周克強，王海川

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 引言

國內(nèi)海軍裝備的艦炮武器系統(tǒng)中，小口徑系列主要用于近程反導(dǎo)，中大口徑系列以對海和遠程對岸為主要使命，兼顧對空作戰(zhàn)，各系統(tǒng)傳感器配置相對獨立，在艦艇編隊艦炮對空防御/火力打擊時，作戰(zhàn)資源使用效率較低。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，艦艇編隊內(nèi)傳感器組網(wǎng)可以提高信息的共同感知能力，通過在各武器系統(tǒng)中共享艦炮火控數(shù)據(jù)，控制艦炮武器發(fā)射，支持艦炮武器協(xié)同成為提高海軍作戰(zhàn)能力的途徑。

目前協(xié)同交戰(zhàn)能力［1］（CEC）數(shù)據(jù)鏈將戰(zhàn)場上的艦載和機載傳感器/武器鏈接起來，以產(chǎn)生非常精確的單一、共享空中態(tài)勢圖，支持艦艇與它本身傳感器作用距離以外的目標(biāo)作戰(zhàn)，例如一個作戰(zhàn)平臺可以在其自身雷達從未捕獲目標(biāo)的情況下，使用從其他CEC單元接收到的數(shù)據(jù)，發(fā)射導(dǎo)彈并引導(dǎo)它攔截目標(biāo)。然而要做到對艦炮武器系統(tǒng)的協(xié)同指揮，特別是艦炮火力的精確到達控制，對共享目標(biāo)數(shù)據(jù)的實時性，以及火控數(shù)據(jù)的共享形式提出了特殊的要求。

本文立足于國內(nèi)現(xiàn)有裝備，對艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)信息進行深度挖掘利用，促進艦炮武器戰(zhàn)技戰(zhàn)法的提高，將探討在相控陣?yán)走_建立艦炮武器殺傷數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上，建立艦炮武器系統(tǒng)信息網(wǎng)，并通過聯(lián)合反導(dǎo)的作戰(zhàn)場景，分析該網(wǎng)絡(luò)如何通過艦炮火力的精確控制，提升艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)的聯(lián)合反導(dǎo)攔截效能。

1 艦炮武器系統(tǒng)互通互聯(lián)

國內(nèi)艦艇數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)各種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)實時的傳輸和交換，為指揮決策和戰(zhàn)場實時控制提供保障。然而真正能被艦炮武器系統(tǒng)直接使用的火控數(shù)據(jù)尚未通過數(shù)據(jù)鏈接入艦炮武器控制。聯(lián)合合成跟蹤網(wǎng)重點關(guān)注傳感器數(shù)據(jù)整合，但是對于艦炮武器的精確控制尚缺乏進一步考慮。艦炮武器系統(tǒng)對共享數(shù)據(jù)存在其特殊性：1）對目標(biāo)數(shù)據(jù)實時性要求高，艦炮火控解算通過對當(dāng)前目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)的濾波來預(yù)測和彈丸的相遇點，滯后的目標(biāo)數(shù)據(jù)將增大火控系統(tǒng)誤差，對高速機動類目標(biāo)影響更大；2）對數(shù)據(jù)空間一致性要求高，各傳感器在各自艦艇平臺的安裝位置不同，探測時艦艇甲板搖擺不定，目標(biāo)跟蹤頻率各異；3）需要關(guān)注全彈道時空數(shù)據(jù)，特別是火力達到的精確計算；4）數(shù)據(jù)鏈終端需要一定的數(shù)據(jù)存儲和計算能力，例如校射偏差轉(zhuǎn)換時需要本艦航程累計。

