弹道修正弹实际弹道探测技术综述

第15卷第1期 弹 道 学 报 Vol.15No.12003年3月 JournalofBallisticsMarch2003

弹道修正弹实际弹道探测技术综述高 敏 张 强(军械工程学院弹药工程系,石家庄050003)

摘要 概述了弹道修正弹的实际弹道探测技术,对主要的几种探测技术进行了分析比较,提出了我国弹道修正弹弹道探测技术发展的基本思路.关键词 弹道修正弹,弹道探测,FCS,GPS,INS中图分类号 TJ012136

弹道修正弹的基本原理是在弹丸发射前根据探测到的炮位坐标、目标坐标等信息预先装定标称弹道信息,弹丸发射后探测飞行弹丸的实际弹道,将此实际弹道与预先装定的标称弹道进行比较,并结合更新的目标信息计算出弹道偏差,根据偏差的大小控制弹上的修正机构进行距离或(和)方向修正.根据弹道修正弹的基本原理,可知探测飞行弹丸的实际弹道是弹道修正的基础.因而实际弹道探测技术是研制弹道修正弹的关键技术.弹道探测一直是弹道研究、靶场试验和火炮设计人员十分关注的问题.早期的弹道探测,主要用于外弹道理论研究和射表编制,还没有直接与野战炮兵射击、快速反应、火力对抗及提高首发命中率联系起来.在这种条件下,对于近距离平射弹道可以直接确定弹丸的弹道坐标或速度,对于大射角远程弹道利用摄影经纬仪等光学法确定弹道坐标,对于远程武器的弹道探测一般只能探测弹着点.随着武器装备技术的发展,特别是对武器系统射程与精度要求的不断提高,弹道修正弹概念应运而生,给弹道探测技术应用开辟了新的应用领域,并提出了更高的要求.同时定位雷达技术的不断成熟,GPS技术与INS技术的出现,使实时探测飞行弹丸的实际弹道成为可能.本文根据不同探测系统的技术原理,结合修正技术要求,对主要的实际弹道测量技术进行了分析与比较,提出了实际弹道探测技术的发展建议.

1 实际弹道探测技术探测弹丸实际弹道主要采用3种技术:地面火控系统(FCS)雷达、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS).其中,采用FCS雷达是半主动模式,采用GPS或INS是全主动模式.以径向脉冲推力弹道修正弹为例.在半主动模式下,弹丸靠外部系统获得实际弹道,根据获得的实际弹道与已知目标位置,FCS计算机解算出脉冲发动机的点火时间与角度,由FCS与弹丸之间的数据链传送给飞行中的弹丸,使其在特定的时间点燃脉冲发动机修正弹

