遙感衛星支持對海精確打擊仿真分析方法研究

孫崢皓,張金昌,方 峰,孫亞楠

(中國空間技術研究院衛星應用總體部,北京100094)

1 引言

目前以“飛魚”、“戰斧”、“捕鯨叉”以及美軍正在發展的LRASM為代表的世界主流反艦導彈通常采用現在點射擊的攻擊方式,依賴其它平臺傳送或引導目標信息。在中遠海作戰任務中,傳統的陸基、艦載、機載等觀測手段能力相對受限,遙感衛星具有觀測區域大、通信距離遠、全天時、全天候等特點,將遙感衛星應用于反艦導彈射前目標信息保障能充分發揮導彈武器系統大射程、高命中等特點,更好地發揮武器的作戰效能,發揮不可替代的支撐作用。

對目標的有效捕獲是反艦導彈命中和毀傷目標的前提,在實際反艦導彈攻擊海上目標的過程中,從海上目標信息探測獲取,送至各級指揮所,然后分發目標信息到艦載導彈指控中心,上述過程各個環節均需要一定的時間。因此利用遙感衛星提供反艦導彈射前目標信息保障重點是要分析衛星提供的目標信息精度和傳遞的時延對反艦導彈打擊任務的影響,通過建立遙感衛星提供射前目標信息保障的捕獲概率模型,分析利用遙感衛星提供反艦目標信息保障的可行性,提煉總結使用模式和技術特點。

2 反艦導彈對衛星探測信息的應用需求分析

反艦導彈對遙感衛星目標信息保障的精度要求,是指需要保證導彈在自導段飛行結束到達末制導雷達等傳感器開機點時,目標信息的誤差(含探測誤差和從探測器生成目標探測信息時刻到導彈火控設備收到目標信息的時間內由于目標機動引起的機動誤差)能夠落入末導的最大搜索范圍。因此需要對多項指標進行綜合考慮。同時遙感衛星提供的目標信息越精準,越有利于導彈精準規劃末制導雷達開機時刻,雷達開機后其它目標進入搜索區的概率越小,越有利于導引頭的精確目標選擇。具體來說可以分為“捕得住”和“捉的準”兩個層面的要求。

“捕得住”即目指滿足導彈末導開機時,搜捕范圍能夠套得住目標;“捉得準”是指目指提供盡可能豐富的目標特征或目標周邊態勢信息,支撐導彈末導在開機后對發現的多個目標中,實現對預定目標的精準選擇。因此,反艦導彈對利用遙感衛星提供的目標信息,一是要提供更多的信息要素,既能滿足導彈的發射基本需求又能支持對目標精確選擇的需求;二是要提供更精確的目標位置信息,減少傳輸時延的壓力,使得遙感衛星目標信息的適用性更強,同時有利于精準規劃末制導雷達開機時刻,實現對待打擊目標的精確選擇。

3 遙感衛星信息保障能力分析

不同載荷、不同軌道的各類遙感衛星能夠獲取不同內容、不同精度、不同范圍的目標信息,這些信息的質量、刷新周期、處理耗時、傳輸時延各不相同,在一定的條件下均有可能提供導彈武器所需的目標信息。針對當前及未來一段時間內世界各國在軌衛星的能力特點,可用于反艦導彈目標信息的遙感衛星探測手段主要是電子偵察衛星、高軌光學衛星和主動雷達探測衛星。

3.1 電子偵察衛星

以美國“白云”星座為代表的電子偵察衛星具有單星覆蓋范圍廣,可全天時、全天候工作,獲取的偵測信息數據量小,處理傳輸耗時短,是當前可用性較好的探測手段。缺點是無法應對目標電磁靜默、無法獲取目標航速、航向及周邊態勢信息,目標識別的準確率依賴于歷史情報的完整性和準確度,當首次偵獲目標或目標特征發生變化時無法識別。指揮員難以僅依靠電子偵察目標信息下定打擊決心,也不能支撐當前先進遠程導彈打擊敵編隊時精準捕獲預定目標。

3.2 高軌光學衛星

高軌光學衛星優點是成像區域范圍較大,可對任一指定區域進行連續觀測。利用引導信息,高軌光學衛星可持續跟蹤目標,提供目標位置、航向、航速、編隊隊形等信息,能初步保障反艦導彈信息要素的精確打擊需求。缺點是分辨率較低,對目標識別能力有限,在暗夜或復雜氣象條件下難以發現目標。

