聶光戍，王 勇，邢 馳，謝 磊

（空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安710038）

1 引 言

在當(dāng)前多個局部沖突中，無人機(jī)對地攻擊效果顯著，但這種攻擊仍依賴于“人在回路”的地面操控和地面站與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。無人機(jī)真正完全獨立自主的對目標(biāo)進(jìn)行攻擊將是未來的發(fā)展方向，這離不開無人機(jī)自主攻擊決策系統(tǒng)。自主攻擊決策系統(tǒng)是無人作戰(zhàn)飛機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)的重要系統(tǒng)，包括目標(biāo)信息傳感器和任務(wù)軟件。而任務(wù)軟件必須具備的功能之一是進(jìn)行武器發(fā)射/投放前的預(yù)先準(zhǔn)備以滿足發(fā)射/投放條件。目前對無人機(jī)自主攻擊的研究主要集中于航跡規(guī)劃、攻擊決策、態(tài)勢評估等方面［1-2］，本文著重于對無人機(jī)自主決策攻擊系統(tǒng)的武器預(yù)先準(zhǔn)備控制邏輯進(jìn)行分析和仿真建模，為自主決策攻擊系統(tǒng)的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

2 機(jī)載武器預(yù)先準(zhǔn)備的特點

機(jī)載武器的預(yù)先準(zhǔn)備根據(jù)武器類型不同而不同，總體上包括以下幾個方面：武器所需不同狀態(tài)電壓電流的供給，武器導(dǎo)引頭位標(biāo)器的目標(biāo)指示，陀螺定位儀校準(zhǔn)和武器投放或發(fā)射初始條件的輸入，武器導(dǎo)引程序的輸入，引信起動控制和引信設(shè)定值的輸入等。相應(yīng)地，在武器的組成中包括以下部分：武器電源供應(yīng)部件、目標(biāo)指示部件、陀螺定位儀校準(zhǔn)部件和投放或發(fā)射初始條件輸入部件、導(dǎo)引程序輸入部件、引信起動控制儀和引信設(shè)定值輸入部件等。在無人機(jī)的自主攻擊決策系統(tǒng)中有不同武器的任務(wù)軟件，根據(jù)任務(wù)軟件的調(diào)度，進(jìn)行該種武器發(fā)射前的預(yù)先準(zhǔn)備［3］。

3 機(jī)載武器預(yù)先準(zhǔn)備模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯

3.1 電源供應(yīng)部件模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯

電源供應(yīng)部件的功能主要是保證在發(fā)射或投放前由載機(jī)供電、發(fā)射或投放后轉(zhuǎn)換為由武器自身供電，在供電轉(zhuǎn)換時對武器自身供電的參數(shù)進(jìn)行判斷以確定是否達(dá)標(biāo)。電源供應(yīng)部件包括變流器和穩(wěn)壓器、武器自身電源鑒別部件和轉(zhuǎn)換電路等［4］。變流器和穩(wěn)壓器將載機(jī)來的電源轉(zhuǎn)換成適合于武器的電源；武器自身電源鑒別部件用于檢驗武器所產(chǎn)生的電源是否達(dá)到標(biāo)稱值；轉(zhuǎn)換電路用于由電源供應(yīng)部件供電轉(zhuǎn)換到武器自身供電，并形成允許武器分離的信號。

圖1 是電源供應(yīng)部件的模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯圖。載機(jī)給電源變換器和穩(wěn)定器及轉(zhuǎn)換電路供電后形成指令S2，在轉(zhuǎn)換電路的作用下斷開武器的自身供電。電源變流器和穩(wěn)壓器產(chǎn)生電壓U1、U2、…Un給需要者。這種狀態(tài)保持到武器分離前。

在有指令S0時進(jìn)入到武器自身電源狀態(tài)，產(chǎn)生的電壓U′供給鑒定部件，在電壓的被測參數(shù)達(dá)到標(biāo)稱值時鑒定部件形成指令S1，在S1的作用下轉(zhuǎn)換電路取消指令S2并形成指令S3。指令S2的取消促使電源變換器和穩(wěn)定器斷開，武器轉(zhuǎn)為自身供電。指令S3傳給機(jī)載計算機(jī)系統(tǒng)以表示允許武器分離。