收稿日期:2002-05-09道.在全主动模式下,弹丸发射前,预先装定标称弹道.发射后,利用弹载系统确定实际弹道,弹载计算机直接解算出脉冲发动机的点火时间与角度,使其在特定时间和角度点燃脉冲发动机来修正弹道.2种探测模式都可以在弹丸飞行过程中更新目标信息,然后系统根据更新的目标信息与实际弹道确定点燃脉冲发动机的时间与角度.这样,修正弹就能够更有效地命中活动目标,并且能够进一步弥补自身在飞行过程中的弹道偏差.111 半主动模式半主动模式设备包括:确定目标信息和弹丸实际弹道的FCS雷达,确定弹丸滚动角速度、滚动角和俯仰角的陀螺仪,炮口速度探测器,地面FCS计算机,以及地面FCS和弹丸的数据链.FCS接收更新的目标信息有多种途径:前方侦察哨、武装侦察飞机、侦察卫星和战地指挥控制中心.11111 火控雷达地面雷达有多种方式跟踪弹丸弹道:(1)传统方式.弹丸被动地把雷达信号反射回雷达接收机.(2)异频收发方式.弹丸主动地发射对应雷达信号的异频信号给被动接收的雷达天线,多普勒雷达能够探测弹丸速度,这样就可以利用雷达信息来确定弹丸的实际弹道及弹着点.11112 陀螺仪用滚动角速度陀螺仪、俯仰角陀螺仪、模数转换器和微处理器确定弹丸的滚动角速度、滚动角和俯仰角,陀螺仪采用固封技术来抗发射过加速度.热电池为陀螺仪提供能量使其在整个弹道飞行中保持工作状态.陀螺仪为双通道12比特模数转换器提供模拟电信号.模数转换器输出数字信号到微处理器.微处理器处理数字信号得到弹丸的滚动角速度和俯仰角.俯仰角速度陀螺仪和卡尔曼滤波程序内插挠度(重力引起的),经多次积分就可得到所需的垂直基准.另一个获得垂直基准的方法是利用包含大量感应物质的有光泽、坚硬的四氟乙烯碳氟聚合物环.聚合物在存储、发射和飞行过程中一直都处于液体状态,这样它的内聚力系数比附着力系数大,根据液体自身的粘着属性,重力通过接触两电极探测到垂直基准.获得垂直基准后,微处理器就可根据它和滚动角速度算出滚动角.11113 炮口速度探测器炮口速度探测器探测弹丸出炮口速度,火控系统利用这些信息预先定位火控雷达使其快速进入锁定和跟踪状态,这2种技术的结合减少了实际雷达发射时间.这样,在布满反雷达导弹和雷达对抗炮射系统的现代战场,增强了雷达的生存能力.11114 计算弹道修正量在得到弹丸的滚动角速度、滚动角、俯仰角、实际弹道以及最近可能更新的目标位置后,火控系统计算机计算出脉冲发动机准确的点火时间与角度.此信息通过火控系统-弹丸数据链发射机传输给弹丸数据链天线.火控系统与弹丸的数据链是高速脉冲或编码脉冲传输或其它具有适宜高数据频率和被电子对抗(ECM)低概率探测或影响的传输形式.112 全主动模式11211 全球定位系统(GPS)GPS是一种星基无线电导航和定位系统,能全天候、全时间、连续地提供精确的三维位置、三维速度以及时间信息.GPS系统向全世界用户开放的C/A码提供的水平定位精度高

88 弹 道 学 报 第15卷达100m(2Drms),垂直定位精度为156m(2Drms);而P码提供的定位精度分别为水平1718m(2Drms)和垂直2717m(2Drms).在GPS模式中弹丸可以打后不管,弹丸发射后发射平台可以立即移开,避免反炮火力.GPS模式的功能如下:热电池为弹载电子装置提供能源.地面输入为微处理器提供弹丸发射坐标和所需的目标坐标.同样,地面输入为GPS接收机提供弹丸发射坐标及GPS接收机建立锁定GPS卫星所需的信息.即,当弹丸在炮膛尾部时,地面输入利用磁声结合技术提供弹丸与地面系统之间的接口.发射后,GPS接收机通过弹载GPS天线阵锁定GPS卫星族,弹丸旋转时将用多个GPS天线确保GPS接收机始终能接收到GPS卫星信号.微处理器利用从GPS接收机接收到的弹丸位置来确定弹丸弹道.垂直基准是通过测量GPS信号的增幅和衰减经几次积分得到,滚动角速度通过GPS信号在GPS天线上的/颤动0确定,俯仰角通过GPS系统得到.这样,微处理器将用弹丸弹道、弹丸滚动、弹丸俯仰角和更新的目标位置确定准确的脉冲发动机点火时间与角度.11212 惯性导航系统(INS)INS是一种既不依赖于外部信息、又不发射能量的自主式导航系统,隐蔽性好,不怕干扰.惯性导航系统所提供的导航数据十分完全,除能提供载体的位置和速度外,还能给出航向和姿态角;而且,它又具有数据更新率高、短期精度和稳定性好的优点.弹丸出炮口前,INS模式和GPS模式一样,利用地面输入预先装定弹丸发射坐标和目标坐标以及INS探测基准信息.发射后,弹载INS自主地探测弹丸弹道、弹丸滚动角速度、滚动角和俯仰角.弹上的微处理器根据这些信息和更新的目标位置确定准确的脉冲发动机点火时间与角度.这样,由于不用地面雷达或异频雷达收发系统,弹丸将可以利用隐身技术防止反炮射炮兵跟踪弹丸.

