楊 維，金景峰，趙 凱，王 越，倪龍強(qiáng)，趙博一

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中陸軍防空武器系統(tǒng)除需打擊傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機(jī)、武裝直升機(jī)和無人機(jī)等目標(biāo)外，還需打擊以低空和超低空突防的精確制導(dǎo)武器，此類目標(biāo)將逐漸成為主要作戰(zhàn)對象。傳統(tǒng)的以武器平臺為中心的作戰(zhàn)模式難以對抗體系化的空襲作戰(zhàn)[1]，所面臨的問題會越來越嚴(yán)峻，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)空情獲取渠道單一。武器平臺獨(dú)立作戰(zhàn)時(shí)，自身傳感器容易受到地形地貌的影響，難以事先充分準(zhǔn)備，作戰(zhàn)準(zhǔn)備預(yù)留時(shí)間短，從而影響作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。

2)攔截窗口不斷縮小。精確制導(dǎo)彈藥的突防速度將不斷提高，防空武器對目標(biāo)的攔截時(shí)間窗口不斷縮短。攔截方式由最初的可進(jìn)行單臺裝備的“多次攔截”被動變?yōu)椤耙淮螖r截”。

3)探測跟蹤能力下降。在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，單一武器平臺會出現(xiàn)跟蹤航跡不連續(xù)、信息維度缺失、探測距離被壓縮等問題，對目標(biāo)實(shí)施有效攔截距離顯著減小。

4)戰(zhàn)場生存能力弱。單一武器平臺作戰(zhàn)時(shí)，雷達(dá)和通信設(shè)備持續(xù)發(fā)射電磁波，容易遭到反輻射導(dǎo)彈的攻擊，將會導(dǎo)致武器平臺戰(zhàn)場生存能力減弱。

為更好履行野戰(zhàn)防空和要地防空的任務(wù)，火炮武器不但要提升自身探測設(shè)備的低空/超低空探測跟蹤能力、承載平臺的機(jī)動能力和彈藥的終點(diǎn)毀傷等能力，還需具備更強(qiáng)的實(shí)時(shí)信息傳輸、信息處理和協(xié)同作戰(zhàn)能力[2]。

1 防空武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)控制流程

防空武器形成戰(zhàn)場級作戰(zhàn)分隊(duì)[3]，一般由1個(gè)指揮中心和若干個(gè)自行防空武器組成。通過高速實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈，采用多平臺協(xié)同作戰(zhàn)模式[4-5]，其基本作戰(zhàn)流程包括上級預(yù)警空情綜合處理及引導(dǎo)、多平臺信息融合及協(xié)同管理控制、目標(biāo)搜索探測識別、協(xié)同跟蹤、射擊諸元解算、協(xié)同打擊等。作戰(zhàn)流程中的各項(xiàng)功能可以由一個(gè)武器平臺完成，也可以由不同武器平臺完成。防空武器系統(tǒng)平臺間協(xié)同作戰(zhàn)信息流程如圖1所示。

技術(shù)特點(diǎn)及內(nèi)涵如下：

1)可接受上級統(tǒng)一指揮，必要時(shí)任意武器平臺可接替上級指揮全連戰(zhàn)車，指揮權(quán)可在戰(zhàn)車間“浮動”，不再有“指揮瓶頸”。

2)通過高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈同時(shí)傳輸指揮信息和實(shí)時(shí)協(xié)同火控信息，火指控網(wǎng)合一。戰(zhàn)車“隨遇入網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)營、連、排、戰(zhàn)斗編組“無縫隙”網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)。

3)可實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測、協(xié)同跟蹤、協(xié)同打擊、火炮集火、導(dǎo)彈齊射、多目標(biāo)信息自適應(yīng)多諸元解算等，裝備綜合性能作戰(zhàn)效能高。

目前定型或在研裝備已初步具備了連協(xié)同、主從車協(xié)同等作戰(zhàn)模式，在連指揮車或主車的集中指揮下具有雷達(dá)探測信息共享及數(shù)據(jù)融合、火力分配等功能，但距離網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)還有差距。特別是在協(xié)同跟蹤策略、協(xié)同打擊策略及高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈等方面未取得技術(shù)突破，未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

2 協(xié)同跟蹤控制策略及信息流程

2.1 接力跟蹤

兩個(gè)戰(zhàn)車按照一定的隊(duì)形部署方式協(xié)同攔截目標(biāo)。通過武器系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)，若一個(gè)目標(biāo)先進(jìn)入戰(zhàn)車F1的跟蹤范圍，F(xiàn)1未擊中目標(biāo)，但目標(biāo)已經(jīng)過航，目標(biāo)還沒有進(jìn)入戰(zhàn)車F2的跟蹤范圍，戰(zhàn)車F1迅速將目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)信息及自身位置坐標(biāo)發(fā)送至協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，戰(zhàn)車F1持續(xù)尾追跟蹤該目標(biāo)，戰(zhàn)車F2接收F1的尾追跟蹤數(shù)據(jù)，對目標(biāo)進(jìn)行截獲，實(shí)現(xiàn)“尾追跟蹤迎頭打擊”、“無縫隙火力接力”，接力跟蹤[6]信息控制流程如圖2所示。

