多模及復合精確制導技術的研究進展與發展分析

左 衛，周波華，李文柱

(1. 海裝駐上海地區第六軍代室，上海 201109；2. 上海航天技術研究院，上海 201109)

0 引言

精確制導導彈在現代戰爭中發揮了非常重要的作用。敵方系統的不斷演進發展，推動著精確制導導彈向著高精度、高速、高機動性及強抗干擾能力等方向發展，同時也發展出了多種不同的制導方法及其實現技術，其中最主要的是尋的制導方法[1-2]。

尋的制導基于彈上傳感器來探測、跟蹤目標，并提取導彈制導所需的信息。受彈載應用對孔徑、質量、體積、功耗的限制，尋的制導作用距離有限，因此，采用全程尋的制導的通常是近程導彈。現代戰爭越來越強調中遠程精確打擊能力，因此需先采用其他制導方式將導彈引導至距目標較近的距離，再實現尋的制導。另外，隨著電子干擾技術、光電干擾技術、隱身技術的迅猛發展，戰場環境變得越來越復雜，單模尋的制導也面臨著在復雜戰場環境下性能不足、抗干擾能力有限等問題。為此，需要采用多模及復合精確制導技術來控制和導引制導武器準確命中目標[1-2]。

與單模制導相比，多模及復合制導具有以下優點。

1) 通過復合制導，有效化解中遠程精確制導武器的高制導精度需求與尋的制導作用距離有限的矛盾，做到既能打得遠，又能打得準。

2) 采用多模探測，發揮不同頻段、不同探測機理、不同探測體制的優勢，互相彌補各自的不足，有效提高復雜作戰條件下的抗干擾與目標識別性能。

3) 采用多模探測，可適應不同的目標特性，實現多種攻擊模式或多種作戰任務，提高多任務能力和作戰靈活性。

因此，多模及復合制導成為精確制導技術發展的重要方向，并獲得越來越多的應用[3-6]。

本文概述了多模及復合制導技術的基本概念，介紹了多模及復合制導技術的發展和應用情況，分析了多模及復合制導技術的發展趨勢。

1 多模及復合制導技術發展現狀

1.1 多模制導技術

多模制導技術是組合運用兩種及兩種以上目標探測傳感器進行導引的技術。如表1所示，各種目標探測傳感器均有其優點，但也存在一些問題。隨著目標偽裝、遮蔽及干擾手段的不斷發展，單一制導模式的武器越來越難以有效完成作戰使命。多模制導技術可以充分發揮不同頻段、不同探測機理、不同探測體制的優勢, 互相彌補各自的不足，提高對目標的探測、識別、跟蹤能力，破解戰場環境日益復雜化和目標特性的不確定性所帶來的目標識別和抗干擾難題，其發展越來越受到重視[3-4]。

表1 各種目標探測傳感器的優點和存在的關鍵問題Tab.1 Advantages and key problems of various target detection sensors

根據參與尋的制導的傳感器的頻段(波段)或體制的差異，目前使用較多的多模制導技術主要包括光學多模制導、射頻多模制導及射頻/光學多模制導三種類型，如圖1所示。由于探測、跟蹤目標的傳感器的組合方式有很多種，這三種類型的多模制導又可進一步劃分成許多子類。經過多年的發展，這三種多模制導方式的多種子類技術已比較成熟，并獲得成功應用[7-8]。光學多模制導、射頻多模制導及射頻/光學多模制導的典型應用情況分別如表2～4所示。

表2 光學多模制導的典型應用情況
Tab.2 Typical applications of optical multi-mode guidance

導彈型號作戰使命采用的光學多模制導技術美國Stinger POST便攜式防空導彈紅外/紫外美國標準-3 Block1B/II海基中段彈道導彈防御雙波段長波紅外成像挪威NSM導彈,美國、挪威聯合JSM導彈反艦導彈,空地/空艦導彈中波/長波雙波段紅外成像以色列Python 5空空導彈戰斗機近距格斗短波/中波雙波段紅外成像南非/巴西第五代空空導彈A-DARTER戰斗機近距格斗短波/中波雙波段紅外成像法國MICA空空導彈戰斗機近距格斗/中距攔截短波/中波雙波段紅外成像美國地基攔截彈GBI地基中段彈道導彈防御大氣層外動能攔截可見光/雙波段長波紅外成像以色列箭-3地基中段彈道導彈防御可見光/長波紅外成像美國非視線導彈系統(NLOS)/精確攻擊導彈(PAM)車載/機載反裝甲激光半主動/非制冷紅外成像

