学术：导弹武器全制导技术发展分析
今日荐文的作者为国防科技大学专家赵晶，来庆福，戴幻尧，冯德军，王雪松。本篇节选自论文《导弹武器全制导技术发展分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第7卷第1期。下面和小编一起开始学习吧~
导弹武器全制导技术的概念
惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）是一种自主导航系统，可输出载体平台的位置、速度、姿态、航向等全面的导航信息，具有隐蔽性强、数据更新率高、短期精度高、稳定性好、抗干扰能力强等典型优势，因而广泛地应用于各类精确制导武器中。惯导系统的缺点同样明显：惯性测量元件误差、安装误差、初始对准及装订误差、冲击与振动等干扰误差，导致惯导系统的位置、速度和姿态等导航误差随飞行时间而累积，必须借助于外部传感器信息进行周期性的惯导修正。采用基于多传感器信息融合的组合导航系统是当前导航领域的主流。惯导系统因其输出信息的全面性，成为了组合导航系统中的主传感器，通过综合多种外部辅助导航设备的信息优势，提高导航的精度及可靠性，这便构成了各类惯导基组合导航系统。
目前用于惯导修正的外部设备主要包括：GPS、天文导航系统、无线电导航系统、大气数据系统、地形辅助导航系统、景象匹配导航系统、重力辅助系统、多普勒导航雷达等。上述惯导基组合导航系统成本较高、结构复杂，较难应用于弹载平台。导引头提取的弹目斜距、斜距率、弹目视线角及视线角速率等弹目相对信息，与弹体飞行状态密切相关，因而具有修正惯导的潜力。研究惯性导航系统/导引头组合导航方案，可在不增加硬件设备基础上提高导航性能，具有较高的应用价值。
导引头作为精确制导系统的主要敏感器，通过接收目标反射或辐射的信息，对目标实施捕获与跟踪，从而确保武器准确命中目标。面向导引头的现实需求，立足现役装备和技术水平，通过充分挖掘弹载装备的信息处理潜力来提高雷达导引头的作战效能，无疑具有重要的军事应用价值。
基于此，总结提出以惯性导航系统为主，多传感器信息融合修正的全制导技术概念，具体为：导弹武器全制导技术是将惯导信息在导弹武器制导中全程使用，尤其是在末制导段与导引头探测信息融合使用，从而提高导弹目标搜捕能力、抗干扰能力等的新型导弹制导技术。
图 1 全制导技术概念示意图
在上图中，GNC信息处理模块是整个全制导技术方案的核心。该模块在导弹制导全过程中实时、连续地处理来自各弹载传感器的测量信息，经过融合处理后控制导弹按照预定的弹道或特定的导引律飞行，同时向“数据采集与显示”输出分析信息，以供评估显示所用。
全制导技术的实现方法
1、技术实现途径
全制导技术方案以高精度惯导信息的获取与应用为主线，以惯导、导引头等传感器信息融合为核心，旨在通过信号、信息处理手段，提供一种可有效提升导弹武器适应复杂战场环境能力的制导改进方案。
图 2 全制导技术实现途径示意图
全制导方案的技术实现途径具体为：通过中段融合，提高导航精度，减小自控终点误差；通过搜捕融合，提高搜捕概率，减少搜捕耗费时间；通过跟踪融合，抑制导引头测量误差，提高末制导精度；通过抗干扰融合，降低导引头的环境敏感性，提高其自主抗干扰能力。通过利用惯导、雷达等多种传感器的信息处理优势，实现精确制导武器的全程高精度综合制导，提高精确制导自主寻的、自动修正、自动目标识别、自主抗干扰的智能化作战能力。
全制导技术方案涉及多项关键技术，如飞行中段惯导系统/导引头信息融合组合导航技术、高精度惯导信息辅助的目标搜捕识别、目标跟踪和抗干扰技术等。下面结合前期研究基础，对这四方面进行叙述。
2、应用于组合导航的技术方案
