多源信息融合的引制一体化技术研究

商旭升， 史志忠

(1.海军研究院，北京 100161； 2.上海航天技术研究院，上海 200233)

在空战中,压制和摧毁敌方的预警飞机、反潜机、电子干扰机和侦察机等是取得局部制信息权，夺取战场优势的重要环节。攻击这类机动辐射源的活动目标,最有效的方法是反辐射导弹。当前，先进预警机的最大升限已达到近12000 m,而且速度和机动性能都有了很大的进步,特别是在面临威胁的情况下，可通过短时关机躲避打击。为此,发展一种综合使用多种探测手段，在高空快速攻击预警机的反辐射导弹武器成为重要的发展方向。

随着战场环境的日益复杂，目标性能的日益提高,作战空域的不断扩大,导弹与目标的交会情况变得十分复杂,导弹引信要完成对目标的识别、精确定位、最佳杀伤需要更多的信息。因此必须采取一系列措施以提高引信与战斗部的配合效率。开展制导引信一体化(Guidance Integrated Fuze,GIF)技术研究[1],综合利用制导引信提供的弹目交会信息实现自适应起爆控制是提高引战配合效率的最佳途径之一。具体地说,一体化是指近炸引信和导引头在工作体制、结构和电路设计及信号处理等方面综合考虑，以便引信系统能充分利用弹上制导探测设备所提供的信息，计算出目标相对弹体最佳起爆方位角、最佳延迟时间等参数，自适应控制战斗部起爆，提高引-战配合效率，其中心内容是信息共享和设备共用，最终目的是提高引战配合效率、抗干扰性和可靠性。

目前国内外空空导弹末制导导引头多采用被动红外、微波雷达和毫米波雷达导引头,这些导引头虽然在一定程度上满足末制导段识别和跟踪目标的要求,但存在低的探测概率和不可接受的高的虚警概率问题。传统引信一般采用环视探测方式,探测高速交会目标存在的问题是炸点可能滞后,战斗部破片往往落在目标的尾部,极大地影响了对目标的毁伤效果。采用GIF设计技术,在弹道终端将导引头探测器作为引信探测器使用,通过共享导引头数据的方式实现前视探测,使得引信系统能够充分获取双模导引头提供的弹目交会信息，实现最佳起爆控制,提高引战配合效率。对于前向探测引信,剩余飞行时间是一项非常重要的参数,它和其他参数 (如弹目接近速度、脱靶量、 破片飞散速度、 视线角和目标易损部位等) 一起，通过特定的算法确定战斗部的最佳起爆时间[2]。

武器系统的最终目的是实现对目标的最大杀伤。GIF中心内容是信息共享和设备共用。本文通过对反辐射导弹技术和预警机目标特性综合分析,利用某型导弹为基础,将某型舰载预警机作为攻击目标，初步设计了引战配合系统技术方案。在引战配合过程中，综合利用导弹制导和引信测量信息进行引战配合技术研究，在末端制导过程中根据目标与导弹的相对运动信息进行实时弹目交会情况预测，建立了最佳起爆时机、起爆方向、目标杀伤概率等系统建模，最后通过仿真计算验证了引战配合系统方案的有效性。

1 目标特性分析

GIF系统对于目标特性的研究主要包括3个方面：① 目标近场散射特性直接影响近炸引信启动特性；② 目标易损特性直接影响战斗部的杀伤性能；③ 目标运动和体型特性直接影响引战配合效果，在引战配合规律设计时，应充分考虑不同目标类型的影响。

1.1 目标近场散射特性分析

引战系统必须根据采用的近炸引信类型和参数，如无线电或者激光、工作波段、发射信号、天线方向图、可能的交会条件等参数，对典型目标的近场散射特性开展专项研究。预警机其体型大于常规作战飞机，机身无特殊的隐身设计，或者未见涂覆隐身材料的报道，其远距离、整机条件下的雷达散射截面积(RCS)大于常规作战飞机的RCS值，约为100.0～200.0 m2。另外，预警机具有极强的主动电磁干扰能力。