表3 射頻多模制導的典型應用情況Tab.3 Typical applications of RF multi-mode guidance

表4 射頻/光學多模制導的典型應用情況Tab.4 Typical applications of RF/optical multi-mode guidance

1.2 復合制導技術

復合制導技術是在導彈飛行彈道的同一階段或不同階段(如中段或末段)采用兩種以上制導方式進行制導的技術。復合制導可以有效解決中遠程精確制導武器需要高制導精度和尋的制導作用距離有限的矛盾。中遠程精確制導武器一般采用2種以上的制導方式復合。

目前應用和發展的復合制導技術主要采用衛星導航(GPS)/慣性導航(inertial navigation system，INS)中制導和尋的末制導復合，主要包括：GPS/INS+光學復合制導、GPS /INS+射頻復合制導、GPS /INS+多模尋的末制導復合制導、雷達指令修正+慣導中制導+射頻(光學)尋的復合制導。

GPS /INS+光學復合制導利用衛星導航系統、彈載慣性導航系統進行中制導，控制導彈完成中段的自控飛行，使導彈到達接近目標的區域;末制導飛行段由彈載光學探測傳感器截獲、跟蹤所要打擊的各種目標，并控制導彈飛向目標。GPS/INS+光學復合制導的典型應用情況如表5所示。

表5 GPS/INS+光學復合制導的典型應用情況Tab.5 Typical applications of GPS/INS plus optical compound guidance

續表5

GPS/INS+射頻復合制導利用衛星導航系統、彈載慣性導航系統進行中制導，末端由彈載射頻傳感器探測并跟蹤所要打擊的各種目標。目前，GPS/INS+主動雷達復合制導、GPS/INS+被動微波雷達復合制導已在多型空地精確制導或機載反輻射武器中獲得應用，如德國的KEPD 150-SLM和英國/法國的Apache AP空地精確打擊導彈均采用了GPS/INS+主動毫米波雷達復合制導，美國的AGM-88D反輻射導彈采用了GPS/INS+被動雷達復合制導。

GPS/INS+多模尋的末制導復合制導技術利用衛星導航系統、彈載慣性導航系統進行中制導，末制導段由彈載多模傳感器截獲并跟蹤所要打擊的各種目標。GPS/INS+多模尋的末制導復合制導的典型應用情況如表6所示。

為了精確攔截高速空中目標，國內外先進中遠距防空導彈和空空導彈主要采用雷達指令修正+慣導中制導(有的還增加GPS導航)和尋的末制導復合制導方式，典型應用情況如表7所示。

表7 雷達指令修正+慣性中制導+射頻(光學)尋的末制導復合制導的典型應用情況Tab.7 Typical applications of radar command update plus inertial midcourse guidance plus RF (optical) homing terminal compound guidance

續表7

1.3 多模及復合制導技術特點

多模及復合制導相對于單模制導具有突出的優勢，在先進精確制導武器中獲得了廣泛的應用。從國外先進國家多模及復合制導技術的發展與應用情況來看，總體來說有如下特點。

1) 為了使導彈能在復雜戰場環境下實現精確末制導，越來越多的先進精確制導武器采用了不同頻段、不同機理和不同工作體制的多模尋的末制導技術的組合。多模組合的方式包括光學多模、射頻多模和射頻/光學多模。

2) 中遠程精確制導武器普遍采用中制導和末制導復合制導技術。中制導普遍采用慣導+衛星導航，以顯著提高中制導精度，并通過末制導支撐精確制導武器實現精確打擊。

2 多模及復合制導技術的發展趨勢

為了進一步提升精確制導武器的遠程精確打擊能力、對復雜作戰環境的適應能力以及對抗先進威脅目標的能力，同時為了解決先進精確制導裝置技術復雜、成本較高與大量裝備精確制導武器對降低成本的要求之間的矛盾，多模和復合制導技術將向以下方向發展。

2.1 發展多模成像制導技術，適應復雜戰場環境

高性能多模精確制導技術將向體制差異大、頻段差異大、信息含量豐富的方向發展，以獲取更多的目標信息，提取更多的目標特征，提高在復雜戰場環境下的目標識別能力。近年來，多光譜成像制導技術、合成孔徑雷達/紅外成像雙模制導技術、合成孔徑雷達/激光雷達成像雙模制導技術、紅外成像/激光雷達成像雙模制導技術已成為發展熱點[3-4,7-8]。本文主要介紹多光譜成像制導技術。