2.2 補(bǔ)盲跟蹤

多部戰(zhàn)車在協(xié)同作戰(zhàn)模式下，戰(zhàn)車F1與F2建立協(xié)同數(shù)據(jù)鏈，若其中1個(gè)的探測跟蹤傳感器不可用(遮擋、炮口煙霧、故障)但火力單元可用，有必要利用協(xié)同跟蹤進(jìn)行“補(bǔ)盲”[7]。當(dāng)戰(zhàn)車F1跟蹤傳感器不可用時(shí)，向戰(zhàn)車F2發(fā)送目標(biāo)位置(搜索信息)及自身位置，戰(zhàn)車F2對目標(biāo)進(jìn)行截獲跟蹤并通過協(xié)同數(shù)據(jù)鏈向戰(zhàn)車F1發(fā)送目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)信息，戰(zhàn)車F1可在跟蹤傳感器不可用的情況下繼續(xù)作戰(zhàn)，補(bǔ)盲跟蹤有補(bǔ)維跟蹤、多站純角度聯(lián)合被動跟蹤等方式，信息控制流程如圖3所示。 當(dāng)戰(zhàn)車F1的跟蹤傳感器處于完全不可用狀態(tài)時(shí)，則只能依靠戰(zhàn)車F2提供3個(gè)維度的量測信息“補(bǔ)盲”進(jìn)行協(xié)同跟蹤。當(dāng)戰(zhàn)車F1的探測跟蹤傳感器無法提供距離信息，但可以提供測角信息，這時(shí)戰(zhàn)車F1可以利用戰(zhàn)車F2的距離信息進(jìn)行補(bǔ)維跟蹤，也可以利用戰(zhàn)車F2的測角信息與戰(zhàn)車F1的測角信息，進(jìn)行多站純角度聯(lián)合被動跟蹤。

2.3 多目標(biāo)同時(shí)跟蹤

多部戰(zhàn)車進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，共享目標(biāo)跟蹤信息，指揮平臺進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)分配，各戰(zhàn)車對分配目標(biāo)(可以是相同目標(biāo))進(jìn)行截獲和跟蹤，并通過高速實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)共享跟蹤信息，各戰(zhàn)車根據(jù)協(xié)同策略對多目標(biāo)跟蹤信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合處理，形成多目標(biāo)跟蹤信息后同時(shí)解算未來點(diǎn)，對指定目標(biāo)射擊完成后利用已解算后的射擊諸元進(jìn)行快速火力轉(zhuǎn)移，無需重新進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)引、截獲、跟蹤、解算，從而節(jié)省了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，增大了射擊時(shí)間窗口，提升了系統(tǒng)的目標(biāo)打擊能力。如圖4所示。

3 防空武器平臺間信息傳輸基本模型

防空武器平臺間協(xié)同探測、跟蹤和解算信息傳遞時(shí)需經(jīng)過幾種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[8-9]，如圖5所示。其中，車體坐標(biāo)系以車體縱軸為基準(zhǔn)，水平坐標(biāo)系以北向?yàn)榛鶞?zhǔn)。

3.1 車體球坐標(biāo)到直角坐標(biāo)

設(shè)戰(zhàn)車F1車體坐標(biāo)系下目標(biāo)球坐標(biāo)為斜距離D0、高低角E0、方位角A0，直角坐標(biāo)為x0、y0、z0，兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為

(1)

3.2 戰(zhàn)車F1車體坐標(biāo)系到水平坐標(biāo)系

車體姿態(tài)運(yùn)動的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖6所示。戰(zhàn)車F1車體的當(dāng)前姿態(tài)X0、Y0、Z0，可以視為從車體水平坐標(biāo)系XD、YD、ZD開始，首先繞ZD軸旋轉(zhuǎn)了k角、再繞YH軸旋轉(zhuǎn)了φ角，最后繞XT軸轉(zhuǎn)動θ角得到的。設(shè)k0、φ0、θ0分別為戰(zhàn)車F1航向角、縱搖角、橫滾角，則戰(zhàn)車F1水平坐標(biāo)系下的3個(gè)直角坐標(biāo)(xd，yd，zd)可表示為

(2)

3.3 戰(zhàn)車F1水平坐標(biāo)系到戰(zhàn)車F2水平坐標(biāo)系

設(shè)戰(zhàn)車F2相對于戰(zhàn)車F1的水平坐標(biāo)為[xs,ys,zs]T，目標(biāo)相對于戰(zhàn)車F2水平坐標(biāo)為[xd1,yd1,zd1]T，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(3)

3.4 戰(zhàn)車F2水平坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系

設(shè)戰(zhàn)車F2車體坐標(biāo)系下的目標(biāo)諸元為[x1,y1,z1]T，姿態(tài)角為(k1、φ1、θ1)，則有

(4)

3.5 車體直角坐標(biāo)到球坐標(biāo)