隨著相控陣?yán)走_在新型驅(qū)逐艦的列裝，對艦炮武器系統(tǒng)而言將具備更強的火控管理能力，相控陣?yán)走_為大口徑艦炮武器系統(tǒng)提供多個目標(biāo)的精跟資源通道，另外可以通過相控陣?yán)走_構(gòu)建一體化艦炮武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈，結(jié)合雷達自身的特點以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，利用雷達平臺進行通信，滿足艦艇艦炮武器系統(tǒng)之間的協(xié)同。圖1顯示了在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的調(diào)配和授權(quán)下，通過相控陣?yán)走_形成艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，為艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)提供火控級共享數(shù)據(jù)，達到艦炮火力精確控制的示意圖。文獻［2］結(jié)合艦載一體化發(fā)展的需要，以CEC網(wǎng)絡(luò)中的DDS設(shè)計技術(shù)，以及Link16數(shù)據(jù)鏈中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為啟示，提出了基于艦載相控陣?yán)走_實現(xiàn)雷達通信一體化設(shè)計的思路，并從通信系統(tǒng)的鏈路流程、時間資源、時隙分配以及通信協(xié)議幾個方面進行了論述。2007年雷聲公司演示有源相控陣?yán)走_傳送大量文件，作為指揮與控制平臺或者地面站的能力，性能遠優(yōu)于現(xiàn)有的寬帶戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和通信系統(tǒng)，雷聲公司稱，提供有源陣列、相應(yīng)的算法和軟件就能過的這種新功能，并將其命名為“超級通信”（Super Communication）功能；2013年雷聲公司在荷蘭岸基設(shè)施上成功演示雙波段數(shù)據(jù)鏈與先進相控陣?yán)走_（APAR）的集成，并演示了其作戰(zhàn)能力，擴大了歐洲能夠進行艦船彈道導(dǎo)彈防御的艦船數(shù)量。

圖1 艦炮武器系統(tǒng)互聯(lián)互通示意圖

2 火力精確控制提升反導(dǎo)能力

高射速小口徑艦炮依靠高密度彈群集中覆蓋提前點來毀傷來襲反艦導(dǎo)彈，然而對于高速機動目標(biāo)的情況，該集火射擊方法的缺點也變得日益突出，目標(biāo)高速機動性，極易導(dǎo)致火控預(yù)測的提前點精度下降，而少量的彈丸對反艦導(dǎo)彈的毀傷極為有限［3］，為克服此類不足，本文嘗試通過中大口徑艦炮結(jié)合小口徑艦炮進行聯(lián)合反導(dǎo)的方案，來增強艦艇編隊艦炮武器系統(tǒng)的聯(lián)合反導(dǎo)能力。

目前艦艇裝備的中大口徑艦炮以76 ms、100 ms和130 ms口徑為主，一般認為中大口徑艦炮的有效殺傷近界在3 km，而小口徑艦炮的有效殺傷遠界在1.5 km，兩者一般通過梯次攔截來提高全航路對反艦導(dǎo)彈的毀傷效能，本文通過相控陣?yán)走_建立的艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，真正通過信息手段實現(xiàn)艦炮火力的精確到達控制，實現(xiàn)1.5 km處中大口徑彈丸水柱和小口徑彈幕的聯(lián)合精確控制，能有效地提升艦炮武器系統(tǒng)的反導(dǎo)能力。艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合體系結(jié)構(gòu)［4］見下頁圖 2。

2.1 水幕反導(dǎo)原理

圖2 艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)

以往認為中大口徑艦炮由于自身固有的系統(tǒng)偏差，對1.5 km處攔截掠海高速機動目標(biāo)作用有限，文獻［5］提出了對反艦導(dǎo)彈進行抗擊的水幕反導(dǎo)射擊方法，文中指出海水密度約為空氣密度的1 000倍，彈丸水柱由海水和空氣混合組成，其密度遠遠高于空氣密度。根據(jù)流體動力學(xué)原理，當(dāng)高速運動的導(dǎo)彈撞擊到遠大于空氣密度的水柱時，瞬間增大的流體動力壓會使導(dǎo)彈彈體承受一個很大的過載，這一過載遠遠超過導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)及組件所能承受的過載極限，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈解體、爆炸或失控偏航。試驗和實踐經(jīng)驗表明，中大口徑艦炮達到有效攔阻密度的水柱高度可達15 m~20 m，直徑可達5 m~7 m，考慮到大中口徑艦炮，從彈丸入水到水柱升起到最大高度一般需要2 s~4 s，雖然水柱形成過程與艦炮口徑和彈種有關(guān)，但對大中口徑艦炮水柱形成時間進行分析，彈丸入水爆炸后到形成較為理想的彈著水柱的時間為3 s左右。

目前絕大多數(shù)反艦導(dǎo)彈的末段彈道為掠海飛行彈道，高度在10 m以下。因此，在高度上艦炮水幕可以抗擊絕大多數(shù)的反艦導(dǎo)彈。水幕反導(dǎo)射擊時火控解算的諸元控制彈丸落水點，水柱的形成需要時間，控制水柱形成時剛好目標(biāo)達到。