2 弹道探测技术存在的问题及对策211 半主动模式空间定位雷达技术探测弹丸全弹道存在以下问题:(1)全弹道雷达跟踪需高价值空间定位雷达,不利于大量装备;(2)远距离雷达跟踪无异于给敌方指示目标,生存能力大大降低;(3)不能发射后就走,机动性降低;(4)跟踪多个目标,虽然技术上可行,但实际实施比较困难.但可以采用雷达跟踪初始段3~5km以内的距离修正方案.据雷达跟踪数据处理出弹着误差,下达修正指令.这比跟踪到末段对雷达的要求大大降低,可能使用轻巧的低价值雷达实现,有可能做到每门炮配一部雷达.当然,这没有跟踪到弹道末段修正精度高,但既然只是距离修正,本来就不是完全的修正概念,所以能修正到接近原有的方向偏差就足够了.配用多普勒初速雷达的阻力型距离修正概念,这种概念是用多普勒初速雷达跟踪测量弹丸速度至弹道初期摆动段以后,如1~2km,跟踪固定时间点测量的速度与该时间点应有的标准速度比较,算出弹着误差,下达修正指令,伸开阻力环或炸掉弹顶,只进行1~2次修正.可以把阻力环设计成能伸开成大、中、小3档直径.根据弹道计算求得的误差,按修正量级需要,

89第1期 高 敏等 弹道修正弹实际弹道探测技术综述 指令阻力环打开到小档、中档或大档.同样,炸掉的弹顶部也可以照此办理.炮弹的射程取决于射角、初速和弹道系数三大要素,此外就是气象条件特别是纵风的影响.弹道系数的影响是全弹道的,但其只在初始扰动段变化最大.同一种弹可以相差4~5倍以上,其随机性极大,无从预先估计.弹丸摆动造成攻角的大变化,从而使弹丸在初始扰动区内速度衰减相差很大.通过测量摆动段结束后的速度,不仅考虑了炮口初速对射程的影响,而且把弹道系数影响的主要部分也考虑进去了.为了简化设备,从抓主要矛盾着手,抓住了摆动期结束后弹丸的速度,就抓住了引起射程误差的主要部分.至于气压、纵风等气象条件的影响,可以通过有关的气象测量予以考虑.探测部分弹道肯定没有跟踪到弹道末段予以修正的精度高,但所需地面设备则可大大简化,每门炮都可在炮管上装备廉价的多普勒初速雷达.这样不仅因装备价值低,有可能大量装备,而且因雷达功率小不易被敌方探测,生存能力提高.若是自行火炮,一个齐射后,在炮弹着地前即可撤离阵地.与雷达跟踪至弹道末段的方案比较,虽然修正精度有所降低,但技术难度和装备费用都大幅度下降,而且隐蔽性、机动性大大提高.若设计合理,有可能一次修正即能使射程偏差接近方向偏差.212 全主动模式21211 GPS探测系统只有GPS时存在的问题:(1)GPS易受电子对抗设备(ECM)干扰源的影响;(2)GPS动态响应能力较差;(3)GPS制导弹药操作需要垂直基准;(4)GPS接收机受到干扰后无法制导弹药.21212 INS探测系统只用INS时存在的问题:(1)惯性测量组合(IMU)/惯性导航系统(INS)需要初始化;(2)IMU/INS的初始化不准确,遭受中等发射冲击时需要重新初始化和更换数据;(3)定位误差随时间积累;(4)初始化需要雷达或全球定位系统(GPS)提供位置信息;(5)制导弹药增程当只有INS没有辅助时,陀螺仪需要0101b~010001b的加强精度.21213 GPS/INS组合探测系统将GPS的长期高精度性能特性和INS的短期高精度性能特性及不受干扰的优点有机地结合起来,使组合后的导航性能比任一系统单独使用时都有很大提高.典型的探测和控制功能框图如图1.当要求的输出速率高于GPS用户设备所能给出的速率时,可使用惯导数据在GPS相继2次更新之间进行内插;GPS通过不断更新惯性测量组合数据辅助惯性测量组合(IMU)进行跟踪,在因机动或干扰等信号中断期间的误差增长速率显然要比没有校准、自由状态下INS的误差增长速率低.GPS数据对INS的辅助,可使INS在运动中进行初始对准,提高了快速反应能力.当机动、干扰或遮挡使GPS信号丢失时,INS对GPS辅助能够帮助GPS接收机快捷地重新捕获GPS信号;同时惯性测量组合(IMU)和GPS紧密结合增