高速機動反艦導彈防御技術

徐國亮，張 遜，王 勇

(中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

1 反艦導彈的發展

1.1 反艦導彈朝著高速、高機動方向發展

反艦導彈是一種可以利用空中、陸地、海上和水下多種平臺從防區外發射、對水面艦艇實施打擊的精確制導武器，已成為當今海戰的主要攻擊武器[1]。

為提高反艦導彈突防能力，各國建立反艦導彈體系的側重點不盡相同，反艦導彈朝著高速、高機動的方向發展。主要有下列三種代表性的發展思路：

1) 以美國為代表的，重點對亞音速導彈的機動、隱身、抗干擾、超遠程等性能方面進行改進，反艦導彈大量采用末端躍升俯沖等大機動飛行彈道，如美國的“捕鯨叉”、法意聯合研制的“奧托馬特”系列、中國臺灣的“雄風2”[2]等，這大幅度降低艦艇防御系統的跟蹤預測精度，降低了其被攔截的概率；

2) 以俄羅斯為代表的、更注重導彈超音速(Supersonic)飛行特性，降低艦艇防御系統可用反應時間而提高其突防概率，如俄羅斯的“白蛉”導彈、中國臺灣的“雄風3”、印俄聯合的“布拉莫斯”[3]等導彈；

3) 俄羅斯和美國正在研發的速度大于 5Ma的超高音速(Hypersonic)反艦導彈，具有作戰空間大、非接觸打擊、高殺傷效果等特點而備受軍事科學界重視。如俄羅斯的 X-15C型反艦導彈的飛行速度已達到5Ma，美國研制的X-51導彈速度大于5Ma，這使得艦艇防御系統未來發展面臨更為嚴峻的挑戰。

1.2 反艦導彈機動樣式

重點分析“雄風”、“布拉莫斯”、“白蛉”及“捕鯨叉”等典型高速機動反艦導彈飛行攻擊特性可知，反艦導彈從巡航到攻擊艦艇整個過程中主要包括等速、加速、比例導引、蛇形、躍升俯沖、降高等運動模式的組合。為實現相應的戰術目的，在攻擊時采用如下戰術意圖的攻擊彈道，包括：① 低空掠海飛行，② 末端躍升俯沖攻擊；③比例導引攻擊；④水平面蛇形機動；⑤ 可編程迂回。圖1為模擬的典型高速機動反艦導彈航路軌跡。

圖1 高速機動反艦導彈飛行軌跡特征

高速(超音速、超高音速)、高機動(比例導引、躍升俯沖等)是反艦導彈主要戰術攻擊特點。艦艇近程防御系統應充分考慮其特點，有針對性地采取攔截措施。

2 艦艇近程防御系統的發展

2.1 發展現狀

作為反導防御最后一道屏障的近程防御系統一直受到各國海軍的高度重視，國外已發展了多型近程防御系統，如“守門員”、“密集陣”、“海上衛士”、“卡什坦”等[4]，國內也自主研發了相應的近程反導防御系統。為有效攔截高速、高機動反艦導彈，國外近程防御武器發展的趨勢是采用彈炮結合和制導炮彈，其中比較有代表性的是美國“海拉姆”(Sea RAM)導彈防御系統、俄羅斯“卡什坦”彈炮合一近程反導武器系統[5]和意大利76mm艦炮DART駕束制導武器[6]等。

2.2 發展方向

反艦導彈戰術性能的不斷改進提高，使得水面艦艇對反艦導彈的防御變得更為困難[7]。在現代海戰條件下，水面艦艇對反艦導彈防御的基本原則是組織多層次的攔截，做到海空結合，即水面艦艇編隊的防御與空中防御相結合；遠近結合，即遠程防御武器與中、近程防御武器相結合；軟硬結合，即使用電子干擾的軟殺傷武器與硬殺傷武器相結合，以構成相互協調，縱深、梯次和多種手段相結合的防御體系。