3.2 導(dǎo)引頭目標(biāo)指示部件模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的類型不同，其目標(biāo)指示的工作過程不同，相應(yīng)的控制邏輯就不同?，F(xiàn)以紅外導(dǎo)引頭的目標(biāo)指示過程為例分析其模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯。

圖1 電源供應(yīng)部件模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯Fig.1 The mode structure and control logic of electric power supply component

紅外導(dǎo)引頭目標(biāo)指示部件的主要功能是在導(dǎo)彈發(fā)射前控制導(dǎo)引頭對目標(biāo)選擇截獲、檢驗截獲目標(biāo)可靠性、形成發(fā)射前準(zhǔn)備好的導(dǎo)引頭指令及將導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)到自動跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)。

目標(biāo)指示的第一個階段——對目標(biāo)選擇截獲，選擇截獲目標(biāo)的功能由目標(biāo)選擇截獲控制系統(tǒng)來完成，在目標(biāo)指示過程中它與無人機(jī)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭相互作用，該功能在瞄準(zhǔn)過程中緊隨著瞄準(zhǔn)任務(wù)而完成，是目標(biāo)指示的第一個階段。

為了實現(xiàn)對目標(biāo)的選擇截獲必須提供被選擇截獲目標(biāo)的典型特征信息［5］。這些典型特征信息通常指目標(biāo)到攻擊機(jī)的距離、目標(biāo)角坐標(biāo)、目標(biāo)接近或離開攻擊機(jī)的速度及瞄準(zhǔn)線角速度等。

瞄準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器獲取目標(biāo)的信息，用于調(diào)整位標(biāo)器定向角、位標(biāo)器軸的轉(zhuǎn)動角速度和其它參數(shù)。根據(jù)進(jìn)入到目標(biāo)指示部件的信息，目標(biāo)選擇截獲控制系統(tǒng)形成相應(yīng)的誤差信號，并形成控制指令傳到導(dǎo)引頭的執(zhí)行裝置中。在這些指令的作用下，所選目標(biāo)的信號通過導(dǎo)引頭的接收通道，并調(diào)整導(dǎo)引頭。導(dǎo)引頭的調(diào)整誤差信號為0 時表示達(dá)到了所需的調(diào)整，目標(biāo)選擇截獲控制到此結(jié)束。

目標(biāo)指示的第二個階段——檢驗導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的可靠性，采用有用目標(biāo)信號和人為輸入干擾信號的比較、目標(biāo)信號頻率振幅分析等手段來檢驗。

目標(biāo)指示的兩個階段可重合在一起。如果檢驗結(jié)果表明截獲可靠性不高，系統(tǒng)需轉(zhuǎn)回到第一個階段，如此反復(fù)，直到截獲可靠為止。

目標(biāo)指示的第三個階段——形成導(dǎo)彈發(fā)射前導(dǎo)引頭準(zhǔn)備好的指令，并將導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)到自動跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)，這是在可靠截獲目標(biāo)的情況下完成的［6］。這個指令通常是在導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)可靠性檢驗系統(tǒng)中形成的，它是導(dǎo)彈發(fā)射的必須條件之一。

目標(biāo)指示部件模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯如圖2 所示。根據(jù)由瞄準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入來的信息p（關(guān)于所選擇目標(biāo)的標(biāo)志），以及由位標(biāo)器給出的實際參數(shù)量q，選擇截獲控制系統(tǒng)得出誤差信號Δ=p-q，并形成控制指令U（Δ），傳給位標(biāo)器執(zhí)行裝置，使位標(biāo)器進(jìn)入到所需的狀態(tài)，當(dāng)誤差信號Δ=0 時位標(biāo)器開始接收所選擇目標(biāo)的信號，即實現(xiàn)它的截獲。同時信號Δ進(jìn)入到目標(biāo)截獲可靠性檢驗系統(tǒng)，當(dāng)Δ=0 時，形成指令S1，在指令S1的作用下位標(biāo)器轉(zhuǎn)入到自動跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)，同時目標(biāo)信號r進(jìn)入到目標(biāo)截獲可靠性檢驗系統(tǒng)。在對這個信號進(jìn)行分析并得出可靠的截獲目標(biāo)時，形成導(dǎo)彈發(fā)射前導(dǎo)引頭準(zhǔn)備好的指令S2。

