反艦導彈抗干擾虛實合成對海試驗平臺建設方案研究?

盧道偉 王 偉

1 引言

在反艦導彈體系已日趨完善的形勢下，換裝主動、被動、紅外等多種形式的復合導引頭，提高反艦導彈真實背景條件下的抗干擾性能，是今后一段時期內反艦導彈的主要發(fā)展方向。

為了增強半實物仿真試驗的可信度，拓展外場導引頭試驗功能，并為導彈飛行試驗提供先驗信息，從而豐富反艦導彈抗干擾綜合試驗的內涵，本文提出了反艦導彈抗干擾虛實合成試驗的模式，即將內場半實物仿真試驗系統(tǒng)中的導引頭以及其它附屬設備架設到外場導引頭對海試驗平臺（以下簡稱對海試驗平臺），通過真實艦船、目標模擬器、有源干擾、無源干擾和真實海背景構造目標及干擾環(huán)境，對海試驗平臺錄取導引頭數(shù)據(jù)并轉發(fā)到內場數(shù)字仿真實驗室，內場數(shù)字仿真實驗室接收實時的導引頭數(shù)據(jù)、進行彈道解算并反饋到對海試驗平臺，控制導引頭做出相應的姿態(tài)變化，模擬導彈飛行過程，從而實現(xiàn)反艦導彈抗干擾虛實合成試驗。

導引頭對海試驗平臺作為虛實合成試驗系統(tǒng)的重要組成部分，主要起到支撐導引頭、實現(xiàn)導引頭三自由度轉動、采集導引頭試驗數(shù)據(jù)以及與內場數(shù)字仿真實驗室互聯(lián)、互通、互操作的作用。本文結合靶場實際的地理環(huán)境、氣候環(huán)境、數(shù)字仿真實驗室等具體情況，對導引頭對海試驗平臺的功能、組成、工作原理和工作過程進行總體設計，對存在問題進行分析并提出擬解決措施。

2 對海試驗平臺組成及功能

對海試驗平臺由機械系統(tǒng)、測控及電氣系統(tǒng)（含連接電纜）、仿真計算機、導引頭數(shù)據(jù)采集計算機、通訊網絡、GPS天線等組成。其中，機械、測控及電氣系統(tǒng)和仿真計算機構成三軸轉臺系統(tǒng)［1］，如圖1所示。

1）機械系統(tǒng)：機械系統(tǒng)是三軸轉臺的臺體，包括三個機械軸系、臺體底座、驅動電機、測角元件、工裝夾具和轉臺地基等。機械系統(tǒng)是導引頭的承載平臺，帶動導引頭實現(xiàn)滾轉、偏航和俯仰運動，模擬導彈飛行過程中的彈體姿態(tài)運動。

2）測控及電氣系統(tǒng)：測控及電氣系統(tǒng)包括機柜、功放、二次電源、接口及連接電纜等。測控及電氣系統(tǒng)是機械系統(tǒng)的電氣控制單元，能夠將仿真計算機的控制指令轉換成控制信號，控制轉臺的機械系統(tǒng)運動。

3）仿真計算機：仿真計算機包括工業(yè)控制計算機、通信接口、指示燈和急停按鈕等。仿真計算機與內場實驗室互聯(lián)互通，接收內場數(shù)字仿真系統(tǒng)的彈道解算數(shù)據(jù)，轉換成為轉臺的控制指令，通過測控及電氣系統(tǒng)控制轉臺運動。

4）導引頭數(shù)采計算機：導引頭數(shù)采計算機包括一臺高性能工業(yè)控制計算機及接口，實現(xiàn)導引頭數(shù)據(jù)的實時采集并將數(shù)據(jù)傳輸給內場數(shù)字仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)導引頭的閉環(huán)仿真。

5）通訊網絡：通訊網絡包括實時光纖網絡和以太光纖網絡，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的交互。

6）GPS天線系統(tǒng)：GPS天線系統(tǒng)包括GPS天線及授時卡，實現(xiàn)系統(tǒng)的授時。

3 對海試驗平臺工作原理

對海試驗平臺中的仿真計算機系統(tǒng)、測控及電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成了整套的三軸轉臺系統(tǒng)，三軸轉臺的內框安裝導引頭，通過三框的復合運動共同模擬導彈飛行過程中彈體的姿態(tài)運動，系統(tǒng)的工作原理如圖2所示［2～3］。

