近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)大閉環(huán)校射新方法

黃義，汪德虎，黃景德，孫續(xù)文

（海軍大連艦艇學(xué)院導(dǎo)彈與艦炮系，遼寧大連 116018）

0 引言

現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈的突防能力進一步增強，對水面艦艇構(gòu)成了致命威脅。為了有效抗擊反艦導(dǎo)彈，提高水面艦艇戰(zhàn)場生存能力，各國海軍都極為重視艦艇防空體系建設(shè)，大力發(fā)展遠、中、近全域覆蓋的防空反導(dǎo)體系。近程反導(dǎo)任務(wù)由高射速小口徑艦炮承擔(dān)，高射速小口徑艦炮主要靠密集的彈幕反導(dǎo)，射擊諸元精度一定的情況下，射速越高，彈幕越密，反導(dǎo)效果越好。另一方面，繼美國研制的“密集陣”近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)首次采用大閉環(huán)校射來提高射擊精度以來，近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)多采用閉環(huán)校射技術(shù)來提高反導(dǎo)效能。但是，射速提高到一定程度后，觀測跟蹤器不能逐發(fā)測量彈丸脫靶量，而現(xiàn)行的閉環(huán)火控系統(tǒng)校正量模型是基于逐發(fā)測量彈丸脫靶量的，致使閉環(huán)校射無法實施，射擊諸元精度和反導(dǎo)效果均降低。本文探討近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)基于非逐發(fā)測量脫靶量進行閉環(huán)校射的新方法。

1 新方法的提出

大閉環(huán)校射的基本原理是:利用在連續(xù)射擊過程中彈與彈之間脫靶量的相關(guān)性，由先前發(fā)射的彈丸的脫靶量，根據(jù)相關(guān)性，預(yù)測即將發(fā)射的彈丸的脫靶量，從而將其校正［1］。目前，近程反導(dǎo)艦炮大閉環(huán)校射火控系統(tǒng)要求逐發(fā)測量彈丸脫靶量，進行彈丸與目標(biāo)的分離和彈丸與彈丸的分離。雖然艦炮射速提高到一定程度后，臨近彈丸在空間的位置縮小，觀測跟蹤器無法逐發(fā)測量彈丸脫靶量，但是，近程高射速反導(dǎo)艦炮連續(xù)射擊過程中彈與彈之間脫靶量的相關(guān)性強，可以采用基于非逐發(fā)測量彈丸脫靶量進行校正的方法，對觀測跟蹤器按時間先后實際測量的脫靶量進行濾波，預(yù)測未來的脫靶量實施閉環(huán)校正。

2 脫靶量的測量與處理

2.1 脫靶量的測量

近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)利用單脈沖炮瞄雷達跟蹤目標(biāo)并采用波門測偏法測量彈丸脫靶量，艦炮射速提高到一定程度后，測偏波門內(nèi)會出現(xiàn)多發(fā)彈丸，由于隨機誤差，測偏波門內(nèi)多發(fā)彈丸相對電軸的偏差是不同的［2］，離電軸近的彈丸回波信號強，離電軸遠的彈丸回波信號弱，根據(jù)單脈沖炮瞄雷達信號處理原理，此時可以測多發(fā)彈丸合成的脫靶量，測量誤差會因彈丸回波的相互影響而增大。

2.2 脫靶量的綜合處理

現(xiàn)行的近程反導(dǎo)艦炮閉環(huán)火控系統(tǒng)采用逐發(fā)測量彈丸脫靶量，利用等距離點脫靶量和tf時刻脫靶量，按誤差源將機動誤差引起的脫靶量和外部誤差引起的脫靶量進行分離，對分離的脫靶量分別進行預(yù)測和校正［3］。這種方法要求對脫靶量誤差分量的變化規(guī)律要有所了解，即要能給出各誤差分量的隨機差分方程，并已知其統(tǒng)計特征參數(shù)［4］。從理論上說這是一種好方法，但在高射速近程反導(dǎo)艦炮閉環(huán)校射中由于不能逐發(fā)測量脫靶量，各誤差分量的數(shù)字特征也難以預(yù)先獲得，采用此方法校射效果并不好，甚至使射擊效果變差。由于彈丸的脫靶量是武器系統(tǒng)射擊各種誤差引起的綜合結(jié)果，在實際建模時不可能將所有誤差都予以考慮，因此，使用等效原理綜合處理脫靶量數(shù)據(jù)［5］。由彈道學(xué)知識以及大量仿真計算表明，可以將引起方位脫靶量因素等效為橫風(fēng)偏差，高低脫靶量因素等效為彈丸初速偏差。

2.3 脫靶量的濾波方式

1次連射過程包括開環(huán)射擊階段和閉環(huán)射擊階段，如圖1所示。

圖1 閉環(huán)校射射擊過程Fig．1Firing proccss of closcd-loop spotting

獲得脫靶量之后，需要對脫靶量進行濾波，預(yù)測校正量。根據(jù)濾波所用脫靶量的開閉環(huán)性質(zhì)不同，可分為開環(huán)脫靶量濾波和閉環(huán)脫靶量濾波［4］。開環(huán)脫靶量濾波有2層含義:一是對開環(huán)射擊階段發(fā)射彈丸的脫靶量進行濾波;二是在閉環(huán)脫靶量觀測階段，將閉環(huán)脫靶量變換為開環(huán)脫靶量進行濾波。閉環(huán)脫靶量濾波是指對測得的閉環(huán)脫靶量不進行變換，直接用來濾波。由于閉環(huán)脫靶量中含有校正量，閉環(huán)脫靶量濾波的復(fù)雜性因此而增加，使閉環(huán)脫靶量濾波的軟件變得復(fù)雜。所以，選擇開環(huán)脫靶量濾波。