高軌凝視衛星的最大優勢是能夠獲取待打擊目標及其周邊目標高精度的相對位置關系(相對位置關系定位精度為像素級,若衛星分辨率為100m,則相對定位精度即為100m)。

3.3 主動雷達衛星

主動雷達衛星采用主動雷達載荷,利用目標反射回波實現目標的發現與跟蹤。這類衛星可獲取大范圍目標反射的原始散點圖(包括島礁、軍艦、民船等目標),經處理可得到目標周邊完整的態勢信息,如目標所屬編隊隊形,目標和其周邊島礁、民商等第三方目標的相對位置關系等,進一步融合電子偵察、AIS等信息,能夠支撐導彈利用基于位置的目標選擇或基于編隊隊形的目標選擇策略,實現對目標的準確捕獲和打擊。

反艦導彈對于目標信息的主要門檻是涵蓋了目標探測定位精度和處理傳輸時延的時空綜合誤差,只要衛星獲取的目標信息滿足了反艦導彈對于目指的基本要素要求,同時時空綜合誤差能夠匹配導彈末制導的搜捕能力,那么就可以用于反艦導彈目指保障。

4 衛星探測信息支持反艦導彈捕獲模型建立

4.1 基本假設

反艦導彈對于目標信息的主要門檻是涵蓋了目標探測定位精度和處理傳輸時延的時空綜合誤差,只要衛星獲取的目標信息滿足了反艦導彈對于目指的基本要素要求,同時時空綜合誤差能夠匹配導彈末制導的搜捕能力,那么就可以用于反艦導彈目指保障。

作為模型建立的基礎,需要在反艦導彈和其所配置的末制導雷達的性能范圍內做以下假設:

1) 反艦導彈掠海勻速飛行,飛行平均速度為Vd;

2) 末制導雷達的方位搜索范圍為±α,只要預定目標在末制導雷達搜索范圍內,即可完成對目標的捕獲;

3) 艦船目標以平均速度VS運動,方向隨機;

4) 反艦導彈發射時刻距目標距離為SM,導引頭開機時刻導彈地面投影與目標距離為Ss;

5) 遙感衛星提供的初始定位誤差為dT。

4.2 影響目標捕獲因素

由于反艦導彈捕獲目標主要是判斷末制導導引頭開機覆蓋區域與目標散布范圍的關系,因此首先需要對遙感衛星提供的目標信息影響目標捕獲的因素進行分析。影響導彈捕獲目標的因素主要是考慮導引頭開機后的覆蓋范圍與目標運動的位置關系,主要與導彈自控終點散布誤差(dM),遙感衛星定位誤差(dT)和目標運動誤差(dJ)有關,其中遙感衛星定位誤差(dT)和目標運動誤差(dJ)又可以合成為目標散布誤差(Rs)。

1)自控終點散布誤差(dM)

圖1 影響目標捕獲因素

導彈自控終點誤差實際上分為隨機偏差和系統偏差。隨機偏差包括諸元、儀器、隨機風、溫度等造成的偏差。系統偏差是指由于系統計算自控飛行時間的理論公式是在理想條件下推導出來的,影響彈道的多種次要因素沒有考慮,因而造成了系統偏差。

導彈自控終點散布誤差即為隨機誤差,可用側向和縱向分布的概率誤差(Ex、Ez)來描述。導彈自控終點誤差是大量小誤差綜合作用產生的,根據概率理論中心極限定理,自控終點誤差服從二維正態分布,分解為反艦導彈自控終點在縱向(X)和側向(Z)上的散布,且距離誤差和側向誤差是相互獨立的,其分布函數為

mx為自控終點在縱向上的系統誤差,mz為自控終點在側向上的系統誤差,Ex為自控終點縱向散布標準偏差,Ez為自控終點在側向散布標準偏差。即反艦導彈落入以(mz,mx)為中心,長為6Ex、寬為6Ez的長方形內的概率為0.9946。

2)目標散布誤差(Rs)