2.2 聯(lián)合反導(dǎo)流程設(shè)計

艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)射擊時間緊迫，為減少射擊指揮層次和操作程序，便于實施，一旦艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)方案獲得批準(zhǔn)后，編隊艦炮武器系統(tǒng)直接無縫共享相關(guān)火控數(shù)據(jù)。

以某型小口徑艦炮武器系統(tǒng)和某型大口徑艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)為例，其中大口徑艦炮武器系統(tǒng)內(nèi)配備跟蹤雷達數(shù)據(jù)通訊周期為20 ms，具備彈丸跟蹤能力，系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)流程見圖3，打擊過程如下：

1）大口徑艦炮火控設(shè)備以水柱形成阻攔導(dǎo)彈為目的控制艦炮擊發(fā)，并通過測速雷達的紅外脈沖信號，記錄彈丸出炮口的準(zhǔn)時刻T0，并鎖定彈丸出炮口的艦炮架位數(shù)據(jù)；

圖3 艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)功能流程圖

2）火控設(shè)備計算理論彈道，向跟蹤雷達進行彈跡指示；

3）火控設(shè)備接收到跟蹤雷達反饋的彈丸跟蹤數(shù)據(jù)（對齊到開火時刻），進行彈道濾波；

4）火控設(shè)備可根據(jù)彈道偏差數(shù)據(jù)，分離部分射擊誤差如彈道氣象等信息；

5）火控設(shè)備進行彈跡預(yù)測，估算彈丸落水時刻和位置信息；

6）通過艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，共享即將出現(xiàn)的水柱信息；

7）小口徑近防艦炮武器系統(tǒng)修正目標(biāo)未來點預(yù)測模型進行射擊；

8）同時形成水柱阻攔和彈幕攔截的火力到達控制。

其中步驟1）中艦艇編隊通過協(xié)同控制大口徑艦炮的發(fā)射時刻，可以盡可能保證多個水柱同時出現(xiàn)，增加水柱阻攔的范圍；步驟4）中通過分離的彈道氣象誤差信息，也可以在編隊艦炮武器系統(tǒng)中進行共享。

3 關(guān)鍵模型與可行性分析

3.1 射擊時間控制

艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)時間緊迫，控制流程嚴(yán)格，大口徑艦炮武器系統(tǒng)在完成彈道跟蹤后，需要在小口徑艦炮發(fā)射之前，向小口徑艦炮火控設(shè)備完成反饋。

在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，如圖4所示，某型大口徑艦炮武器系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)射時刻為T0，通過射表可知1 500 m處落水點飛行時間約為1.86 s，假設(shè)彈丸入水到水柱升起到最大高度需要3 s，并在此時與目標(biāo)相遇，則相遇時刻T2=T0+4.86；假設(shè)小口徑艦炮發(fā)射時刻為T3，1 500 m處命中點飛行時間約為2.25 s，如果要實現(xiàn)水柱和彈幕同時到達的效果，可知發(fā)射時刻T3=T2-2.25=T0+2.61。

圖4 聯(lián)合反導(dǎo)時間控制

根據(jù)以上時間估算，如果水柱和彈幕實現(xiàn)聯(lián)合反導(dǎo)，小口徑艦炮在大口徑艦炮發(fā)射后約2.61 s后即要進行擊發(fā)，在這個時間段內(nèi)，主要需要實現(xiàn)兩個主要功能：大口徑艦炮發(fā)射后，火控設(shè)備立即指示跟蹤雷達進行彈丸跟蹤和落點預(yù)測（分配約1.5 s）；小口徑艦炮火控根據(jù)水柱威脅進行預(yù)測模型的調(diào)整和解算諸元的校正（有解算諸元的情況下進行調(diào)整，分配約0.5 s）。通過分析艦炮武器系統(tǒng)在1 500 m處聯(lián)合反導(dǎo)在時間反應(yīng)上基本可行。

3.2 彈跡跟蹤和預(yù)測

艦載大口徑艦炮發(fā)射后，測速雷達可測得的彈丸出膛的紅外脈沖信號以及彈丸初速，火控設(shè)備在收到該信號后，綜合利用捷聯(lián)垂直基準(zhǔn)的艦艇姿態(tài)數(shù)據(jù)以及本艦綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，計算火炮空間指向角，在地面坐標(biāo)系下采用彈道積分方法［6］，求解彈丸出膛后經(jīng)過K個火控解算周期在空中飛行的運動參數(shù)，即位置和速度值，當(dāng)前運動參數(shù)由火控設(shè)備用于指示跟蹤雷達捕獲跟蹤彈丸，所用的外彈道模型為：

