某型超近程主動防護攔截系統設計*

姜逢宇，熊自明，劉一鳴，楊智謙

(陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

0 引言

島礁工程、單機隱蔽庫、雷達陣地等大型地面或半地下固定目標是敵空中精確打擊的重點對象。面對定位準確、速度快、破壞力大的來襲彈藥，采用干擾、引偏、擊爆等防護手段的綜合防護技術是未來的發展方向[1]。為保護重要經濟目標，世界各國都重點研發了不同規格的地面防空系統，如美國研制的“復仇者”[2]，俄羅斯研制的的“鎧甲”[3]，以及我國研制的“倚天”[4]等。但是這些防空系統均未將網彈攔截作為攔截來襲彈藥的方式。超近程防護是避免防護目標遭受來襲彈藥直接打擊的最后一個屏障[5]。超近程防護技術一般指來襲彈藥在臨近防護目標時使其失去破壞效能的硬殺傷性技術，具有有效攔截距離近、反應時間短、提前預瞄和靈活組配的特點，是主動防護技術的一種重要形式[6]。超近程防護仍然屬于非接觸防護的一種。某型超近程主動攔截防護系統作為一種新概念主動防護系統，通過實時探測較近距離范圍內來襲彈藥的速度和方位，隨動發射攔截網彈，在距離防護目標幾十米范圍內擊爆來襲彈藥，使防護目標可能受到的侵徹損傷變為破片和沖擊波損傷，大大降低來襲彈藥對防護目標防護層的破壞，有效提高防護目標的生存能力。

1 系統設計理念

結合系統防御對象的實際特征和系統的應用環境，系統應具有反應速度快、可靠性高、安全性好、抗干擾能力強等特點。

1.1 反應速度快

高速飛行的目標被探測到時已在僅僅幾公里之外，留給系統做出攔截反應的時間只有幾秒，因此需要系統的控制部分在探測到目標后快速判斷是否需要攔截，而后快速做出反應。

1.2 可靠性高、安全性好

超近程攔截防護通常沒有防護失敗后再進行二次攔截的機會，因此要求系統使用的算法能夠準確預測來襲目標的運動路線并進行有效攔截。

1.3 抗干擾能力強

復雜的戰場環境下，系統在硬件設計上需要采用安全穩定、抗干擾能力強的組件，確保在任何條件下系統能夠正常工作。

2 系統組成

系統主要由雷達探測系統、攔截網彈系統、隨動/發射系統、控制系統四部分組成。系統各部分協同作用以完成對來襲目標的探測、軌跡預測和攔截。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

2.1 雷達探測系統

雷達探測系統是主動防護系統的“眼睛”，在較近距離范圍內，探測、跟蹤和識別來襲彈藥，獲取來襲彈藥距離、速度和方位角等信息，并將數據實時傳輸給控制系統進行航跡預測和火控指令生成。探測系統使用的連續波雷達具有峰值功率低、測距測速精度高、無近距離盲區、反應時間快、虛警漏警低、抗干擾能力強、體積小、易實現等特點。

2.2 控制系統

控制系統總體硬件結構示意圖如圖2所示。根據系統功能和作用原理，選取STM32F407為主控制芯片，負責觸摸屏、報警、起爆等功能的控制；TMS320F28335為協控芯片，負責接收雷達探測數據并進行相應算法處理，包括彈道擬合、航跡預測和火控解算等；TMS320F28335芯片還負責轉臺兩個電機的控制以及碼盤速度反饋控制；電源模塊負責為控制系統各個部分提供所需電壓。

圖2 控制系統示意圖

2.3 隨動/發射系統

系統作用距離非常近，作用時間非常短，這就要求配套的隨動系統提供很高的角速度，同時發射系統提供很高的發射初速度。一體化設計的隨動/發射系統包括二維轉臺和一套對稱放置的多管發射系統。

