一种基于相控阵引信自适应波束的高效引战配合方法研究

阚 飞， 伍旭东， 刘华宁

(江南机电设计研究所，贵州 贵阳550000)

0 引言

随着航空航天技术的飞速发展，来袭的空中目标以多种类、大范围、高速度、强机动等方式出现，使得导弹与目标的交会情况变得更加复杂，而现代防空导弹武器系统既需要对付低速飞机类目标，还要拦截弹道式导弹等高速目标，导弹和目标的相对速度范围很大(400～4 500 m/s)，使得战斗部动态飞散区变化范围很大，对应的引信启动角范围也很大，采用传统定角引信进行引战配合的延时设计，在反高速目标时，延迟时间较小或受制于引信波束倾角和硬件处理信息能力会出现负延时，延时误差较大或出现炸点滞后，这种方法不能适应当前交会角和相对速度变化范围大的弹目交会环境，引战配合效率较低。本文基于相控阵导引头引信一体化设计平台，综合利用导引头和引信信息，提出了一种基于相控阵引信自适应波束的高效引战配合方法，为解决既反低速飞机类目标又可拦截弹道导弹等高速目标的现代防空导弹武器系统引战配合需求提供了一种思路，同时可以为其它系统引战配合研究提供很好的借鉴作用，对国防建设具有重大意义。

1 引信系统基本原理

在弹目遭遇过程中，当满足一定的作用距离时，导引头跟踪波束自适应切换至引信探测波束，并发射引信所需的探测波形，导引头丢失目标前，将实时测量的弹目交会信息送给引信，引信根据导引头提供的信息和战斗部信息计算战斗部动态飞散中心角，并将回波信号下变频为中频信号后，进行AD 采样，采样信号结合导引头信息通过DBF算法进行引信自适应波束赋形，形成引信所需的探测波束。当引信波束探测到目标时，结合识别的目标脱靶方位控制不同的起爆点起爆战斗部，达到最佳引战配合效果。

根据引战配合设计原则，只有战斗部破片动态飞散区宽度不小于引信启动散布宽度时，才能实现有效地引战配合，从而有效毁伤目标。战斗部破片动态飞散角的最大值和最小值利用以下公式计算。

图1 引信系统基本原理框图

取破片初速V0=2 500 m/s，Vrmax=4 500 m/s，取弹目相对速度为Vr=3 500 m/s，失调角Ωr=20°，则战斗部破片动态飞散角范围为16.3°～50.8°，破片动态飞散中心角约为33.6°。可见高速情况下，战斗部破片飞散区在Vr方向前倾程度严重，引信启动角也应该越靠近前倾，才不会出现炸点滞后等问题。因此，传统的定角引信在兼顾反飞机、TBM 时，不能自适应引信倾角变化，引战配合效率较低，需要研究高效引战配合的方法。

本文提出了一种基于相控阵引信自适应波束的高效引战配合方法，在作战过程中，引信利用导引头提供的相对速度、距离等信息计算战斗部破片的动态飞散区，进而根据动态飞散中心角自适应调整天线波束倾角，控制引信的启动区，使引信启动角与战斗部动态飞散中心重合，达到触发即启动，实现既反低速类飞机目标、又可拦截战术弹道导弹(TBM)高速目标的引战配合兼容，提高防空导弹引战配合效率。具体模型如下。

2 弹目交会模型

导弹和目标交会段又称遭遇段，通常指从导弹制导系统失控至导弹与目标最接近的脱靶点之间的一段运动弹道。在这段弹道上，导弹和目标呈现如下特征[1]：

a)导弹和目标已来不及做机动飞行，因此相对速度矢量的方向基本不变;

b)在进入这段弹道时，目标相对导弹的视线角速度开始发散，导引头开始丢失目标。

根据弹目交会段的上述技术特征，建立简化的交会几何模型。假设交会过程中目标和导弹姿态不变，沿各自的轴线作匀速直线运动，不考虑弹目交会时导弹攻角;战斗部破片飞散在飞行过程中速度大小不变。图2为弹体坐标系下的交会示意图。

图2 弹体坐标系下弹目交会示意图

在弹体坐标系中：ox 1轴为导弹速度方向，假设与导弹纵轴重合;Vr为相对速度矢量，被分解为纵向速度Vrx(导弹纵轴方向)和横向速度Vrzy(垂直于导弹轴方向);B点脱靶点;ρ 为脱靶量;ωr为脱靶方位角;中心破片动态速度矢量V0r是弹目相对速度矢量Vr与中心破片静态速度矢量V0之和;Ω0r为最佳起爆角即动态飞散角。