遙感衛星定位誤差(dT)和目標運動誤差(dJ)又可以合成為目標散布誤差(Rs),其定義為

Rs=dT+dJ

目標最大散布范圍的面積

其中遙感衛星定位誤差為衛星提供的目標定位最大誤差;目標運動誤差為從衛星探測到目標至導引頭開機搜索的時間內,目標運動的最大距離。假設自目標探測時刻到導彈到達自控終點末制導雷達開機的間隔時間為T,則時間T包括從遙感衛星獲取目標時刻到信息傳輸到武器平臺用于發射的時間間隔為T1,艦載導彈指控系統接收到目標信息到發射離艦時間T2,反艦導彈末制導雷達導引頭開機時間T3,即T=T1+T2+T3。

其中導彈自控飛行時間

T3=(SM-Ss)/Vd;

即

4.3 衛星觀測捕獲概率定義

導彈末制導雷達開機時的目標搜索態勢直接決定了導彈能否快速有效捕捉到目標,根據“導彈-目標”區域散布時空關系,搜索區的態勢及“導彈-目標”區域散布幾何相對關系,包括如下兩種基本情況。

1)目標散布區遠小于導引頭搜索面積

當目標散布區很小,而末制導雷達搜索范圍較大時,即如圖所示。

由上圖可見,此種態勢出現的前提條件是目標散布范圍的半徑Rs

圖2 目標散布范圍較小時的搜索態勢

2)雷達搜索面積可以部分覆蓋目標散布區

當Rs>Ds×tanα,此時導引頭一個搜索周期便能夠覆蓋目標散布區,如圖3所示,O為導彈發射點,S點位末指導開機搜索點,M為目標現在點,目標的散布運動范圍可視為半徑為Rs圓的均勻分布,圓落在搜索扇面內的面積為SABCD,SABCD與圓的比值即為捕捉概率。

圖3 雷達搜索覆蓋目標散布的搜索態勢

為了簡化計算,將圖3近似等效成圖4,以計算SEFGH的面積代替SABCD。

圖4 目標散布范圍等效計算

為了便于計算,先求β,顯然0°<β<90°,則

由此算出:

導彈捕捉目標概率P可由末制導開機搜索扇面覆蓋到的面積與目標散布范圍面積的比值得到,即

P=SEFGH/S

5 算例分析

假設單枚導彈對單目標進行打擊,不考慮干擾對抗的條件下,計算單枚導彈利用遙感衛星對目標進行捕獲過程。反艦導彈的有關參數如下,SM=480km,Ss=45km,導彈的平均速度Vd=0.6Ma,導引頭搜索范圍α選擇40°,發射準備時間T2=60s,導彈自控終點散布的系統偏差mx=5km,mz=1km,目標艦艇的機動速度為24kn/h,即44.45km/h。

假設遙感衛星所能提供不同的目標定位誤差,考慮遙感衛星從發現目標時刻,直至到目標引導信息分發至導彈火控設備的時間間隔為3、5、10、15、20分鐘,則導彈對應的捕獲概率表1所示。

表1 遙感衛星不同精度、時延下的目標捕獲概率計算

表1給出了遙感衛星在不同精度、時延下對應導彈的捕獲概率。若將延遲時間固定,例如選取3min延遲時間,對衛星定位誤差和捕獲概率的關系進行分析,如圖5所示。

圖5 定位精度與捕獲概率關系

從分析結果可以看出,隨著遙感衛星定位誤差的增大,導彈捕獲概率顯著下降。

若將定位精度固定,例如選擇5.5km的定位精度,對衛星觀測目標數據傳遞時延與捕獲概率的關系進行分析,如圖6所示。

圖6 目標數據傳遞時延與捕獲概率關系

從分析結果可以看出,隨著目標信息延遲時間的增加,對應的捕獲概率也逐步降低。

從上述計算可以看出,即使在定位誤差最大(15.5km),延遲時間最長(20min)的情況下,依然可以滿足捕獲概率大于75%。由此可以初步分析,利用遙感衛星提供反艦導彈發射目標信息具備一定的技術可行性。

6 結束語

本文對影響反艦導彈目標捕獲的主要因素定位誤差和延遲時間進行了影響分析,計算了不同定位誤差和時延下的反艦導彈捕獲概率,初步分析了利用遙感衛星提供反艦導彈目標信息的可行性。