近程防御（通常在15km以內）系統目前包括：近程防空導彈、近程反導艦炮武器系統和電子戰武器系統等。隨著反艦導彈性能的提高，分析近程防御系統的發展方向有以下幾點：

1) 應用火控新機理、新算法，提高系統瞄準精度和快速反應能力；

2) 提高艦炮發射率和彈丸初速度，發展新型制導彈藥，提高對導彈的毀傷效果；

3) 研制“彈炮結合”反導武器系統，綜合控制多種類型反導武器，擴大縱深防御層次，提高抗飽和攻擊的能力；

4) 研制如艦載激光武器系統等新概念艦載近程反導武器系統，對付未來超高音速反艦導彈。

2.3 機動目標跟蹤技術的發展

機動目標跟蹤和預測在艦艇防御系統，尤其是近程反導艦炮武器系統中是一個永恒的課題。40多年來，人們對機動目標的統計模型和卡爾曼濾波的自適應算法進行了大量研究[8-16]，提出最小方差濾波算法、交互式多模型算法[11]、中值濾波、小波濾波、魯棒H∞濾波[12]、區間濾波、粒子濾波[13]等不同的算法。這些濾波算法發展的突出特點是：

1)濾波算法：時域濾波向時頻域結合方向發展；

2)信號的建模：由常規的一致平穩高斯信號向非線性、非高斯、非平穩信號方向轉變；

3)噪聲統計量：由低階一維向高階多維方向發展；

4)運動模型：從單一模型向多模型轉變；

5)模型的自適應能力：向具有模糊控制、魯棒控制等智能方向發展。

本文后續討論內容更關注于用于艦艇末端防御的近程反導艦炮武器系統[17]。

3 面臨的突出問題

隨著新一代超音速、末端有意機動的反艦導彈的發展及使用，現役近程防御系統已無法滿足作戰需求，其效能將大幅度降低。下面從系統反應時間和精度等主要性能指標進行詳細分析。

3.1 系統反應時間

新一代的超音速反艦導彈大都采用低空飛行，使得水面艦艇難于在遠距離發現來襲導彈。以搜索傳感器在10km左右發現目標為例，對不同速度的來襲目標，可供系統使用的時間關系如圖2所示。當目標速度大于3Ma后，對大多數近程防御系統來說已沒有足夠的時間對目標實施攔截，最終導致攔截失敗。

圖2 目標速度與可供系統使用時間關系圖

近程反導艦炮武器系統的反應時間，主要分為情報處理反應時間和火控系統反應時間兩部分。情報處理反應時間除了受建航算法收斂時間影響外，主要還受到搜索雷達轉速制約，因而依靠搜索傳感器提高轉速可顯著縮短系統反應時間。火控系統反應時間可進一步分為跟蹤器調轉、捕獲轉跟蹤時間和火控解算反應時間。可通過接收三坐標目標指示的方式一定程度縮短搜索捕獲時間，而火控解算反應時間主要受濾波收斂時間的制約。

3.2 有效攔截區段射彈數

國內外近程反導艦炮武器系統對反艦導彈的最佳攔截區段通常都在2km以內，在對亞音速目標射擊時，可以保證一定射彈數，但是，當反艦導彈飛行速度越來越快后，在同樣的有效攔截區段內火炮能夠發射的彈數將越來越少。以達到每分鐘萬發的“卡什坦”武器系統對不同速度來襲目標為例，在最佳攔截區段內可射彈數以及系統為保證一定命中概率所需射彈數的關系如圖3所示。對超音速反艦導彈，在有效攔截區段內射彈數的減少必然會降低近程反導艦炮武器系統的攔截成功概率。

圖3 目標速度與射彈數關系圖

為了提高在系統有效攔截區段內的射彈數，提高火炮的射速是一種非常有效的技術措施。美國的“密集陣”Block 1B型發射率為4500發/分；俄羅斯的AK630發射率為 4200～4800發/分；而“卡什坦”彈炮結合武器系統發射率可達10000發/分，在相同的攔截區段內射彈數可以提高一倍。