2.4 攔截網彈系統

2.4.1網彈總體結構

網彈總體結構在設計時充分考慮了雷達探測系統探測誤差、目標落點散布、風速影響等主要誤差因素，確保網彈在最佳交匯距離范圍內實現對目標的完全覆蓋。

2.4.2引信系統

引信系統布置于網彈總體結構上，主要用于在極近距離上發現目標，通過引戰配合算法適時給出點火控制信號，并傳輸給多路起爆器進行發火控制。引信系統還具有一定的安保和自毀功能，引信內布置有自毀電路，當引信未能在預定時間內發現目標或無目標與攔截網彈相碰撞時，系統將發出信號使整個攔截網彈爆炸自毀，以保證安全。引信系統原理圖如圖3所示。

圖3 引信系統原理圖

3 系統工作原理

在系統各組成部分配合作用下，系統可以完成目標探測、攔截網彈發射、展開、EFP戰斗部起爆、毀傷等任務。

3.1 雷達探測系統工作原理

雷達探測系統根據預警信號，在目標飛行軌跡末端一定空域范圍內，探測并給出來襲目標的速度、距離、方位信息，實時傳送給控制系統。雷達接收數據后，通過差分方式傳輸給主控計算機。數據處理時，需要將十六進制補碼形式的雷達傳輸數據轉換為十進制數據，并乘以分辨率，得到對應球坐標系中的俯仰角、方位角、徑向速度和徑向距離的值。同時需要將雷達數據中極坐標系下的目標位置信息轉換至笛卡爾坐標系下，便于后期的算法處理。在雷達探測數據濾波處理時，運用卡爾曼濾波算法[7]對雷達位置數據濾波，完成目標飛行軌跡的預測和平滑；運用最小二乘濾波算法[8]對雷達傳輸的徑向速度濾波，便于減小噪聲誤差的影響。雷達探測系統工作流程如圖4所示。

圖4 雷達探測系統工作流程圖

3.2 控制系統工作原理

控制系統控制攔截動作時，首先進行交匯點的解算。通過建立數學模型，將是否需要攔截的問題轉變為彈道和防御面相交是否有解的數學問題，若無解，認定不構成威脅，系統繼續轉入雷達監視狀態；若有解，則認定來襲彈構成威脅，根據濾波后的速度解算交匯時間，解算最佳交匯位置，并向隨動/發射系統傳遞指令。在求算攔截參數時，系統采用了改進的遺傳算法，在滿足對計算精度的要求及多參數計算條件下的穩定性要求的前提下，提高了計算速度。控制系統工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統工作流程圖

3.3 隨動/發射系統工作原理

隨動/發射系統根據控制指令快速調整發射角度并將攔截網彈的牽引體同時發射出去。

3.4 攔截網彈系統工作原理

攔截網彈在牽引體的牽引下飛向預設交匯位置，引信系統在來襲目標足夠接近時給出起爆信號，網彈攜帶的戰斗部協同毀傷來襲目標。

4 創新點

本系統具有攔截理念新、攔截概率高、布置靈活、成本低等優勢。在當前彈藥發展水平下，現有防護結構難以有效抵抗導彈侵徹后造成的毀傷，本系統將應用于坦克的網彈攔截防護理念發展到對大型固定目標的防護上，避免高速飛行的導彈直接接觸防護目標。本系統使用的攔截網彈系統在設計時對算法進行了深度優化，且設計了多層保險措施，有效提高了攔截準確性。同時，系統可以依據防護目標的地理位置、尺寸、防護要求等靈活布置，實現對重點部位的重點防護。系統使用的硬件組件開發較為成熟，模塊化程度較高，有效降低了系統使用成本。

5 結論

系統組成完備，一體化程度高，能夠在極短時間內完成目標探測、軌跡預測以及攔截坐標解算的任務。系統可行性已經過計算機仿真方法驗證，其攔截命中概率已達到指標要求，能有效提高防護目標的生存能力。