火控設(shè)備對接收的彈道測量數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波進行平滑處理，求取地理坐標(biāo)系下的彈丸測量數(shù)據(jù)即位置和速度。由于擊發(fā)后艦艇在運動，因此，各彈道點數(shù)據(jù)均要修正到艦炮射擊時刻，主要是修正擊發(fā)后的本艦航程，x方向修正公式為，y方向修正公式為為第i個周期的本艦航程在x、y方向的分量。

獲取彈丸跟蹤濾波處理的信息后，采用3.3節(jié)彈道氣象誤差提取方法，根據(jù)修正后的氣象參數(shù)、彈丸初速，以及彈丸被穩(wěn)定跟蹤時刻的當(dāng)前運動參數(shù)，在地面坐標(biāo)系下采用彈道積分方法實時積分，預(yù)估未來彈丸數(shù)據(jù)即位置和速度。比較彈丸高度數(shù)據(jù)與海平面高度數(shù)據(jù)（假設(shè)海平面高度為0）的高度差，若大于給定的閾值δ繼續(xù)積分，直至高度差<δ，此時彈丸位置數(shù)據(jù)，即為所求解的彈丸水柱坐標(biāo)。

3.3 氣象偏差提取

引起彈道偏差的因素有很多，對于大口徑艦炮而言，除測速雷達可以測量彈丸發(fā)射后的實際初速外，彈道偏差的一個主要來源是彈道氣象誤差，因此，盡可能地分離氣象偏差，短時間內(nèi)可以共享給其他艦炮武器系統(tǒng)，提高射擊精度。

建立偏差模型，通過彈道微分方程的泰勒級數(shù)展開，并保留一階項，可得到氣象因素對彈道偏差的影響，需要辨識參數(shù)向量為：

表示為Y=AX；

其中，△P為氣壓偏差，△T為氣溫偏差，△Wy為橫風(fēng)偏差，△Wx為縱風(fēng)偏差，△x、△y、△z分別為彈道偏差在3個坐標(biāo)軸上的分量。

根據(jù)當(dāng)前使用的氣象參數(shù)，結(jié)合修正量X，得到修正后的氣象參數(shù)；利用修正氣象參數(shù)以及彈丸被穩(wěn)定跟蹤時刻的位置和速度，當(dāng)作彈道方程重新計算的初始條件，進一步提高彈丸落點的預(yù)測精度。

3.4 火控預(yù)測模型調(diào)整

以某小口徑艦炮火控多模型自適應(yīng)跟蹤算法為例［7-9］，對于機動復(fù)雜的目標(biāo)而言，同一時刻采用多個模型完成濾波，根據(jù)它們的似然函數(shù)，計算每一個模型的正確概率，然后求它們的加權(quán)和。改進后的多模型算法結(jié)構(gòu)如圖5所示，大口徑彈丸采用水柱攔截模式計算諸元，發(fā)射后由于采用彈跡跟蹤預(yù)測模式，能夠馬上較為準(zhǔn)確地預(yù)知水柱信息；小口徑艦炮采用跟蹤集火射擊模式，在進行加權(quán)系統(tǒng)計算時，充分考慮到水柱即將產(chǎn)生的“區(qū)域拒止”效果，修正當(dāng)前濾波器加權(quán)系數(shù)，保證小口徑彈丸向更多的非水柱區(qū)域進行集火射擊，提升艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合攔截概率。

圖5 多模型算法結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合艦炮武器系統(tǒng)的特點，以艦炮火力精確控制為出發(fā)點，提出基于相控陣?yán)走_建立艦炮武器系統(tǒng)殺傷數(shù)據(jù)鏈，分析了共享火控數(shù)據(jù)的內(nèi)容和要求，并以小口徑和大口徑艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)合反導(dǎo)為例，展現(xiàn)了一體化火控網(wǎng)絡(luò)提升反導(dǎo)攔截概率的能力，該火控網(wǎng)絡(luò)也可應(yīng)用于艦艇編隊作戰(zhàn)，結(jié)合新型激光炮和電磁軌道炮裝備，進一步提高防空反導(dǎo)和區(qū)域火力兼容控制能力。