在系統(tǒng)工作時，仿真計算機系統(tǒng)通過GPS授時卡進行時間統(tǒng)一，仿真計算機系統(tǒng)向測控及電氣系統(tǒng)發(fā)送控制指令，測控及電氣系統(tǒng)對控制指令進行高階串聯(lián)校正后通過總線發(fā)送給運動控制卡，運動控制卡接收到指令信號后，將指令信號和編碼器的位置反饋信號進行綜合，形成誤差控制信號。誤差控制信號經過PID調節(jié)（PID regulating，是具有比例、積分和微分作用的一種線性調節(jié)規(guī)律）后，輸出成為速度指令信號，功率放大器接收到速度指令信號，將速度指令信號和經過微分電路轉換得到的速度反饋信號進行綜合，形成誤差控制信號，該控制信號控制機械系統(tǒng)上三個轉軸電機的輸入電壓，驅動電機按照一定的軌跡運動。同時，機械系統(tǒng)上的測角元件測量轉軸的當前位置，并將位置信息反饋給測量及電氣系統(tǒng)，當運動控制卡接收的指令信號和位置反饋信號有差值時，便驅動電機帶動轉軸運動，直至到達控制指令要求的位置。

仿真計算機系統(tǒng)、測控及電氣系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)組成的三軸轉臺系統(tǒng)，其工作過程可分為本地控制模式和仿真控制模式，如圖3所示。

在本地控制模式下，用戶通過仿真計算機系統(tǒng)的控制軟件輸入控制參數(shù)或運動形式，轉臺的測控及電氣系統(tǒng)按照用戶的輸入?yún)?shù)或文件自動規(guī)劃出位置運動指令，如等速運動、定位運動、周期運動（正弦、梯形、三角波、方波）和階躍運動等，控制軟件對用戶輸入的控制指令進行合法性校驗，如最大速度、最大加速度、最大位置是否超限等，驅動控制器將控制參數(shù)轉換成電機的控制信號，驅動機械系統(tǒng)的運動。在該模式下，仿真計算機系統(tǒng)也可以直接讀取存儲在本地的仿真數(shù)據(jù)文件，通過仿真數(shù)據(jù)作為轉臺的控制指令驅動轉臺運動。在本地控制模式下可完成所有轉臺指標的測試和檢測，以及導引頭的開環(huán)測試。

仿真控制模式與本地控制模式的本質區(qū)別在于指令信號的來源不同，在仿真模式下，仿真計算機通過光纖網絡實時的讀取內場數(shù)字仿真實驗室的彈道解算數(shù)據(jù)，經過仿真計算機和測控及電氣系統(tǒng)的處理后作為轉臺機械系統(tǒng)各軸的運動控制指令，實現(xiàn)轉臺角位置或角速度的跟蹤功能，并能夠實時返回轉臺各機械軸的角位置或角速度。在該模式下，可進行虛實合成仿真試驗［4］。

當轉臺在運動過程中出現(xiàn)飛車等嚴重故障時，用戶可以通過急停按鈕中斷轉臺運動，起到設備保護的作用。

參試導引頭安裝在機械系統(tǒng)的內框上，機械系統(tǒng)的三軸轉動激勵導引頭敏感彈體姿態(tài)運動，在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集計算機實時采集并存儲導引頭的數(shù)據(jù)。

4 對海試驗平臺工作過程

對海試驗平臺建設的目標是在真實環(huán)境下測試反艦導彈導引頭的抗干擾性能，其與內場數(shù)字仿真實驗室、海上艦船目標、干擾環(huán)境以及海情環(huán)境共同構成抗干擾試驗條件。對海試驗平臺部署在海邊某高地上，導引頭直接捕獲跟蹤海上真實的艦船目標，導引頭對海試驗平臺部署如圖4所示。

虛實合成試驗的工作原理如圖5所示。

對海試驗平臺和內場數(shù)字仿真實驗室通過光纖網絡連接，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的實時交換；海上艦船目標安裝GPS導航系統(tǒng)，實時測量艦船目標的位置、航向和航速等信息，通過無線通訊網絡與內場數(shù)字仿真實驗室之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