圖2 導(dǎo)引頭目標(biāo)指示部件的模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯Fig.2 The mode structure and control logic of target indication component of seeker

在有些情況下信號r不進(jìn)入目標(biāo)指示部件中，是否可靠地截獲目標(biāo)要根據(jù)誤差信號Δ的大小確定。隨著信號S1形成，位標(biāo)器的調(diào)整被干擾，導(dǎo)致信號Δ增大。如果這個干擾被位標(biāo)器自動跟蹤系統(tǒng)補(bǔ)償，并且穩(wěn)定地接收目標(biāo)信號，目標(biāo)截獲可靠性檢驗系統(tǒng)形成指令S2。

3.3 其它預(yù)先準(zhǔn)備的控制邏輯

導(dǎo)引程序輸入部件用于向武器輸入導(dǎo)引程序，導(dǎo)引武器飛向目標(biāo)。根據(jù)攻擊條件、目標(biāo)的性質(zhì)和其它影響因素的不同，飛行彈道會有所不同，具體表現(xiàn)為武器的飛行路線、在飛行路線上固定點處的參數(shù)值（飛行方向、高度、速度及它們隨時間的變化等）不同［7］。在武器的預(yù)先準(zhǔn)備過程中從載機(jī)的火控系統(tǒng)向武器傳送有序的運(yùn)動參數(shù)值集合（按武器飛行路線固定點號），這些參數(shù)值是通過程序預(yù)先設(shè)定的。發(fā)射后在飛行彈道上相應(yīng)的彈載傳感器測量武器運(yùn)動參數(shù)，構(gòu)成武器運(yùn)動參數(shù)測量值。按照所需值和測量值形成失調(diào)量，進(jìn)一步形成控制信號，從而完成在該固定點處的導(dǎo)引控制［8］。

引信起動控制儀由起動系統(tǒng)、爆炸系統(tǒng)和自炸系統(tǒng)組成。起動和爆炸系統(tǒng)用于在平時保存、飛機(jī)上運(yùn)輸和在彈道上處于禁止爆炸的區(qū)域范圍內(nèi)飛行時排除武器爆炸的可能性。自炸系統(tǒng)用于在自主飛行彈道上脫靶或出現(xiàn)應(yīng)急情況時，為了保證己方地面部隊和財產(chǎn)安全或保密方面的考慮而銷毀武器［9］。對于無控炸彈而言，其控制邏輯相對簡單，主要就是通過爆控機(jī)構(gòu)、掛機(jī)索和爆控拉桿控制引信的起動。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，通過輸入部件完成遠(yuǎn)解保險時間和延期作用時間的裝訂。對于導(dǎo)彈而言，引信的工作受導(dǎo)彈飛控組件的控制，在飛行過程中和與目標(biāo)遭遇時按照一定的控制邏輯進(jìn)行，不屬于預(yù)先準(zhǔn)備的程序。

根據(jù)武器的不同，還有其它一些預(yù)先準(zhǔn)備程序，如紅外導(dǎo)引頭的制冷、陀螺定位儀校準(zhǔn)和武器投放或發(fā)射初始條件的輸入等，都可作出類似的模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯分析。

4 機(jī)載武器預(yù)先準(zhǔn)備的仿真

4.1 仿真方案

設(shè)計仿真實驗用以檢驗各種武器預(yù)先準(zhǔn)備的控制邏輯［10］，武器預(yù)先準(zhǔn)備控制邏輯仿真框架如圖3 所示。仿真計算機(jī)中存有各種武器的預(yù)先準(zhǔn)備程序，武器類型不同，預(yù)先準(zhǔn)備的程序不同，圖中給出了幾種典型的預(yù)先準(zhǔn)備功能仿真模塊：電源變換部件仿真模塊、目標(biāo)指示部件仿真模塊、導(dǎo)引程序輸入部件仿真模塊和引信設(shè)定輸入部件仿真模塊。各仿真模塊傳給武器的信號用X4i（i=1～4）表示。各種功能仿真模塊和信息變換通道的接通或斷開由指令Ui（i=1～4）控制，指令Ui由仿真計算機(jī)控制。以Si（i=1～4）表示完成相應(yīng)操作后武器的回饋信號，而關(guān)于武器狀態(tài)良好性的信息以S0表示。