根据上述某型预警机目标近场散射特性的初步分析，可以概括目标的近场散射特点为：散射特征强、电磁干扰能力强。因此，近炸引信考虑采用毫米波无线电+激光引信复合工作方式，其中，毫米波无线电引信为主引信，激光引信作为辅助探测装置，主要用于无线电引信受干扰情况下替代无线电引信完成对目标的检测。

1.2 目标易损特性分析

防空导弹战斗部对目标造成毁伤就是要破坏目标的各种功能，使其不能完成预定的作战任务，丧失作战能力。大多数情况下，用来评价飞机破坏程度的常用级别是“C”级和“KK”级，预警机的毁伤等级可以按此评估。

为了对预警机目标易损性进行定量研究，根据某预警机的特点，暂将其划分为11个要害舱段，包括：驾驶员、电传系统、燃油系统、液压系统、动力装置、电气系统、火控系统、电子设备、起落架系统、机翼和圆盘天线。初步分析，可以概括目标的易损特点为：易损舱数量众多、体积庞大、分布广泛、防护薄弱。因此，导弹战斗部采用大飞散角+聚焦破片杀伤式方案最为合适，可以依靠大飞散区数量众多、分布范围广的破片对目标要害部位进行广泛打击，依靠聚焦区密度击中的破片流对目标结构部件进行集中打击。这种类型的战斗部对飞机类目标具有打击距离远、空间覆盖广、毁伤效果好、引战配合适应性好等诸多优点。

1.3 目标运动和体型特性分析

目标预警机飞行高度为5～12 km，飞行速度为0.4～0.7 Ma，机动能力为1.0～2.5g，机体长度为17.60 m，翼展为24.56 m，高度为5.58 m。因此，目标E-2D飞行速度慢、机动能力弱、体型庞大，有利于实现良好的引战配合效果，建立的预警机仿真技术模型如图1所示。

目标的运动特性主要指目标运动的速度、高度、位置、姿态、轨迹和机动等。这些运动参数确定了弹目交会时目标的运动状态，它应用于导弹引战配合中的各个方面。目标特性单体应用框架如图2所示。

图1 预警机仿真技术模型

图2 目标特性单体应用框架

2 GIF设计的基本原理

GIF是指引信启动区和战斗部动态杀伤区最大限度的重合，以追求尽可能高的引战配合效率。反辐射导弹攻击动态空中时，由于目标速度变化范围大及其机动范围广、机动能力强，增加了引战配合的难度,必须使导弹在全部交会条件下或至少是较宽交会条件下，都有最佳的引战配合效率和强的抗干扰能力。由于导弹引信系统获得的信息有限，要完成精确起爆点控制，有必要从武器系统一体化设计出发，将引信系统和制导系统看成是两个相互关联的整体来考虑。

2.1 GIF概念

从系统论角度看，对一系统的系统元素保持不变而对之进行重构会导致系统功能质的飞跃，当然对其中大量信息的处理和有用信息的提取以及可靠控制方面,依赖于信号处理技术、探测技术和微电子技术等的发展。

其描述的GIF信息系统[3](见图3)的含义如下。

把输入信息划分成制导输入信息：μl1,μl2,…,μlq-1(包括地面站给的)，引信输入信息μiq,μiq+1,…,μin。

制导输入信息μl1,μl2,…,μlq-1控制导弹对目标的跟踪，在远距离时可表示为

图3 引制一体化信息系统

Kck=Kck(μi1,μi2,…,μip-1,0,…,0)，k=1,2,…,r

(1)

Kfj=0，j=1,2,…,s

(2)

制导输入信息μi1,μi2,…,μip-1和引信输入信息μq,μq+1,…,μln，在近距离跟踪(包括遭遇段)目标和引爆战斗部，此时可表示为

Kck=Kck(μi1,μi2,…,μin)，K=1,2,…,r

(3)

Kfj=Kfj(μi1,μi2,…,μin),j=1,2,…,s

(4)

也就是在近距离时,制导系统利用制导输入信息和引信输入信息完成导弹近距离制导误差修正,并给出了引爆指令,有的现代防空导弹引信除利用了导引头信息外,还参于了制导,例如在遭遇前给出测高信息,修正飞行弹道,以避免导弹碰地起爆,导引头天线和引信天线共用。