3.3 系統跟蹤預測精度

反艦導彈的高速機動飛行，特別是末端有意機動，將導致火控解算精度的大幅度降低。由于艦炮武器發射的彈丸與目標相遇需要飛行一段時間，所以在彈丸飛行時間內對超音速和末端有意機動的反艦導彈運動規律的準確預測，是決定武器命中精度最為關鍵的因素。從反導艦炮火控系統精度分解來看，預測誤差占火控系統誤差的60%～75%以上，對于末端有意機動的反艦導彈所占比例更大。仿真計算表明，反艦導彈的末端躍升俯沖，將使得近程反導艦炮武器系統的諸元解算誤差增大3倍以上（如圖4），單純從數學上進行濾波預測的精度無法滿足艦炮武器系統對付高速機動反艦導彈的要求。

圖4 目標作末端躍升俯沖機動高低射擊諸元誤差曲線

4 改進技術措施

4.1 命中彈幕體制

傳統火炮射擊方式是以目標預測的未來點為中心，發射大量彈丸。但是，當高射速火炮面對高速機動反艦導彈時，以這種傳統方式實施射擊存在著以下問題：火炮隨動系統跟蹤目標非常困難；對目標未來點的預測精度不可能無限提高，因此難以獲得高精度的射擊諸元。就單次射擊而言，彈丸散布可以看作集中在預測的未來點附近且散布很小的正態分布，尤其對于高精度小口徑火炮。當目標出現在預測未來點附近時，目標受彈數可能遠遠超過毀傷所需的實際彈數，而當目標偏離預測命中點較遠時，則難以毀傷目標。

采用彈幕（也有的稱為未來空域窗體制[18]），將傳統對目標未來點的預測轉換成數個在空間上成一定排列的命中點，而彈丸在形成的未來空域窗內的散布近似為均勻分布。這種體制可克服傳統射擊體制下火炮射擊高速、高機動反艦導彈目標預測不準確等缺陷，大大提高了高射速火炮射擊此類目標的能力。

未來空域窗的彈幕命中體制需要根據系統精度、火炮射擊密集度等綜合確定彈幕的拓撲結構、彈幕分布區域建模及優化、基于彈幕的火控預測控制方法。同時需要分析構建彈幕命中體制時對艦炮射速的需求。俄羅斯的“卡什坦”彈炮結合系統采用兩門6管30毫米口徑速射炮，在交叉火力點附近形成高達每秒萬發，基本形成彈幕命中體制。在對付更為高速機動反艦導彈時，可以考慮多門速射炮集火射擊，以形成萬發以上的高射速彈幕。

4.2 提高快速反應能力

上面分析了大多數艦艇近程防御系統沒有足夠的時間來攔截來襲高速反艦導彈。武器效能發揮的前提是能夠對目標實施打擊，因此充分利用資源縮短系統反應時間是項重要研究工作。從下面幾個方面分析：

1) 信息資源的利用

在實施攔截的前端，可以考慮將系統解算時間前伸到近程防御系統接收到目標指示信息，即研究如何將目標位置、速度等指示信息用于目標運動參數求解的粗跟蹤處理。當跟蹤傳感器目標跟蹤好后，再進入精跟蹤處理。在精、粗跟蹤處理的轉接過程中，可以選取不同的火控濾波模型或參數，加快目標運動參數求解收斂時間。

除了能較好地進行目標位置測量外，有的跟蹤傳感器還能進行多普勒徑向速度、瞄準線的俯仰、滾動和側向的角速度測量。可以如下式得到目標相對瞄準線坐標系的速度矢量[19-20]。

速度測量的使用一方面可增加濾波器傳遞函數的零點，加快濾波收斂時間，降低濾波的動態誤差，還可縮短機動檢測時間，另一方面還有專門快速解算的角速率火控算法。但目前多數跟蹤傳感器給出的目標速度量測還不能滿足實用的要求。

2) 高速機動目標快速解算策略

以對來襲目標打擊效能最大為目標，綜合系統精度、命中體制、解算方案等因素，制定系統反應時間控制策略。理論上說，在一定時間和精度情況下，解算時間越長諸元解算精度越高。簡單地說，如果系統有足夠可用的反應時間，就可以使用高精度解算算法；而如果時間不夠用，則使用精度略低的快速解算算法。這樣可以制定多套解算方法，靈活控制系統解算時間，因為只有進行打擊才有命中毀傷效能可言。另一方面根據系統精度情況可選擇彈幕或其他命中體制進行攔截的方法。