結合成像技術和多光譜技術的多光譜成像技術，可以在不同的光譜段對同一個目標成像，獲取并分析目標的光譜信息，對于可靠區分目標和誘餌具有顯著作用。

多光譜成像制導涉及的關鍵技術包括小型化多光譜圖像信息獲取、多光譜成像譜段選擇優化和實時多光譜目標識別。

2.1.1小型化多光譜圖像信息獲取技術

多光譜成像系統由成像和光譜分光2部分組成(如圖2所示)，分別完成對目標的成像和光譜波段分離，分光系統是其關鍵部件。目前主要的分光技術包括色散型分光、傅里葉干涉型分光、濾光片分光、衍射光學分光等。彈載多光譜成像系統小型化主要可以通過以下3種方式實現。

1) 旋轉濾光片輪方式

旋轉濾光片輪式多光譜成像采用了一個具有多個通帶的濾光片的旋轉盤。來自場景(包括目標)的光通過成像物鏡后，再經過濾光片輪上的濾光片分光，形成不同譜段的光；不同譜段的光成像到單個探測器或者焦平面陣列上，獲得多個譜段的圖像；將各個譜段的光譜信息組合重構，可建立二維空間圖像信息與一維光譜信息組合的三維“數據立方體”。這樣的多光譜成像結構簡單，容易實現，雖然光譜通道數較少，但對于彈載應用是適中的。

圖2 基于旋轉濾光片輪的多光譜成像Fig.2 Multi-spectrum imaging based on rotating optical filter wheel

2) 共孔徑分光方式

共孔徑分光式多光譜成像采用一個共用的光學孔徑，結合分光片，能在多個焦平面上獲得同一場景的多光譜圖像；或是通過一組復雜的反射鏡把光譜上分離的圖像引至單個焦平面陣列的不同區域，再通過推掃形成多光譜圖像。

3) 單片多波段紅外焦平面陣列方式

采用單片多波段紅外焦平面陣列同時在多個譜段探測目標，可以省去常規的多光譜成像所需要的比較復雜的分光組件，實現較小、較輕、較簡單的多光譜成像系統。同時，避免了采用多個分立的焦平面探測器帶來的空間配準和時間配準問題，符合彈載應用的需求。目前，正在單片雙波段紅外焦平面陣列的基礎上發展采用疊層結構的三波段紅外焦平面陣列。

如圖3(a)所示，多色紅外焦平面陣列由幾個處于相同水平位置的探測器組成，每個探測器感應不同的譜段。輻射先照射到較短波長的探測器上，較長波段的輻射透過該探測器并照射到下一個探測器上。每一個探測器層吸收到其截止波長的輻射，更長波長的輻射由下一層探測器吸收。美國DRS公司已經實現了三波段的紅外探測器結構，如圖3(b)所示。

(a) 單片多波段紅外焦平面陣列結構(b) 美國DRS公司的三波段紅外探測器結構圖3 單片多波段紅外焦平面陣列Fig.3 Single chip multi-band IR focal plane array

2.1.2多光譜成像譜段選擇優化技術

由于彈載應用的約束和遠距離截獲目標的需求，多光譜成像制導所能采用的譜段數目比遙感應用的譜段數目少。由于僅能獲得有限數量的多譜段圖像，在規劃和設計多光譜成像傳感器的過程中，需要進行譜段選擇與優化，確定最佳的譜段分割方案，實現探測識別距離性能與正確識別概率性能的良好平衡。需要構建一個仿真模型，通過加入所期望的目標和多光譜傳感器特征,合成圖像立方體，從而評估采用多譜段組合的多光譜傳感器辯識目標材料和溫度的能力。由于譜段分割方案有許多可能的解，必須采用適當的優化方法從中得到最佳解。

2.1.3實時多光譜成像目標識別技術

多光譜成像可以形成場景(包括目標)的圖像立方體數據，由于數據量很大，必須采用適于彈載應用的實時算法對圖像立方體數據進行分析處理，實現實時多光譜成像目標識別。典型的多光譜成像目標識別方法包括基于光譜維特征提取或匹配的識別方法(如多光譜匹配濾波、光譜角映射)、基于光譜時變特性的識別方法、基于空間幾何信息與光譜信息融合的識別方法。

