引信
——時空識別與過程控制

2020-03-31 07:42:50楊宇鑫

探測與控制學報 2020年1期

張合，廖翔，楊宇鑫，劉鵬

(南京理工大學智能彈藥國防重點學科實驗室，江蘇南京 210094)

0 引言

引信從機械型發展到機電型、近炸型，正在朝靈巧與智能型發展[1]，從控制的視角看，機械與機電型引信的炸點控制僅針對目標從觸擊或預設時間上控制炸點，屬于點控制，存在控制精度差與毀傷效能低的缺陷。而后發展的近炸引信與計轉數定距空炸引信在兩維空間實現炸點控制，屬于線控制，毀傷效能雖有大幅度提高，但仍沒有把彈藥的威力發揮到最大。正在發展的靈巧與智能引信在目標距離與方位多維空間實現炸點控制，屬于面或體控制，可極大地提高彈藥的毀傷效能。隨著精確打擊彈藥、彈道修正彈藥與修正引信的發展，引信在多維空間的時空識別技術成為迫切需求。為了實現精確打擊與高效毀傷，引信應在彈藥飛行的不同速度與姿態下的最佳毀傷區內對炸點精準控制屬于過程控制也急需發展，其約束變量為發射出膛后的時間零點、飛行空間的三維坐標、速度與姿態、最佳毀傷半徑等作為邊值[2]，通過建立的多輸入與單輸出動態控制數學模型，在目標與環境的約束下進行過程控制，根據毀傷不同目標類型約束可選用不同的輸出控制量，有空中、地面、海面、地下與水下目標約束[3]，如對付地面有生力量，輸出可選用合理的地面炸高，對于地下硬目標內的人與物，輸出可選用出靶后合理的距離，戰斗部毀傷效能將會大幅度提高。由此，時空識別與過程控制對引信的發展變的尤為重要，應是引信控制理論發展的主要方向。

1 引信經歷的時空識別

引信的時空識別指的是當引信隨彈藥發射后經歷的膛內運動階段、空中或水中運動階段、到達目標前階段，在每一階段的時間與空間范圍內對控制量的識別。在每一階段的時間有起始量、運行量、結束量，以及誤差控制量；在每一階段的空間有環境量、位移相關量、角度相關量、目標量以及誤差控制量。如武器系統與引信具有信息交聯的功能，部分控制量可在發射前裝定獲取。因此，引信獲取時空識別的信息分為外部信息與內部信息，外部信息由武器系統與引信信息交聯獲取，內部或環境信息由引信自身特種傳感器獲取。

引信隨彈藥發射時經歷的環境與時間、空間、目標的種類是引信設計的邊值函數，如何使時空識別函數簡單與實用是設計者根據不同引信的功能而建立，函數的基本形式如下：

F=f(T,H(t),R(t),M(t))

(1)

式(1)中，T為引信飛行的時間，初值為T0，全程與速度相關，H(t)為環境量，R(t)為引信飛行的位移量(線位移與角位移)，M(t)為彈藥攻擊的目標量。

彈藥部分的環境與目標信息、飛行參數與起爆模式可通過信息交聯獲取，具體的交聯方式見表1。

例如單兵火箭彈空炸引信，考慮單兵火箭彈由于口徑小、重量輕、攜帶方便，在局部戰爭和反恐戰爭中發揮著重要作用，采用發射前利用激光測距機和其他探測設備獲取目標距離信息和戰場海拔高度、環境溫度、風速等環境信息，通過引信信息交聯技術對引信電路進行發射前能量供給和信息初始化裝定，彈丸發射后，利用彈載探測設備獲取彈丸初速或目標位置信息，從而對彈丸作用時間或彈道空間軌跡進行修正，可提高彈藥對目標的毀傷效能。

小口徑彈藥空炸引信：目前小口徑彈藥研制和改進的主要方向是通過配備可編程空炸引信，使彈藥具備精確定點起爆能力以及與系統協調、快速反應的能力。小口徑彈藥射速快，可達每分鐘4 500發以上射速，并且隨著技術發展和戰術指標提高，射速還在提升，對于該小口徑高射速彈藥，可用彈鏈或炮口無線交聯方式，彈鏈交聯是彈丸由彈鏈拖動進膛前的毫秒級時間內完成能量供給和信息裝定，炮口裝定是在彈丸發射出膛口的數十微秒時間內完成信息裝定，炮口裝定方式要求彈丸飛經炮口前彈載電源可靠激活，引信裝定電路正常工作，以便接收炮口裝定信息。

坦克炮彈藥空炸引信底火交聯：坦克炮彈藥存在首發命中需求，通過火控計算機、底火和彈藥引信進行信息交聯，可完成膛內彈藥的發射前信息傳輸，實現引信起爆方式和彈道修正彈藥初始信息加載。