4.3 多模型適應機動[16]

傳統機動目標跟蹤方法是建立匹配目標運動模型的獨立濾波器，這種方法存在模型本身誤差無法克服的缺陷，盡管在單模型單濾波器的基礎上提出了許多自適應濾波算法，但仍無法解決與真實模型的匹配問題。單一模型難以有效解決機動目標跟蹤問題已成為普遍共識，尤其反艦導彈速度范圍、機動方式越來越大，多模型估計方法[11,14,16]為機動目標跟蹤提供了有效的解決手段。從兩個、三個，甚至逐步出現五、六個模型同時使用的情況。交互多模型算法是目前多模型算法研究的熱點之一，在廣義偽貝葉斯算法基礎上，各模型之間滿足馬爾可夫切換系數。基于模型匹配原則，有針對性地深入分析反艦導彈對艦艇的典型攻擊樣式，結合目標物理及運動特性，選取可供使用的多模型集合，建立諸如比例導引運動、俯沖攻擊和蛇形機動等模型，使各模型能較好地適應相應的機動方式。

1) 末端躍升俯沖攻擊建模

根據反艦導彈在飛行末段進行躍升俯沖攻擊的典型運動特征進行建模。反艦導彈接近目標一定距離后，在近程火炮的有效攔截區段，導彈按其所能承受的最大過載以一定角度和角速度迅速爬升到一定高度，然后導彈彈頭急速旋轉，轉過一定角度后，以較大的俯沖角度俯沖攻擊目標。這種攻擊樣式，會造成火控的預測誤差急劇增大，從而導致防御系統毀傷概率的大幅度降低。

末端躍升俯沖攻擊的主要戰術特征參數包括：起始躍升距離、躍升角、躍升高度、俯沖角和高度方向過載力。

2) 比例導引規律攻擊建模

比例導引法在導彈導向目標過程中，導彈的速度向量的旋轉角速度與目標視線的旋轉角速度成正比，比例系數即為導引系數，通常取3～5。

在導引做比例導引過程中往往還采用變系數比例導引法，在導彈距離目標較遠時導引系數取較小值。在攻擊末端選取較大導引系數可獲得較好的彈道特性。在變比例導引系數的過程中，將比例導引系數采取平滑過渡，可降低由于系數變化帶來的抖動。

3) 水平面蛇形機動運動建模

反艦導彈在水平面內的蛇形機動運動主要是為了規避艦艇防御系統的攔截。導彈發射并進入自導段后，在預裝訂好的機動開始時刻到來時，通過等幅等頻的航向舵偏指令來控制反艦導彈的蛇形飛行彈道，主要體現為航向角和水平面內法向加速度的反復變化。其中，航向舵偏的最大幅值受反艦導彈側向最大允許過載及最大側滑角的限制。

運動建模時需要充分利用反艦導彈末段可能的機動開始時間、機動周期、機動次數、機動結束時間及過載等特征。

4) 超低空掠海飛行建模

反艦導彈的掠海飛行高度很低，壓低導彈在末段導引時的飛行高度，難以被艦艇火控雷達探測到。在命中艦艇時，可在吃水線附近直接貫穿艦艇，引爆并破壞重要的部位。反艦導彈的末段掠海高度可根據戰時海情加以選擇，以達到最理想的攻擊效果。運動建模時需充分綜合導彈掠海飛行時海雜波影響。

4.4 機動檢測與綜合識別[15]

機動目標跟蹤既要估計目標運動狀態，還要及時檢測出目標機動。一旦發現目標機動發生，則進一步對目標狀態估計模型或參數做出調整，以便更好地適應機動。檢測和識別目標運動模式及其機動變化對目標精確跟蹤和預測有著重要作用。

1) 聯合檢測機制[15,21]