2.2 發展分布式復合制導技術，適應分布式、網絡化作戰方式

隨著現代戰爭形態的根本性變化，武器系統向網絡化、協同化、智能化的方向發展已成為必然，適應分布式、網絡化作戰方式的分布式復合制導技術，正成為精確制導技術重要的發展方向。

目前，精確制導系統正在從基于彈載設備的彈上集中式目標探測與信息獲取模式向分布式信息獲取、基于體系的探測模式、多頻段多體制的系統構成方向發展。艦空導彈武器系統可充分利用遠程、超視距一體化火力控制系統和協同交戰系統、早期預警系統，支撐一體化的遠距離探測-交戰能力。具有網絡化作戰能力的導彈，可從艦載雷達或其他外部傳感器獲得目標指示，采用指令+慣性中制導和主動雷達或紅外成像精確末制導，實現超視距攔截飛機類目標、巡航導彈及中近程戰術彈道導彈的能力[5-8]。

通過進一步的發展，依托不斷進化的數據鏈，抗干擾通信系統等先進的戰場信息網絡和由陸、海、空、天各種傳感器構成的信息戰場傳感網絡，在大數據和云計算等信息網絡技術的支撐下，構建作戰云。將廣泛分布于太空、臨近空間、空中、地面、海上和水下各域作戰平臺的戰場情報信息一體化融合，并實時無縫地在各域作戰平臺按需分發，實現多維作戰數據跨域共享。借助于強大的戰場信息網絡，分布式復合制導技術可從云端按需實時獲得天基、臨近空間、空基、海基、陸基探測系統所獲取的多視角觀察、多波段探測的目標信息，結合其彈載探測系統獲取的目標信息，在復雜戰場環境中實現對目標的可信探測與識別[9-13]。

分布式復合制導技術涉及到時空配準、異源異構信息融合等關鍵技術。

1) 時空配準：分布式的探測平臺探測同一目標區域時，存在時間異步和坐標系不統一問題，必須進行時間配準和空間對準，為數據融合創造條件[4,14]。

2) 異源異構信息融合：分布式的探測平臺處于不同位置/視角，采用不同探測設備，對目標探測將產生不同類型、不同數據量和不同分辨率的目標區域信息，這些信息是異源異構信息。異源異構信息融合需解決3個關鍵問題：異源異構信息統一表示方法；多目標情況下異源異構傳感器數據的關聯方法；異源異構目標信息的特征認知與融合方法[14]。

2.3 發展低成本的多模與復合制導技術，適應低成本需求

隨著精確制導技術的普遍應用，除了精確制導導引頭的性能之外，其成本問題越來越受到關注。隨著慣性導航等中制導手段的精度不斷提高，在對地精確打擊等應用場合，對末制導的作用距離要求降低了。因此，各國正在發展低成本的多模與復合制導技術。GPS/INS+非制冷紅外成像末制導、GPS/INS+捷聯式紅外成像末制導、GPS/INS+捷聯式激光半主動末制導已在多型空地精確制導武器上得到應用。近年來，組合成熟的微波半主動或激光半主動制導和紅外成像制導、主動雷達制導的低成本多模制導技術也倍受關注[7]。

2.4 發展小型化、高精度的自主導航技術，降低中制導對衛星導航的依賴

目前，中遠程精確制導導彈的中制導普遍采用衛星導航+慣導組合導航方式。這種制導方式對衛星導航的依賴性較大，在衛星導航受到干擾的情況下，中制導精度會受到明顯影響。因此需努力發展適合彈載應用的小型化、高精度的自主導航技術，與慣導結合構成組合導航系統，實現高精度的中制導。新型導航技術包括：微小型及芯片級量子導航技術[15-18]；視覺/慣性組合導航技術[19-20]；彈載星光/慣性組合導航技術[21-25]；地磁輔助慣性導航技術[26-35]。

3 結束語

多模及復合制導技術是精確制導技術的重要發展方向之一，能夠有效提升精確制導武器的中遠程精確打擊能力、復雜作戰環境適應能力以及對抗先進威脅目標的能力。目前，多模及復合制導技術已應用在多種先進精確制導武器上。多模成像制導技術、分布式復合制導技術、低成本的多模與復合制導技術、小型化高精度的自主導航技術是未來多模及復合制導技術的主要發展方向。