上述是GIF的信息论含义,其揭示出引信参于终点制导(或引信终点制导)和引信输出指令利用了导引信息,从而有更高的引战配合效率、抗干扰性、可靠性。

2.2 制导信息形成与传输

随着微电子技术的飞速发展以及微型计算机在导弹中的广泛应用,制导系统获取的对目标的原始探测信息,首先送往弹载计算机,再由弹载计算机对这些信息进行提炼和融合，形成制导信息,然后传输给引信。

制导控制系统中制导采用光学捷联惯导/卫星组合导航，末制导采用低频宽带被动雷达导引头+主被动复合雷达导引头。

中制导采用成熟的组合导航技术，在卫星信号不可用情况下，光学捷联惯导的惯性导航精度可以满足导弹作战使用要求；在卫星信号可用的情况下，自动利用卫星定位信息修正惯性导航误差，可以将导航精度进一步提高。低频宽带被动雷达导引头可覆盖预警机雷达的S～P波段，其被动探测天线拟安装于导弹弹翼表面或弹身表面，可在导弹亚声速超低空飞行过程中实现对预警机目标的航向和俯仰方位测定，并可通过一定的弹道机动和相应的被动定位算法实现对目标的粗定位。主被动复合雷达导引头可在主被动交班后实现对预警机目标的快速准确定位，为后续打击提供必要条件。

根据反辐射导弹的实际情况，引战配合调整变量为导弹速度矢量、弹体姿态角、弹目相对速度矢量、目标类型、目标距离、目标方位角、早晚到。其获取途径初步估计如下。

① 导弹速度矢量：包括速度大小和在弹体坐标系中攻角和侧滑角两个指向角，由导弹惯性导航系统提供。

② 弹体姿态角：包括弹体俯仰角、偏航角和滚动角共3个姿态角，由导弹惯性导航系统提供。

③ 弹目相对速度矢量：包括相对速度大小和在弹体坐标系中倾角和方位角2个指向角，由制导控制系统提供。

④ 目标类型：由武器系统提供，默认为预警机E-2D。

⑤ 目标距离：定义为弹体坐标系中，引信启动时刻目标相对引信距离，由引信测定。

⑥ 目标方位角：定义为弹体坐标系中，引信启动时刻目标相对方位角，由引信测定。

⑦ 早晚到：定义为引信波束探测到目标前，导弹纵轴延长线是否触及目标，已触及为晚到，否者为早到，由引信测定。

制导引战一体化信息融合设计分析如表1所示。

表1 复合制导与引战配合一体化数据分析

3 GIF设计的初步方案

巡航导弹引战系统涉及目标、引信和战斗部等3个方面协调与配合，GIF设计就是针对作战目标特性，依据防空作战需求，在导弹武器总体方案约束下，基于引信利用制导系统信息的前提，建立多变量自适应延迟时间引战系统方案，提供了一种在制导信息的有限性、非适时性和不精确性等情况下，提高引战配合效率的解决方案。

导弹引战系统是在引信探测到目标，引信报警后，引信根据导弹速度矢量、弹体姿态角、弹目相对速度矢量、目标类型、目标距离、目标方位角、早晚到等多个外部变量，自动按引战配合规律进行全公式数字计算，得到对应的延迟时间，延时结束，引信再输出引爆指令，引爆战斗部杀伤目标。导弹引战系统主要组成部分如图4所示。

图4 引战系统基本组成

其中，近炸引信采用毫米波无线电引信+激光引信复合引信。毫米波无线电引信为主引信，激光引信作为辅助探测装置，主要在无线电引信受干扰情况下替代无线电引信完成对目标的检测。两者复合可以探测信息融合，降低引信虚警概率，降低引信被干扰概率，增加引战配合可用信息量，保证全天候条件下对目标E2D的正确探测，提高引战配合效果。

为了提高对预警机的毁伤效果，需要采用末段制导与引战配合一体化技术[4]。充分利用导引头、惯导和引信本身提供的导弹与目标信息需要在末端制导过程中根据目标与导弹的相对运动信息进行实时弹目交会情况预测，结合实现给定的目标几何特征信息，对最佳起爆时机、起爆方向进行实时计算，并调整弹体姿态运动，实现弹体姿态、弹目交会的主动优化。从而在进入引信作用范围后，引信适时起爆，得到更好的毁伤效果。