3 校正量模型

3.1 校正量表示

閉環(huán)校射的目的是消除脫靶量，因此校正量為脫靶量預(yù)測估計值的負值。設(shè)Xo（k）為第k個實際測量的開環(huán)脫靶量，X^o（k）為最佳估計，Uo（k）為校正量，則

其中，p為預(yù)測超前的脫靶量。閉環(huán)脫靶量是開環(huán)系統(tǒng)加上開環(huán)校正量后得到的彈丸脫靶量，設(shè)Xc（k）為閉環(huán)脫靶量，則

由測量的閉環(huán)脫靶量轉(zhuǎn)換為開環(huán)脫靶量的方法是:在指揮儀內(nèi)部存貯多發(fā)彈的開環(huán)校正量，當(dāng)獲得第k發(fā)彈的閉環(huán)脫靶量時，按式（2）求出該發(fā)彈的開環(huán)脫靶量。

3.2 校正量計算

高射速近程反導(dǎo)艦炮射距近、彈道低伸平直，彈丸飛行時間短，彈丸脫靶量之間的相關(guān)性強，假設(shè)脫靶量表示為:

將脫靶量數(shù)據(jù)［ki，Xo（ki）］（i=1，2，…，n）代入式（3）得:

4 仿真計算

假設(shè)來襲導(dǎo)彈以零勾徑、速度Vm=680 m/s、距炮口水平面高度為0，向水面艦艇攻擊，導(dǎo)彈直徑0.5 m，近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)開始抗擊距離1 500 m （指提前點或命中點距離），射速150發(fā)/s。以方向為例，假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中按時間先后測得50個脫靶量數(shù)據(jù)，分別對射擊方向角初始偏差3.0 mrad、射彈散布標(biāo)準(zhǔn)差1.2 mrad和方向角初始偏差5.0 mrad、射彈散布標(biāo)準(zhǔn)差1.2 mrad兩種情況，采用一次、二次、三次多項式模型擬和脫靶量進行閉環(huán)校射，采用Matlab軟件模擬10 000次航路，圖1中所示閉環(huán)脫靶量觀測階段的命中彈數(shù)如表1所示。

分析表1中數(shù)據(jù)可知:

1）射擊方位角初始偏差不同的2種情況下，采用同次數(shù)的多項式擬和閉環(huán)校射的效果大致相同。比如，采用二次多項式擬和閉環(huán)校射時，第1種情況下的平均命中彈數(shù)為3.373 4，至少命中1發(fā)的航次為4 320;第2種情況下的平均命中彈數(shù)為3.294 9，至少命中1發(fā)的航次為4 269。說明采用本文的方法閉環(huán)校射可以提高射擊精度。

2）射擊方位角初始偏差不同的2種情況下，采用一次多項式擬和閉環(huán)校射的效果均好于采用二次或三次多項式擬和閉環(huán)校射。比如，第1種情況下，一次校射的平均命中彈數(shù)為12.550 0，至少命中1發(fā)的航次為9 956;二次校射的平均命中彈數(shù)為3.3734，至少命中一發(fā)的航次為4 320。

假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中僅測得30個脫靶量數(shù)據(jù)，其余條件相同，閉環(huán)脫靶量觀測階段的命中彈數(shù)如表2所示。

比較表1和表2得出:若測得開環(huán)階段脫靶量的數(shù)據(jù)減少，閉環(huán)脫靶量觀測階段的命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的航路次數(shù)均減少。假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中僅測得10個脫靶量數(shù)據(jù)，其余條件相同，仿真得出閉環(huán)脫靶量觀測階段命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的航路次數(shù)進一步減少。實際使用中，根據(jù)作戰(zhàn)效能的要求和裝備戰(zhàn)技性能實際數(shù)據(jù)，仿真計算出需要測得開環(huán)階段脫靶量數(shù)據(jù)的最小個數(shù)。

用圖來顯示表1中的命中彈數(shù)。由于模擬航路次數(shù)較多，人眼無法辨認(rèn)。為此，模擬100次航路，開環(huán)射擊、一次校射、二次校射的命中彈數(shù)如圖2所示。從圖2可以看出，采用本文的校射方法可以提高命中彈數(shù)。

5 結(jié)語

本文針對近程反導(dǎo)艦炮射速提高到一定程度后，觀測跟蹤器不能逐發(fā)測量彈丸脫靶量，現(xiàn)行的閉環(huán)校射方法無法實施的問題，提出近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)閉環(huán)校射的一種新方法。仿真結(jié)果表明，本文提出的閉環(huán)校射方法可以提高命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的概率，從而提高反導(dǎo)效能。

［1］戴自立．現(xiàn)代艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)［M］．北京:兵器工業(yè)出版社，1999．

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［2］汪德虎．艦炮火控原理［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2009．90－103．

WANG De-hu．Theory of naval gun fire control［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2009．90－103．

［3］黃義．近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)閉環(huán)校射研究［J］．火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2008，（4）:25－28．

HUANG Yi．Closed-loop firing correction for close in antimissile naval gun weapon system［J］．Journal of Gun Launch and Control，2008，（4）:25－28．

［4］王基組．艦炮火控系統(tǒng)原理［M］．北京:海潮出版社，1999．211－235．

WANG Ji-zu．Theory of naval gun fire control system［M］．Beijing:Tide Press，1999．211－235．

［5］趙登平．現(xiàn)代艦艇火控系統(tǒng)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2008．300－306．

ZHAO Deng-ping．Fire control system of modern naval ship［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2008．300－306．