表1 武器平臺與不同彈種引信裝定方式Tab.1 Setting mode of fuze for different weapon platforms and projectiles

彈藥發展的初期，僅采用一種彈藥對付一種目標[4]，配一種引信完成特定毀傷任務。隨著技術的發展，要求一種功能彈藥對付多種目標，多功能彈藥對付多種目標，從而配用的引信要求多功能化，實現引信多功能化的前提必須首先保證引信對目標可探測，由于目標的種類繁多，選擇的引信探測和起爆控制方式也不同，常用方式如表2所示。

引信探測可分為環境探測和目標探測兩部分，其中探測函數可表示為：

D(e,o,ld,us)=[De(e,le),Do(o,lo,us)]

(2)

式(2)中，Dε(·)為環境探測函數，Do(·)為目標探測函數，le為環境探測約束條件，lo為目標探測約束條件。

引信中常用探測方式見文獻[5]，引信在發射環境下主要經歷的物理環境是力學環境[6]。可探測力學量的傳感器有多種，如壓電式、壓阻式、電容式等，發射過程持續的時間在幾毫秒到幾十毫秒，常規火箭彈主動段在幾百毫秒或秒級。環境探測函數De的數學表達式為：

(3)

式(3)中，Ae為傳感器放置位置約束造成的信號增益或衰減，He(t)為環境探測的響應函數，由傳感器和放置位置約束決定，el為傳感器靈敏度下限，eu為傳感器探測范圍上限，tes為探測開始時刻，tee為探測結束時刻，上述參數均為環境探測約束條件。

表2 目標種類與引信作用方式Tab.2 Target type and action mode of fuze

對目標探測函數Do的數學表達式可用式(4)表示：

(4)

式(4)中，o為探測器t時刻靈敏度，lo為目標探測器的約束條件，us為目標與環境狀態輸入量，Ao為目標的特性約束造成的信號增益或衰減，Hd(t)為探測器的響應函數，由探測器性能和放置位置約束決定，Ho(t)為目標的響應函數，Wo為工作方式開關矩陣，由裝定信息決定，ol為探測器靈敏度下限，ou為探測范圍上限；Wo為對角陣：

(5)

式(5)中，W1、WN為目標探測開關，其值為0或1，具體取值受裝定信息中的工作方式和探測開始及結束時間約束。

靈巧引信能夠實現一種引信完成多項任務，根據目標的特性，如反射性能、強度性能、尺度大小等，在彈藥的約束條件下、設計出合理的引信探測系統。

2 引信過程控制

引信過程控制指的是在引信到達目標前完成規定的特定任務時，如開倉、點火、分離與起爆控制，根據時空識別信息，進行的動態開環控制，而硬目標侵徹起爆控制又是動態開環控制的一種特例，即瞬態開環控制。靈巧引信是在動態選擇對象觀測時機和控制輸入時機下的開環控制系統，其結構如圖1所示。這類系統的主要特征是：在系統的整個演變過程中，觀測和控制僅在某一時刻或某一時間段進行，即觀測/控制輸入和觀測/控制時機分別存在邊界約束，因此，控制算法除了需要解算觀測/控制輸入外還需要選擇觀測/控制時機。單純與基于控制模型的開環控制系統相比，動態開環控制系統能夠利用觀測信息對控制模型進行修正，通過合理的觀測時機和控制時機選擇，在總工作時長較短時，能夠實現與模型預測控制相似的控制效果，且由于觀測系統和控制輸出系統均只在觀測時機出現時工作，動態開環控制系統具有較高的能量利用率和較低的算法復雜度。

圖1 動態開環控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of dynamic open-loop control system

引信過程控制的整個工作過程可分如下四個階段：發射準備階段、膛內運動階段、環境和彈丸觀測與控制階段、起爆控制階段，每個階段可以觀測和控制的對象均不相同，觀測信息來源也各不相同，因此，每個信息觀測對象和信息來源均有不同的觀測時機約束，其中，起爆輸出只能在起爆控制階段出現，因此，控制時機被約束在起爆控制階段。綜上所述，引信過程控制系統是一種動態開環控制系統。

引信過程控制系統的最終目標為實現最佳毀傷控制，即控制彈丸完全按照任務設定的位置和狀態起爆。理想狀態下，最佳毀傷控制模型為一個多輸入單輸出的二階系統：

(6)

式(6)中，Xf為彈丸狀態，Af1為一次積分位置反饋參數，Af2為二次積分位置反饋參數，Bt1為任務輸入參數，Bt2為環境輸入參數，Ut1為目標狀態輸入，Ut2為環境狀態輸入，yf為起爆輸出，輸出函數δ(·)為一狄拉克函數。式(6)的含義為，彈丸的飛行狀態由狀態方程控制，當彈丸狀態與任務狀態完全一致時，yf=1輸出控制信號，否則yf=0不輸出控制信號，其控制系統結構如圖2所示。