导引头是寻的制导系统的核心设备，可以提供精确且稳定的弹目相对信息（弹目斜距及斜距率、视线角及角速率等）。充分挖掘导引头测量信息的应用潜力，提出导引头辅助惯导的信息融合方案，在不增加导航设备的基础上提高惯导系统的导航性能，引起了人们的广泛关注。为实现精确导航，必须消除位置导航误差，这往往需要使用外部传感器来获取弹体位置的测量值。但当采用被动体制的导引头时，仅可输出角度测量值。
图 3 飞行中段组合导航场景示意图
为验证这种纯角度测量修正惯导方案的性能，设计并进行了飞行中段雷达导引头/惯导组合导航仿真实验。实验方法具体为：首先被动导引头获取地标点至导弹视线角量测信息，接下来分析导引头角度测量误差特性，建立其测角误差与惯导系统导航误差间的关系，然后通过序贯平方根融合滤波估计惯导系统的位置、姿态等导航误差，最后进行反馈修正完成雷达导引头/惯导组合导航。基于MATLAB仿真环境，进行Monte-Carlo仿真实验，通过自控终点误差的统计分析完成雷达导引头/惯导组合导航算法的性能分析。
假定匀速平飞的典型飞行弹道，导弹沿正北方向以200m/s速度匀速飞行，高度恒定为100m；惯性器件误差假定为：陀螺仪漂移为0.3º/h，加速度零偏为5mg；惯导与导引头数据更新率均为50Hz；导引头测角误差为0.2º；在整个修正过程中，假定地标点始终位于弹体右前方；Monte-Carlo仿真次数取为500次。
图 4 经反馈修正后的自控终点误差特性(与纯惯导比较)
从图4中的修正前后自控终点误差特性对比可看出，由纯惯导控制飞行时，由于无外部信息加入，惯导误差逐渐扩散，造成了较大的自控终点误差（典型误差值为3km）；当飞行中段经过导引头的纯角度测量修正后，由于估计出惯导误差，实现了惯导系统的反馈校正，较大地抑制了惯导系统随时间积累的导航误差，虽然修正结束后导航误差将继续扩散，形成自控终点误差，但较之纯惯导飞行，已显著地降低（典型误差值仅为600m）。这充分地验证了所提惯导修正方案的有效性。
3、应用于目标搜捕的技术方案
近海作战下的多目标选择问题对导引头的目标识别能力提出严峻挑战，现有技术水平尚无法保证通过提取目标特征来剔除干扰目标。对录取目标进行不同舷角和不同距离上回波信息搜集和特征提取，编制多条目标判决准则，通过判决准则的多样性可有效地提高捕获性能。
在研究基础上，提出将最近邻目标选择器应用于反舰导弹目标搜捕中的方案，原理概述为：反舰导弹到达自控飞行终点后，开启导引头进行搜索，待捕捉到预定攻击目标后转入自导实施攻击（如图5）。在搜索预定区域时，导引头视场内可能出现多个目标，除预定目标外，还可能包括岛礁、海岸等自然背景目标，及其它类型的舰只目标等。此时以最近邻判决为基础，采用距离准则对搜索区域内录取到的多个对象进行优先排序，并判定最小距离所对应的对象为攻击目标，从而转入自导。
图 5 反舰导弹目标搜捕示意图
图 6 不同目标散布误差下的捕获概率曲线（目标数目改变）
图 7不同目标数下的捕获概率曲线（目标散布标准差改变）
由于导弹发射前装订了预定攻击目标的初始信息，而其它录取目标则是在导引头搜索时随机出现的。先验信息的加入一定程度上提高了预定目标落入捕获判决区的概率。相应地，当搜索区域内目标过于密集时，预定目标落入捕获判决区的概率随之下降，将出现很严重的误捕。上述典型数值仿真表明，最近邻目标选择方案通过采用距离准则对搜索区内录取的多个目标进行优先排序，有效地提升了对预定目标的搜捕性能。
4、应用于目标跟踪的技术方案
机动目标跟踪是一类典型的非线性滤波问题，在导弹末制导领域有着广泛的应用。依据导引头获取测量信息的类型，可将末制导中的目标跟踪划分为被动跟踪（仅有角度或角速率信息）和主动跟踪（另有距离、多普勒等信息，通常与最优导引律设计相联系）。前者存在着严重的不可观测性，跟踪器的设计比较复杂；后者由于可获取全面的弹目相对运动信息，跟踪器的设计较为灵活。