在進行抗干擾試驗時，可以使用對海試驗平臺進行開環(huán)試驗和閉環(huán)試驗。

1）開環(huán)試驗

開環(huán)試驗時，內場數(shù)字仿真實驗室的彈道解算計算機不進行彈道解算，三軸轉臺不接受內場數(shù)字仿真實驗室的控制，轉臺通過仿真計算機調整適當?shù)奈恢檬箤б^指向艦船目標，轉臺靜止在該位置或在該位置附近做較小幅度的擾動，對導引頭進行姿態(tài)上的干擾。導引頭開機后，捕獲并跟蹤運動的艦船目標，艦船釋放各種干擾（箔條干擾、距離拖引、舷外有源、角反射體等）對導引頭實施干擾，導引頭輸出的目標視線信息通過導引頭數(shù)據(jù)采集計算機采集。

導引頭敏感的目標視線是彈體質心與目標之間的連線，在進行導引頭仿真試驗時，目標視線是轉臺的回轉中心與艦船目標之間的連線。轉臺的地理坐標位置可以通過標定測量，艦船目標的地理坐標位置可以通過GPS導航實時測量，通過轉臺和艦船目標的坐標位置可以實時地計算出目標視線的變化信息，導引頭測量的目標視線信息與實際計算的目標視線信息進行對比，分析導引頭的跟蹤性能和抗干擾性能。

2）閉環(huán)試驗

閉環(huán)試驗時，內場數(shù)字仿真實驗室進行彈道模型的實時解算，并將解算的導彈姿態(tài)數(shù)據(jù)通過光纖網絡發(fā)送給外場中的仿真計算機系統(tǒng)，仿真計算機系統(tǒng)將彈體姿態(tài)數(shù)據(jù)轉換成轉臺的控制指令驅動三軸轉臺運動。

導引頭安裝在機械系統(tǒng)的內框上，導引頭開機后探測、捕獲、跟蹤海上艦船目標，產生的視線轉率及其他數(shù)據(jù)由導引頭數(shù)據(jù)采集計算機采集，再通過光纖網絡傳遞到內場數(shù)字仿真實驗室，參與彈道解算，形成閉環(huán)的導彈飛行過程仿真系統(tǒng)。

由于導引頭放置在外場，探測的是真實的海上艦船目標，因此在裝訂彈道模型的初始參數(shù)時，需要通過目標和轉臺實際的地理位置以及該型導彈的戰(zhàn)術指標規(guī)劃出導彈的發(fā)射點等裝訂參數(shù)，使規(guī)劃的彈道終點為艦船的實際位置附近，并且經過導引頭對海試驗平臺所在的位置（轉臺所在位置）附近，這樣經過數(shù)學模型解算的彈道才符合試驗環(huán)境設備部署的真實情況。

與開環(huán)試驗類似，閉環(huán)試驗時，艦船目標在導引頭開機后釋放各種干擾，導引頭探測并跟蹤目標和數(shù)據(jù)目標視線信息，通過數(shù)采計算機采集后與真實計算出的目標視線進行對比分析。

5 存在問題及擬解決措施

5.1 目標視線角不變引起導引律失效

5.1.1 問題的提出

目前反艦導彈導引頭多為平臺式，陀螺在慣性空間保持靜止，天線安裝在陀螺框架上，天線運動使陀螺敏感到相對運動。當導引頭截獲并穩(wěn)定跟蹤目標后，導引頭通過導引規(guī)律（一般為比例導引）引導導彈飛向目標，而導引律與目標視線角的轉動速率有關，此轉動速率稱之為目標轉率。

虛實合成試驗方案中對海試驗平臺固定于岸邊，目標艦船位于數(shù)公里外的海面上，由于艦船移動速度較慢，相對于數(shù)公里的距離來說，目標視線角轉率很小。但在實際導彈飛行中，由于導彈快速移動和導彈飛行的不穩(wěn)定性加上導彈的蛇形機動，目標視線角速率變化較快，比例導引正是利用變化的目標轉率控制彈體飛向目標。這就造成了試驗現(xiàn)場狀況與實際導彈飛行的導引狀況不符，在現(xiàn)有條件下無法利用視線轉率導引導彈。

5.1.2 擬解決措施

虛實合成試驗中目標艦船位于數(shù)公里外的海面上，數(shù)公里以內無法提供艦船回波信號，彈道抗干擾仿真并不能完成整條彈道的仿真。所以距離目標數(shù)公里以外的目標視線轉率一般來說并不大（除了蛇形機動、螺旋機動或搖擺式機動等情況）。所以提出兩種解決方案。