引战配合规律在引信DSP软件中实现。当引信探测到目标，引信报警后，引信自动根据外部变量实时数字计算对应的最佳延迟时间，延时结束，引信再输出引爆指令。

战斗部采用预制破片杀伤式。破片在弹轴方向分布采用聚焦+大飞散区方式，在安执装置的引爆作用下，爆炸后形成高速破片和冲击波，实现对目标的杀伤，保证复杂弹目交会条件下对目标要害部位、机体结构等的有效杀伤。战斗部各段飞散角示意如图5所示。

图5 飞散角示意图

4 一体化的引战配合计算分析模型

随着防空导弹技术的迅速发展和武器装备的不断更新,为提高防空导弹的作战效能，对导弹引战配合系统提出了更高的要求,本文综合利用制导信息、引信信息，建立了最佳延迟时间和战斗部定向起爆方位角计算模型、引信探测与启动模型、目标杀伤概率计算模型等。

4.1 一体化引信系统定向起爆控制算法

本文所研究的反辐射导弹的制导信息非常丰富,这些信息可以极大地缓解引信在探测和识别目标时面临的信息匮乏的问题[5]。

4.1.1 最佳延迟时间计算模型

从导引头失控到引信起爆战斗部,其时间是非常短暂的,因此可以假定在这段时间内目标以相对速度vMT(弹体坐标系下)接近导弹[6]。图6为弹体坐标系下弹目交会示意图。图6中,O1为引信天线馈心位置,O为战斗部中心,在弹目相对运动过程中,引信天线波束中心首先探测到目标表面边缘点A,由于此时目标的反射能量还不足以启动引信,因此弹目间继续以vMT做匀速相对运动。当引信天线波束中心探测到B点时,目标表面的反射能量使引信启动,B点即为引信启动点。A点与B点之间的距离被称为卷入深度(L0)。此时,引信测得O1点到B点的距离ρ1,从此开始经延迟时间t后,引信起爆战斗部,其破片飞散ΔT后击中目标C点,B点与C点之间的距离被称为偏移矢量(BC)。指向B点的矢量RB可由引信探测信息确定,指向C点的矢量RC可表示为RB和BC的函数,根据弹目相对速度矢量VMT、目标类型,引信可以实时选取BC。

由矢量VMT、RB、RC结合战斗部飞散参数可求出C点穿过战斗部锥体的时间及最佳延迟时间t。

图6 弹体坐标系下弹目交会示意图

4.1.2 起爆方位角的计算模型

延迟t后,C点将会落入战斗部飞散区,成为F点(如图7所示) ,指向F点的矢量RF在弹体坐标系OYMZM平面的投影与YM之间的夹角即为起爆方位角β。矢量RF可由矢量RC和C点穿过战斗部锥体的时间来描述,因此起爆方位角β也是矢量VMT、RB、RC和战斗部飞散参数的函数。

图7 弹体坐标系下目标落入战斗部飞散区示意图

为获得完全理想的引-战配合[7]，在最一般的情况下，需要引信和制导系统提供下述信息：

① 相对速度与弹轴的夹角Ωr和相对速度的方位角ωr。

② 相对速度vr及3个速度分量vrx，vry，vrz。

③ 脱靶量ρ及脱靶点的坐标。

④ 基准点的角位置ω0或弹-目距离R0。

除上述参数之外，战斗部的参数如破片飞散速度v0亦必须知道。 当然，上述参数可以相互导出。例如知道vr、Ωr和ωr时，就相当于给出了相对速度矢量，3个速度分量就迎刃而解了。

4.2 引信探测与启动模型

当目标有效散射点进入引信天线主瓣区，无线电引信接收机通道接收到的目标回波信号满足多普勒频率和能量要求时，无线电引信就给出启动信号[8]。因此无线电引信启动方程由式(5)、式(6)组成，即回波多普勒频率计算公式和相对回波功率公式。

目标回波多普勒频率fd计算公式为

(5)

