R，那么直角坐标系下转换公式为：

X=Rcosycosx

Y=Rcosysinx

Z=Rsiny

(1)

对于球面的任意两点A(x1,y1)，B(x2,y2)，对应直角坐标系下的坐标为A(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，则AB两点的水平距离L0为

(2)

两点直线距离L1为

(3)

由式(2)可确定目标区域到岛岸最小距离Dmin。

设舰船位置为O(x1,y1)，坐标系中任意一点的位置为C(x2,y2)，则目标点C相对于舰船O点的方位θ为：

θ=arcsinL×180/π

(4)

其中：

L=cosx1sin(y1-y2)l

(5)

(6)

反舰导弹末制导雷达最小对岛岸附近目标搜索距离σ由导弹自控终点的散布误差、末制导雷达分辨精度(包括距离分辨率θd、方位分辨率θλ)共同决定。反舰导弹自控终点的散布误差主要是随机误差，即导弹自控终点的横向和侧向概率误差(Ez，Ex)。文献[14]中给出了Ez和Ex计算的回归公式：

Ez=-95.366+45.255 9·Dzk(Dzk≥5 km)

(7)

Ex=409.359 3+18.954 7·Dzk(Dzk≥5 km)

(8)

其中Dzk为导弹自控飞行距离。

考虑到末制导雷达分辨精度的优先性，在确定反舰导弹最小对岛岸附近目标搜索距离时，应优先满足末制导雷达距离分辨精度θd。则反舰导弹最小对岛岸附近目标搜索距离σ可由导弹自控终点的纵向概率误差及末制导雷达距离分辨精度θd共同确定。

σ=Ez+θd

(9)

3.2 导弹对岛岸附近目标搜索的流程图

图1为反舰导弹末制导雷达对岛岸附近目标搜索的流程图。

在规划反舰导弹对岛岸附近目标搜索航线时，首先从GIS中获取岛岸边缘地理位置信息，结合目标群的中心位置点坐标，根据岛岸边缘坐标分布与目标群中心位置点的相对位置，计算出目标群中心距离岛岸的最小距离Dmin。判断最小距离Dmin是否满足导弹垂直岛岸搜索目标的条件，即距离岛岸的最小距离Dmin要大于导弹末制导雷达距离分辨精度与导弹自控终点垂直岛岸方向的散布误差之和。如果满足距离条件，则选择垂直岛岸方向进行目标搜索。否则，选择平行岛岸对目标进行搜索。通过调整雷达搜索图，避免岛岸干扰。

图1 反舰导弹对岛岸附近目标搜索流程

平面坐标系下，发射舰船对岛岸附近目标搜索的模型如图2所示。

图2 岛岸附近目标搜索模型

如图2所示，点A为发射舰船位置，点B为目标群的中心点，CDE为岛岸线，BD为目标群中心点到岛岸最近距离，长度为Dmin。记导弹最小对岛岸附近目标搜索的距离为σ，大小由雷达距离分辨精度与导弹自控终点散布误差决定。当Dmin>σ时，选择导弹垂直于岛岸BF方向进行目标搜索方位角为(π-α)；当Dmin<σ时，选择导弹平行于岛岸HB方向进行目标搜索方位角为β。

4 算例及分析

在Matlab的环境中，对图2岛岸附近目标搜索模型进行仿真验算。

1)Dmin<σ时反舰导弹对岛岸附近目标搜索模型的仿真

仿真结果如图3所示。

为方便计算，对岛岸线坐标选取进行了简单化处理。图3中曲线DEFBG为模拟的岛岸线，点C为标记的目标群的中心点位置，点A处为发射舰船。本次仿真设置的导弹最小对岛岸附近目标搜索的距离σ=2。经计算，目标群的中心点距离岛岸的距离Dmin=1，小于最小允许距离，则选择平行岛岸飞行的方向进行目标搜索。点H为反舰导弹末制导雷达的搜索扇面，虚线即为雷达搜索目标的航向。由仿真结果可以看出，达到了预期目标，证明了设想的方案的可行性。

图3 Dmin<σ时岛岸附近目标搜索模型仿真

2)Dmin≥σ时反舰导弹对岛岸附近目标的搜索模型仿真

仿真结果如图4所示。如图4曲线DEFBG为模拟的岛岸线，点C为标记的目标群的中心点位置，点A处为发射反舰导弹的舰船。仿真设置的导弹最小对岛岸附近目标搜索的距离σ=2。经计算，目标群的中心点距离岛岸的距离Dmin=2，大于最小允许距离，则选择垂直岛岸飞行的方向进行目标搜索。点H为导弹末制导雷达的搜索扇面，虚线即为雷达搜索目标的航向。由仿真结果可以看出，当目标距离大于最小允许距离时，反舰导弹能够正确地选择垂直岛岸方向进行目标搜索，达到了预期目标。

图4 Dmin≥σ时岛岸附近目标搜索模型仿真

通过调整目标与岛岸距离，验证了在不同距离范围内，设计的模型都能选择正确的搜索方向，从战术方面保证了反舰导弹末制导雷达在覆盖到目标区域的同时不捕捉到岛岸目标，达到了预期目标。证明了所提方案的可行性以及模型的正确性。

5 结论

1) 提出的反舰导弹末制导雷达基于GIS(地理信息系统)对岛岸附近目标搜索方向选择方法，对解决反舰导弹对岛岸附近目标搜索时因岛岸干扰而误捕到岛岸目标的问题有着借鉴意义。

2) 该方法从战术角度避免岛岸干扰，通过判断岛岸与目标距离和导弹末制导雷达不覆盖到岛岸最小距离的大小，选择最佳搜索方向，从而提高反舰导弹末制导雷达的搜捕概率。

3) 根据设想的方案，建立了反舰导弹基于GIS对岛岸附近目标搜索的模型，并对该模型进行仿真，仿真结果验证了该方法的可行性与正确性。