区别于地基、舰载等固定雷达对目标的跟踪，导引头的目标跟踪受多种因素制约：首先受到弹载空间的影响，导引头提取的弹目相对信息精度十分有限；其次，导引头随导弹在空间内运动，在建立弹目相对运动模型时还需要对载体本身的运动特性进行描述；最后，导引头一般执行单目标跟踪任务，此时目标的机动检测和机动辨识较固定雷达应用更为重要，因为这涉及到导引指令的生成。
由于机动目标跟踪的高度非线性特征，弹目相对运动特性的建模显得尤为重要。一般地，运动模型可在惯性直角系或视线球坐标系下表述，前者具有线性的状态方程，但观测方程非线性，而后者恰好相反。通过对状态变量的恰当选取，可获取均为线性的状态方程与观测方程。无论是惯性直角系、视线球坐标系、MSC系下，均可用EKF这种滤波方法进行过程估计，V.J. Aidala详细地分析了直角系下EKF滤波算法的非线性误差。为了克服该误差，许多学者从滤波方法本身和坐标系优化选取两方面进行了相应研究：例如，在MSC系下滤波便可有效地提高EKF滤波的稳定性及收敛性，还有S.N. Balakrishnan提出的最大似然滤波、S.A. Hepner提出的自适应EKF、Y. Oshman等人多模型自适应估计等方法等，可有效地结合各种参考系的优点，从而取得更好的滤波效果，亦可获取对目标的机动特性的估计。
弹目相对运动的建模是末制导目标跟踪的关键，目前的建模中均未将高精度惯导信息提供的弹体运动状态考虑进去，而是直接地采用直角系或视线系下的相对运动进行建模。基于该思路，对高精度惯导速度信息辅助的导引头量测误差抑制方法、弹目相对运动模型建立方法、目标跟踪滤波方法等进行了研究，具体方案为：利用高精度惯导速度信息描述导弹自身运动，采用一阶马尔科夫过程描述目标机动，构建基于弹目信息状态变量系统的弹目相对运动模型，通过扩展卡尔曼滤波方法实现对导引头测量随机误差的抑制，这样便实现了高精度惯导信息辅助的目标跟踪。
为验证上述思路的有效性，设计并完成了高精度惯导辅助导引头目标跟踪仿真实验。以反舰导弹为例，由于其多采用低空或超低空掠海弹道，因此可将弹目相对运动简化至水平面内。
图 8 水平面内弹目相对运动示意图
导弹舰船的初始距离为20km，初始弹目视线角60º，导弹初始速度为300m/s，速度矢量的方向角为45º，假定导弹的速度矢量可以通过弹载惯导系统实时获取，导弹发射前装订的弹目信息为（20005，58º）。假设目标在海平面上进行逆时针匀速圆周运动的机动，转弯半径为1km，运动速率为15m/s。假定导引头为相参主动雷达导引头，具有测角、测距以及测速能力。导弹的测角误差均方根为2º，距离测量误差为1m，测速误差为1m/s，测量周期为0.01s，采用比例导引方法制导，导引系数k=2。
图 9 高精度惯导辅助导引头目标跟踪仿真实验结果图
从图9可以看出，随着时间推进，距离、角度滤波误差迅速减小并保持稳定，滤波误差远小于测量误差。速度滤波后误差也迅速缩小，并保持稳定。这充分地验证了高精度惯导信息在辅助目标跟踪中的应用潜力，这种思路同样可应用于非相参、被动等体制的导引头中。
5、应用于抗干扰的技术方案
以箔条质心干扰为典型研究对象，它主要在末制导雷达已经跟踪舰艇后使用，基本原理为：在末制导雷达跟踪波门内布放箔条云，诱使导弹跟踪舰艇与箔条云的质心并最终转向跟踪箔条云。
图 10 箔条质心式干扰示意图
本文提出一种在末制导阶段利用惯导信息攻击慢速移动目标的对抗质心干扰的方法如图11。
图 11 惯导信息辅助抗质心式干扰流程图
这种方法的基本思想为：首先通过EKF方法实现对导引头测量随机误差的抑制，实现对目标的精确测量，获得目标的位置、速度信息估计，当雷达导引头检测受到质心干扰时，借助于惯导输出与目标估计，获得引导指令；当导引头检测到干扰消失时，导引头重新开始工作，捕获并跟踪目标，实施攻击。