由于濾波新息和加速度估計直接反映了模型匹配性和目標機動大小，建立基于新息統計量和加速度估計量的聯合檢測機制，提高對目標機動檢測的置信度。

2) 基于特征參數的目標運動模式識別

根據反艦導彈目標在各個運動模式段的特征，結合不同運動模式段內的特征信息統計特性，檢測目標在對應飛行過程內的運動模式，包括通過檢測速度、高度變化確定相應的巡航參數；建立檢測參考軸，通過檢測目標是否往返穿越視線軸且超出一定閾值來確定其蛇形規避參數；通過檢測目標躍升速度來確定躍升俯沖段運動模式。

3) 基于貝葉斯網絡的目標類型綜合識別

貝葉斯推理也稱為置信因果推理，指的是基于概率分析和圖論的一種不確定性知識的表示和推理模型。一般是由貝葉斯網絡結構和條件概率表集合兩部分構成，它以節點表示系統變量，用條件概率表示兩個節點間的因果關系。

把反艦導彈攻擊過程分為一些相對獨立的運動子過程，將加速度大小、方向、距離區段等特征信息與目標運動模式之間建立貝葉斯網絡節點關系，按照必然性及似然性等規律特性，根據預判、檢測、確認或舍棄等推理過程，更新貝葉斯網絡節點概率，經過一序列的運動模式發生過程后，在末端選取概率最大的導彈運動模式和類型。

4.5 改進預測方法

以往求取目標未來點一般采用線性或二次預測。實質上反艦導彈的末端機動能力在逐步加強，因此在攻擊艦艇的末端制導過程中，加速度并不是恒定不變的，相反是按照一定導引規律變化的，因此應根據機動目標的動力學特性對目標進行合理預測。因為即使濾波求取的目標位置、速度和加速度量很精確，若預測方法選取不適當對解命中同樣帶來一定的誤差。使用機動目標當前“統計”(CS)模型濾波殘差較小時，可選擇按CS模型進行預測；當能夠較為準確地識別出反艦導彈發生比例導引機動時，可按照比例導引規律進行預測；當能夠識別出躍升俯沖機動時，則按躍升俯沖預測。下面分別說明。

1) 基于CS模型的預測

將CS模型離散化[10]可得加速度關系式為

式(3)相比來說可以一定程度可降低 CS模型加速度估計的靈敏度[14]。

2) 基于躍升俯沖的預測

對艦艇自防御系統來說，反艦導彈的最終戰術目標是攻擊我艦，其躍升后必然進行俯沖。導彈在躍升俯沖過程中，受到舵偏指令的控制，高度方向的運動模式主要是勻速、勻加速、減速再到勻速等運動模式的序貫組合。如圖5所示，在A點按直線預測未來點在A1，而實際未來點在A0，B點類似。即從數學上按照當前運動模式的濾波估計進行直線或比例導引規律預測均難于符合實際過程，必然產生較大的模型預測誤差。

圖5 末端躍升俯沖預測示意圖

基于此提出的預測思想是：利用反艦導彈的躍升俯沖機動意圖及特征參數，對于躍升段和俯沖段進行分段預測，重點是俯沖段預測。假設(DM,HM)為預估的躍升俯沖特征參數(最大躍升高度對應的距離和高度)。則預測一個彈丸飛行時間后的水平距離Dktf。，比較Dktf和DM的大小，對高度及其速度估計按照躍升和俯沖進行分段處理。

5 結束語

反艦導彈的迅速發展，對艦炮適應現代海戰提出了新的作戰需求，機動目標跟蹤這一難題必須進一步得到解決。而艦炮彈丸飛行時間較長這一不利因素的客觀存在，使得控制艦炮對機動目標進行準確射擊比控制雷達天線對機動目標進行跟蹤要困難得多。根據理論分析及工程實踐，我們清楚地認識到，機動目標跟蹤的解決是一個系統性問題，單純依靠數學算法是不能解決的。

本文從系統反應時間和精度著手，在改進攔截體制、靈活快速反應、多模型建立、機動檢測和識別及改進預測方法等方面提出了改進思路。當然除此之外，還有炮射制導彈藥[22]在反導中的應用，以及諸如激光武器等新概念武器的利用都可能成為未來反導領域中的研究重點。本文希望拋磚引玉，為艦艇近程防御系統的后續發展提供技術參考和研究方向。

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