設(shè)戰(zhàn)車F2車體坐標(biāo)系下的目標(biāo)球坐標(biāo)為[D1,E1，A1]T，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

4 信息傳輸精度分析

4.1 姿態(tài)量及定位精度引起的誤差

計(jì)算條件：戰(zhàn)車F1姿態(tài)角k0=60°，φ0=2°，θ0=1°；戰(zhàn)車F1姿態(tài)角誤差Δφ0=Δθ0=0.5密位，Δk0=1密位；戰(zhàn)車F2相對于戰(zhàn)車F1的水平坐標(biāo)xs=ys=500 m，zs=30 m；北斗定位誤差Δxs=10 m，Δys=10 m，Δzs=10 m；戰(zhàn)車F2姿態(tài)角k1=

30°，φ1=1°，θ1=2°；戰(zhàn)車F2姿態(tài)角誤差Δφ1=Δθ1=0.5密位，Δk1=1密位。

假定目標(biāo)飛行速度300 m/s，飛行高度1 000 m，目標(biāo)相對于戰(zhàn)車F1的航路捷徑500 m，目標(biāo)起始距離15 km(相對于戰(zhàn)車F1)，由遠(yuǎn)及近飛行。按照計(jì)算條件中的參數(shù)，采用式(1)～(5)進(jìn)行MATLAB仿真計(jì)算[10]，則目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)由戰(zhàn)車F1轉(zhuǎn)換至戰(zhàn)車F2時(shí)，姿態(tài)量及定位精度引起的誤差曲線如圖7、8所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，目標(biāo)在2～15 km范圍內(nèi)，車體姿態(tài)角誤差影響方位角、高低角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度約分別為1.4、0.7密位且無明顯變化，姿態(tài)角誤差Δφ、Δθ影響不大，航向角誤差Δk影響是主要因素(主要影響方位角精度)；定位坐標(biāo)誤差隨著目標(biāo)距離越近，影響越大；目標(biāo)在15 km時(shí)，信息傳輸方位綜合誤差約為1.7密位，高低約為1密位；目標(biāo)在6 km時(shí)，方位綜合誤差約為2.3密位，高低約為1.8密位；目標(biāo)在2 km時(shí)，方位綜合誤差約為5密位，高低約為4.5密位。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延誤差

在目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換傳遞過程中難免會存在延時(shí)，通信延時(shí)同樣是構(gòu)成傳輸誤差的因素之一。當(dāng)目標(biāo)作等速直線水平飛行時(shí)，方位和高低角速度為

(6)

式中:d為D的水平投影;v為目標(biāo)速度;P為航路捷徑;H為目標(biāo)高度。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新一代寬帶傳輸設(shè)備的通信延時(shí)基本可以控制在20 ms以內(nèi)，結(jié)合4.1節(jié)的航路條件，根據(jù)式(6)計(jì)算得到目標(biāo)方位、高低延時(shí)誤差曲線，如圖9所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著目標(biāo)距離越近，時(shí)間配準(zhǔn)誤差產(chǎn)生的方位角和高低角誤差越大，在目標(biāo)距離2～8 km區(qū)間段，時(shí)間配準(zhǔn)誤差20 ms所引起的方位角誤差平均值為0.28密位，高低角誤差平均值為0.35密位。

5 結(jié)論

1) 隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、探測器精度、導(dǎo)航及北斗定位精度的提升，為武器平臺間的協(xié)同控制奠定了一定的基礎(chǔ)，使協(xié)同作戰(zhàn)成為了一種可能。

2) 武器平臺間采用接力跟蹤、補(bǔ)盲跟蹤和多目標(biāo)同時(shí)跟蹤等控制策略，可實(shí)現(xiàn)尾追跟蹤迎頭打擊、無縫隙火力接力、火力快速轉(zhuǎn)移,提高系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，增大射擊時(shí)間窗口。

3) 平臺間進(jìn)行協(xié)同探測、跟蹤及解算信息傳輸時(shí)，利用協(xié)同探測信息進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)引時(shí)一般應(yīng)在6 km以外，此時(shí)導(dǎo)航姿態(tài)、定位及時(shí)延引起的誤差對導(dǎo)引精度影響不大；當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入6 km以內(nèi)，對跟蹤和解算精度有顯著影響。

4) 與探測器本身的精度相比較，目前導(dǎo)航測量設(shè)備和姿態(tài)測量設(shè)備引入的信息傳輸轉(zhuǎn)換誤差較小，因此在總體指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，只需保證兩者匹配即可；考慮到武器裝備的最大射程，在進(jìn)行跟蹤信息、解算信息傳輸時(shí)，定位誤差產(chǎn)生的影響較大，必須重點(diǎn)考慮，可通過組合定位技術(shù)提高精度。

5) 網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)是未來局部戰(zhàn)爭的重要形式，采用協(xié)同搜索、協(xié)同跟蹤和協(xié)同打擊等控制策略可提高系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，增大射擊時(shí)間窗口?？刂撇呗灾腥粢胫悄芑蛩?，便可實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同，是防空武器系統(tǒng)信息化、無人化、智能化發(fā)展的方向。