圖2 最佳毀傷控制系統框圖Fig.2 Structure diagram of optimal damage control system

引信動態開環控制在特定時刻或特定時間段內觀測Xf及其一階和二階導數、Ut1和Ut2的瞬態值，修正控制模型，并通過控制模型和控制算法計算合適的控制時機，當引信到達控制時機時，輸出控制信息。動態開環控制系統的工作目標為：通過合理的選擇各狀態的探測時機，并設計控制模型和控制算法，使得控制信息yf=1出現時刻td的|Xf(td)-Bt1Ut1(td)|盡量小。

引信動態開環控制模型如圖3所示，系統分為動態開環控制系統和被控對象兩部分，動態開環控制系統無法對彈丸飛行進行控制。

圖3 引信動態開環控制模型Fig.3 Dynamic open-loop control model of fuze

圖3中Ur為基準輸入、Tf為控制狀態、Dm為模型輸入對輸出狀態的影響參數、θ(·)為單位階躍函數、Um0為模型輸入、to0至to4為觀測時機、Ut2為環境狀態輸入、Bt1為任務輸入參數、Bt2為環境輸入參數、td為彈丸起爆時刻、yd1為起爆時刻彈丸與任務的狀態差。從圖中可以看出，動態開環控制在觀測時機to0至to4觀測被控對象的各個參數，并將其輸入控制狀態演變算法和控制模型修正算法中，通過比較兩個算法的輸出結果確定控制時機td和控制輸出yf，控制時機td決定了最終的控制誤差yd1。其動態開環控制模型為：

(7)

式(7)中，Tf為控制狀態、n為控制狀態數量、Br為基準輸入對控制狀態的影響參數、Bt為任務狀態輸入對控制狀態的影響參數、Dti為任務狀態輸入對輸出狀態的影響參數、Dmi為模型輸入對輸出狀態的影響參數、Dri為基準輸入對輸出狀態的影響參數、Ut0=ft(Ut1(to0),Ut2(to1))為任務狀態輸入、Um為模型輸入函數，根據不同的觀察時機，考察不同的距離量、速度量或加速度量，公式如下：

(8)

動態開環控制精準度,即最佳控制時機td以及控制誤差yd1，由yf出現時刻Xf和Ut的距離決定：

td=min(yf-1(1))
yd1=|Bt1Ut(td)-Xf(td)|

(9)

不同的觀測時機to0至to4和控制狀態Tf，可以對應于現有的地面武器多功能引信系統：

1) 若to0為彈丸發射后至彈丸起爆的整個時間段，且目標信息探測由引信自身進行，則該引信通過觀測目標與彈丸的相對距離控制彈丸起爆，該引信為近炸引信，如激光近炸引信，無線電近炸引信等；

2) 若to4為彈丸碰目標時刻，且to2為to4時刻至彈丸起爆的整個時間段，則該引信通過觀測碰目標后的加速度變化控制彈丸起爆，則該引信為加速度侵徹引信；

3) 若to0和to1為彈丸發射前或發射過程中的某個時刻，且由火控系統解算，to4為彈丸出炮口時刻，控制狀態Tf為時間變量，則該引信為可裝定電子時間引信；

4) 若to0和to1選擇與3)相同，且to4為彈丸出炮口后全彈道過程，控制狀態Tf為彈丸旋轉次數變量，則該引信為計轉數定距引信。

3 引信時空識別與過程控制的發展

彈引系統通過膛內發射完成靜態到動態的轉換，從時間與空間概念上講，設計炮口為起始點，包含時間零點與坐標零點，在引信中應有一定的傳感器檢測出炮口信號，作為引信時空識別的設計輸入初值，由引信的環境探測系統獲取。彈引系統在空間飛行出現的彈道軌跡與理想彈道間產生的變化，是空間三個位移量與三個角度量的表征，必須采用傳感器實時檢測六個量，并與理想彈道進行比對，獲取偏差并進行修正。到達目標前臨近戰斗部毀傷半徑外一定距離，引信近場探測系統需獲取目標信息，如目標類型、目標特征與目標形體等，決定起爆時間與距離。因此，未來必須發展小型與集成化的速度、加速度與角速度傳感器處理芯片，通過快速運算獲取彈丸在空間的位移量和角度量，彈上修正機構快速修正彈道，使彈丸進入最佳毀傷區，引信實現精準起爆控制。因此，未來的修正彈藥、制導彈藥同引信如采用一體化設計，融入引信的過程控制方法，將大幅度提高彈藥的毀傷效能。

4 結論