3 自适应角起爆的引战配合模型建立

如图3，当视线角变化到ξz 时，视线方向恰好与战斗部动态飞散角中心方向重合，显然此时起爆战斗部就是“最佳起爆时刻”，对应的ξz 定义为“最佳起爆角”(ξz根据导引头测量的信息计算，预先装定)。也就是说，交会时，引信探测到目标就给出起爆信号[3]，模型如下。

(1)计算失调角Ωr

遭遇段弹目相对速度与导引头天线指向一致，失调角Ωr可由下式近似为

图3 弹体坐标系下弹目交会示意图

式中：ε，β 分别为目标高低角、目标方位角。

(2)相对速度矢量在弹体坐标系的方位角ωr1

(3)导引头测量的相对速度值Vr

式中：λa为导引头波长。

(4)动态飞散中心角计算

上式中vrx1，vry1，vrz1为相对速度在弹体坐标系中的速度分量：

vrx1=vrcosΩr

vry1=vrsinΩrcosωr1vrz1=vrsinΩrsinωr1

式中：ω0为 破片静态飞散速度方位角(v0在y1oz1平面的投影与Y1轴的夹角);φ0为破片静态飞散速度与弹轴的夹角。

根据战斗部设计的静态飞散角，将相应的φ0入上式得到动态飞散区范围。将波束按照动态飞散区飞散范围赋形，实现“触发即启动”。由于引信从探测到目标到输出启动信号需要一定的时间，设该时间为t0，因此需要将该时间转化为引信波束赋形的前倾量，计算过程如下。

(5)最佳弹目视线角计算

其中破片动态飞散速度为

(6)脱靶量ρ

通过弹目交会过程中两次测量多普勒频率可求得脱靶量ρ[4]。

设在时刻t1、t2分别测得多普勒频率fd1、fd2，则有

由上式得

(7)弹目距离R

(8)目标脱靶点坐标求取

目标在弹体坐标弹体坐标系中的瞬时位置为

目标在脱靶点位置时，与导弹的径向速度为0，因此，将R(t)对t求导，并令其等于零，得到目标自基准点运动到脱靶点的时间tρ为[4]

将tρ带入(6-19)式得脱靶点的坐标为

(9)战斗部起爆至破片命中目标时间tv0

设目标相对速度坐标系到弹体坐标系的转换矩阵：

(10)最佳起爆C点坐标求取

(11)引信波束赋形前倾角计算

设B点为引信波束前倾位置，则B点坐标为

则前倾角α为

通过上面分析计算，可将波束倾角按照动态飞散区减去前倾角360°赋形，实现“触发即启动”。

4 引战配合仿真

针对不同目标类型，选取相对速度范围为(400～4 500)m/s计算不同方位的动态飞散角统计如表1所示。

表1 仿真计算统计结果

由表1数据可知，从(400～4 500)m/s相对速度档中，选取特征点弹道数据进行引战配合计算，初步统计得到各种交会条件下全方位对应的战斗部破片中心动态飞散角度范围20.2°～68.6°，利用DBF 引信波束赋形技术使引信波束倾角等于战斗部中心破片动态飞散角，根据“触发即启动”的原则实现最佳引战配合;引战配合仿真效果如下。

图6 动态飞散角为20°～50°的24波束赋形效果图

从图4和图5可以看出，形成不同个数的波束，也会影响前倾角的大小;从图4、图6和图7对比分析可以看出，不同的交会姿态，前倾角的大小也不一样，从图4～图7分析可以得到，在360°方位上，前倾角的大小不同，理论上引战配合效果良好。

图7 动态飞散角为20°～50°的16波束赋形效果图

5 结论

本文针对现阶段同时实现既反低速飞机类目标又可拦截弹道导弹等高速目标的高效引战配合难题，本文基于相控阵导引头引信一体化设计平台，综合利用导引头和引信信息，提出了一种基于相控阵引信自适应波束的高效引战配合方法，该方法通过控制引信自适应形成不同弹目交会条件下探测波束倾角，使引信启动角和动态飞散角重合，实现引信“触发即启动”，不用计算延时，解决了传统定角引信延时控制算法对高速目标炸点滞后，不能命中目标的情况，提高了引战配合效率。通过仿真验证了引战配合模型的准确性和高效性，并得出在一定交会条件下，理论上引战配合效果良好。