圖3 武器預(yù)先準(zhǔn)備控制邏輯仿真框架Fig.3 The simulation framework of the pre-preparation control logic of the weapon

4.2 仿真實驗控制邏輯

回饋信號S1進(jìn)入武器預(yù)先準(zhǔn)備程序仿真計算機(jī)的條件是：武器良好（信號S0存在），電源供應(yīng)部件與對應(yīng)的信息變換通道接通（U1指令存在），電源進(jìn)入武器（信號X41存在）。機(jī)載計算機(jī)根據(jù)回饋信號S1的進(jìn)入［11］，確定電源供應(yīng)的完成，有如下控制邏輯表達(dá)式：

對回饋信號S2、S3、S4可寫出類似的表達(dá)式：

假設(shè)某種武器預(yù)先準(zhǔn)備時需要完成電源供應(yīng)、導(dǎo)引程序輸入和引信設(shè)定（該種武器無需目標(biāo)指示），那么回饋信號S1、S3、S4進(jìn)入到機(jī)載計算機(jī)中，這說明已完成了發(fā)射前的準(zhǔn)備操作，實現(xiàn)了從電源供應(yīng)部件來的電源供應(yīng)（S1=1），進(jìn)行了導(dǎo)引程序的輸入（S3=1）和對引信裝置按需要進(jìn)行了調(diào)整（S4=1）。此后，在機(jī)載計算機(jī)中形成信號ZH，用以表示武器非良好或未準(zhǔn)備好運(yùn)用，ZH可表示為：

將S1、S2、S3、S4的表達(dá)式代入并變化得：

根據(jù)武器預(yù)先準(zhǔn)備內(nèi)容的不同，可寫出相應(yīng)的預(yù)先準(zhǔn)備控制邏輯表達(dá)式。

4.3 仿真結(jié)論

式（6）表示，如果某種武器的某一自動裝置非良好（-S0=1），或某一信息變換通道未接通（-Ui=1，i=2～4），或某個信號X4i未進(jìn)入到武器自動裝置（-X4i=1，i=2～4），那么武器被認(rèn)為非良好或未準(zhǔn)備好運(yùn)用，就不能進(jìn)行發(fā)射或投放；相反，如果ZH=0，那么武器被認(rèn)為準(zhǔn)備好了，作為武器發(fā)射或投放的判定條件［12］。武器準(zhǔn)備好，并且處于攻擊區(qū)或滿足發(fā)射/投放的距離角度條件，就可以自主發(fā)射或投放該武器［13］。通過仿真可驗證該控制邏輯是否正確。

利用武器發(fā)射前預(yù)先準(zhǔn)備的控制邏輯，在地面可以進(jìn)行武器半實物或計算機(jī)仿真，對武器和無人機(jī)的自主攻擊決策系統(tǒng)的發(fā)射控制程序進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計和檢驗［14］。

5 結(jié) 論

自主攻擊決策系統(tǒng)對無人機(jī)載武器進(jìn)行發(fā)射/投放前的預(yù)先準(zhǔn)備是其功能之一，在根據(jù)目標(biāo)選定武器后，通過機(jī)載計算機(jī)武器預(yù)先準(zhǔn)備程序，根據(jù)選定武器的特點進(jìn)行發(fā)射前的預(yù)先準(zhǔn)備。對無人機(jī)載武器預(yù)先準(zhǔn)備模型結(jié)構(gòu)和控制邏輯的分析研究將為自主攻擊決策系統(tǒng)控制程序的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。在融入人工智能技術(shù)并與實時信息網(wǎng)柔性結(jié)合后，自主攻擊決策系統(tǒng)將更為先進(jìn)，無人機(jī)將可以執(zhí)行各種更為復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，甚至包括將來的無人機(jī)空戰(zhàn)［15］。