1）利用理想彈道做試驗

所謂“理想彈道”，就是彈道條件最為簡單，彈道縱向投影為一條直線，直指目標，飛行無側偏，無任何干擾。這樣，在試驗前需要將導引頭天線零位對準目標艦船，即可進行試驗。由于導彈徑直飛向目標，理想狀態(tài)下目標視線轉率為零，在此情況下，可進行抗干擾試驗驗證。

2）利用對海試驗平臺和目標相對運動解算目標視線角速率

如果彈道存在較大的目標視線轉率，上述方案則不能很好地模擬真實情況，無法利用視線轉率進行目標導引。這時可利用彈體運動時產生的彈目視線角和彈體姿態(tài)角來推算的目標視線角。彈目視線角是目標視線角和彈體姿態(tài)角之和。在進行聯(lián)合試驗仿真時，可以假定目標不動，彈道解算計算機將因彈體沿彈道運動而產生的目標視線角的變化疊加到數(shù)學計算出的彈體姿態(tài)角中，彈道解算計算機發(fā)送彈目視線角給三軸軸臺，控制轉臺運動。同時，利用實時解算出的目標視線角進行微分，得到目標視線轉率，送至綜控機數(shù)學模型中，用以引導導彈飛向目標。此時，導引頭類似于參與系統(tǒng)隨動仿真，其探測到的目標視線角、目標視線角速度信息均不參與到系統(tǒng)閉合仿真回路中，而是用數(shù)學解算方式代替，但其探測到的目標距離信息可通過網絡傳送至彈道解算計算機參與閉合回路仿真。這種方案本質上是數(shù)學仿真，只是利用了導引頭距離探測數(shù)據(jù)。

5.2 全高彈道導引狀態(tài)無法模擬

5.2.1 問題的提出

某些型號導彈以大俯沖角攻擊目標，而由于對海試驗平臺和海上目標均在海平面附近，大的目標視線高低角無法模擬，導致不能進行全高彈道仿真。

5.2.2 擬解決措施

由于導引頭陀螺是速率陀螺，對陀螺速率的變化敏感，而對陀螺位置不敏感，采用認為目標不移動，轉臺運動，將目標的視線角位置運動附加到轉臺運動上，從而保持彈目視線角與正常彈道相一致的方法，來實現(xiàn)全高彈道仿真。

將目標對準導引頭天線零位，此時轉臺的三框角度置零。轉臺在導引頭開機前的姿態(tài)角可按照正常彈道的解算加以控制，導引頭開機前，可以將轉臺姿態(tài)角緩慢過渡到彈道解算計算機解算的彈目視線角，即把正常彈道解算的目標視線角運動附加到轉臺的俯仰框和航向框，使得彈目視線角與正常仿真方式解算的彈目視線角保持不變。這樣，導引頭開機搜索、截獲、跟蹤目標就能較為真實地反映全高彈道的戰(zhàn)場作戰(zhàn)情況。

這個方案的缺點是沒能真實地模擬海雜波的情況。真實作戰(zhàn)的情況是導彈大俯沖角沖向目標，與海面幾近垂直，而本方案中導引頭平行于海面，與前者海雜波的情況有很大不同。而且導彈大俯沖角攻擊與本方案側向攻擊目標艦船時的RCS值也不同，這需要船上的目標模擬器做相應目標特性的數(shù)據(jù)處理。

6 結語

反艦導彈虛實合成試驗的模式可以解決導引頭對海試驗中導引頭不能與彈上其它系統(tǒng)進行交互和內場半實物仿真試驗中目標及干擾環(huán)境不夠真實的問題，并可以實現(xiàn)彈道閉合仿真試驗，為導彈飛行試驗提供先驗信息，為全數(shù)字仿真試驗提供模型校驗功能。對海試驗平臺是虛實合成試驗系統(tǒng)的重要組成部分，可以實現(xiàn)導引頭開環(huán)和閉環(huán)兩種試驗模式。本文在靶場前期實驗室建設的基礎上，參考內場導引頭半實物仿真試驗的相關經驗，從總體上設計出對海試驗平臺的建設方案，并對存在的問題及解決方案進行了探索，對于靶場未來的反艦導彈試驗保障條件建設具有一定的借鑒作用。

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