式中，Vr为弹目相对速度(m/s)；λ为工作波长(m)；θ为目标散射点和引信天线口连线与相对速度的夹角(弧度)。

主动式雷达无线电引信相对灵敏度计算公式为

(6)

式中，Gt为发射天线增益；Ft(φ)为发射天线方向性系数；Gr为接收天线增益；Fr(φ)为接收天线方向性系数；φ为目标散射点和引信天线口连线和弹轴夹角(弧度)；σt为目标等效的雷达散射截面积(m2)；R为弹目距离(m)。

主动式激光引信采用扇形视场探测方式，回波功率Prt计算式为

(7)

式中，PF为激光器发射功率；TF为发射光学系统总效率，取0.85；TC为接收光学系统总效率，取0.8；TQ为大气透过率，取0.99；ρF为物体表面反射率，取0.3；θ为视线与物体表面法线之夹角，取45°；L为被发射视场覆盖的目标部位的长度(投影值)，取0.5 m；SG为接收光学系统有效通光面积，取π×4 m×4 m(Ф8 mm)；φF为发射视场的视野角，取60°；RT为作用距离。

4.3 目标杀伤概率计算

目标被战斗部杀伤形式主要有5种，即单枚破片的机械击毁作用、单枚破片的引燃作用、单枚破片的引爆作用、密集破片流作用和冲击波作用。

因此，目标易损性模型就按对应的战斗部5种杀伤形式建立相应的易损舱，各易损舱所用的易损参数按照俄罗斯提供的典型目标易损舱参数确定[9]。单个易损舱的杀伤概率按各自的杀伤规律计算[10]，整个目标的杀伤概率为

(8)

式中，m为目标易损舱段总数；Pi为整个目标的杀伤概率；Pdj为第j个易损舱的毁伤概率。

5 仿真计算结果

为了定量化地评估导弹引战配合系统效能[11-12]，利用防空导弹引战配合仿真系统对起爆控制算法和引战系统性能进行分析和评估。该仿真系统由参数输入、主程序、数据接口、引战配合性能分析和信息存储5个模块组成，综合利用已经获得物理和打靶的实验结果，建立了主要包括引信接受和信号处理模型[13]、弹目交会模型、战斗部破片飞散模型和目标命中破片模型等的引战配合数学模型[14]，并利用数字计算机模拟了引战配合的全过程,可对多种目标的弹目交会及引战配合过程进行可视化仿真和数字仿真[15]。该软件以某防空导弹攻击预警机目标为例,对引信,战斗部和目标的作用过程进行动态仿真,给出了仿真结果。

在仿真过程中,本文假定:战斗部为破片式,引信为脉冲多普勒体制,制导方式为主动雷达,目标类型为典型靶机。仿真结果表明,利用制导信息后,引战配合效率有明显提高。

以某对空反辐射导弹攻击毁伤预警机为例,导弹飞行速度1000 m/s，目标飞行速度230 m/s，遭遇高度 9 km。战斗部参数:质量70 kg；单枚破片质量3 g；总飞散角30°；飞散方向角中心对称或后倾4°～5°；威力半径18 m(70 kg)；破片飞行初速不小于2200 m/s。图8为战斗部破片飞散方向与作战目标处于3种不同位置下，战斗部破片杀伤区覆盖了目标中心位置的情形。

(a) 条件1：水平攻击，V水平=1000 m/s,V垂直=0 m/s,交会角0°

由于仿真结果可见,利用目标距离、 角度位置估计确定的炸点位置,战斗部破片杀伤区覆盖了目标中心位置,引战配合效果好，引战配合方案合理，技术途径可行。

6 结束语

本文基于复合探测手段,采用末段制导与引战配合一体化技术，充分利用导引头、惯导和引信本身提供的导弹与目标信息来优化引战配合，根据目标与导弹的相对运动信息进行实时弹目交会情况预测，结合给定的目标几何特征信息，对最佳起爆时机、起爆方向进行实时计算，并调整弹体姿态运动，从而在进入引信作用范围后，引信适时起爆，可以达到良好的毁伤效果。仿真计算结果表明：导弹引战系统方案合理，技术途径可行，能够满足导弹攻击空中辐射源目标的需求。