为验证这种抗质心式干扰的思路，设计并完成了相应的仿真实验，场景如图10所示，参数设置为：导弹飞行速度为300m/s，采用比例导引，导引系数为2，雷达导引头波束宽度为4°，目标以速度10m/s的速度匀速向正北方向航行。质心干扰距离目标200m处，干扰以速度6m/s，方向275°进行运动。目标随即以1m/s2的加速度直线加速前进，达到最大速度15m/s后，随即以半径750m右转弯机动。图12给出了导弹采用抗干扰措施和未采用抗干扰措施的一次仿真结果图，图12(b)是图12(a)的攻击末段放大图。从中可看出，当未采取抗干扰措施时导弹命中干扰，而采取抗干扰措施时导弹准确地命中目标。这充分验证了本思路的可行性。
图 12 惯导信息辅助抗质心式干扰飞行弹道
全制导技术的应用示例
在上节中，详述了全制导方案的技术实现途径，并通过典型场景下的仿真实验验证了技术方案的有效性。实际上，已经表明了全制导技术的若干应用方向，包括：应用于中段飞行，提高导航精度；应用于目标搜捕，提高搜捕概率；应用于目标跟踪，提高跟踪精度；应用于末制导抗干扰，提高导引头抵抗质心式干扰的能力。
本节将构建导弹武器全制导技术仿真验证半实物仿真系统，通过高逼真度评定环境下的仿真评估实验，对该方案制导性能的技术指标进行客观、准确、全面的评估，从而为雷达导引头/惯导信息融合在精确制导武器中的应用提供全面、系统的理论基础和关键技术支撑。
仿真验证平台构成如图13示。将惯导实物连入弹道与惯导解算子系统中，然后和主控与导引头子系统连接，从而完成全弹道的半实物仿真。仿真中，用到了惯导系统（惯性器件）的真实静态误差特性，通过在理想弹道上叠加此误差，逼真地模拟导弹的实际飞行航迹。
图 13 电磁环境态势显示的相对性示意图
某型反舰巡航导弹全弹道飞行示意图如图14所示。导弹垂直发射升空后，由弹载控制系统控制其转向目标方向，随后转为水平巡航飞行。导弹由惯导系统控制飞行至自控终点时，导引头开机，若未发现目标，则扩大搜索区以覆盖目标可能散布范围，待目标捕获后，再降至掠海飞行高度接近目标，随后导弹跃升并向目标俯冲攻击。
图 14 某反舰巡航导弹全弹道飞行示意图
设定如图14所示的典型反舰导弹弹道，综合考虑惯导初始装订误差、惯性器件误差、中段惯导/导引头信息融合、惯导信息辅助的导引头目标搜捕、导引头量测误差的惯导抑制、惯导信息辅助的导引头抗干扰方法等，生成整个的飞行弹道，并通过弹着点误差对整个全制导方案的制导精度进行定量地评价。与此同时，接入三维视景系统，对攻击态势进行直观显示（如图15所示）。经过多次仿真，反舰巡航导弹全弹道仿真实验最终的弹着点误差统计结果为2.5642m，充分地验证了方案的有效性和可行性。
图 15 全弹道仿真与三维视景显示（目标搜捕识别阶段）
结 论
本文面向反舰、对地攻击、反辐射等典型精导武器作战的现实需求，探讨了以高精度惯导信息的获取与利用为核心的导弹武器全制导技术方案，详述了方案的概念、原理、方法和应用。全制导方案具有广阔的军事应用前景：近海环境中基于惯性导航信息的导弹末制导雷达导引头目标搜捕方案，能够有效地提升我军反舰导弹对近海目标，包括海岸、岛屿背景下目标打击能力；高精度惯导信息辅助的导引头量测误差抑制方法和抗质心式箔条干扰方法，有助于提升我反舰导弹抗电子干扰能力。
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第7卷第1期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
欢迎各位专家、学者赐稿！投稿链接
部分图片来自于网络
电话：010-68893411
邮箱：dkyxuebao@vip.126.com