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1.7 导弹制导系统抗干扰分析 [8,9]

制导系统是保证导弹在飞行过程中,能够克服各种干扰因素,使导弹按照预先规定的弹道,或根据目标的运动情况随时修正自己的弹道,使之命中目标的一种自动控制系统。制导系统以导弹为控制对象,包括导引系统和控制系统两部分。“制导”是指控制和导引的结合,制导系统是导引系统与控制系统的总称。

1.制导系统的构成

(1)导引系统。导引系统一般由测量装置和导引装置(计算机)组成,其功能是测量相对理论弹道或目标的运动偏差,按照预定设计好的导引律,由导引计算机形成控制指令。该控制指令通过导弹控制系统控制导弹运动。导引系统可以全部安装在弹上,也可以分装在弹上和弹外制导站(飞机、舰船、地面等等)。

(2)控制系统。控制系统通常由导弹姿态传感元件、操纵面传感元件、计算机、作动装置和操纵面(舵面)等组成。它的任务是响应导引系统传来的导引指令信号,产生作用力迫使导弹改变方向,使导弹沿着要求的弹道飞行。此外,它的另一项任务是稳定导弹的飞行。控制系统必须安装在弹上。

2.制导系统的分类

现代的导弹制导系统,由于各种导弹对付的目标不同,采用了多种多样的工作原理和设备,构成了品类繁多的制导系统。按工作原理不同,制导可分为自主制导、遥控制导、自动寻的制导和复合制导等,如图1-4所示;按制导中指令传输方式和所用能源不同,制导可分为有线制导、无线电制导、红外制导、激光制导及电视制导等;按飞行弹道不同,制导可分为初始段制导、中段制导和末段制导。

导弹制导的目的是将导弹按所需的精度导向目标。为了实现这一目的,不同的制导体制,在电磁干扰环境中呈现不同的抗干扰性能。原则上,采用暴露辐射信号越少的制导体制,被干扰的可能性越少,抗干扰性能也随之提高。然而利用无线电信息导引的导弹系统,辐射信号的减少将引起导引精度变差;辐射信息的多少固然有体制上的“先天”原因,还因体制本身抗干扰能力不同,而有不同程度的丢失。因此,在电磁干扰环境中选择具有足够作战能力的制导体制,是武器系统设计中的重要环节。这是一个重要的设计观点,不同于只考虑“干净”电磁环境中的导弹制导精度和杀伤概率等旧的这类传统设计观点。

图1-4 制导系统分类

1.7.1 自主式制导系统

自主式制导系统无须目标或制导站提供信息,完全由弹上制导设备产生导引信号,使导弹沿预定弹道飞向目标。导弹飞行中,由弹上制导设备测取地球或宇宙空间的物理特性(如物体惯性、星体位置、地磁场和地形等)参数作为附加信息,与弹上预先给定程序中的计算参数进行比较,利用比较的差值产生导引信号,进行弹道校正,使导弹沿预定弹道飞向目标。

自主制导的全部制导设备都装在弹上,制导作用一般受飞行时间和距离的限制,抗干扰性强;但是,导弹一旦发射后,就无法改变预定弹道。自主制导只能用于攻击固定目标或运动轨迹己知的活动目标,在地(舰)对空导弹中很少用。对于攻击能机动的活动目标,一般只能作为初始段制导或中段制导。

自主式制导系统又可分为惯性制导系统、程序制导系统、天文制导系统、多普勒制导系统、地图匹配制导系统等几大类。

1.惯性制导系统

惯性制导系统利用惯性测量元件测取导弹加速度,获得导引信息,控制导弹飞向目标的制导。

捷联式惯性制导系统是在计算机技术发展后出现的。它是把捷联惯性测量组合测量的导弹弹体信息处理成制导律所需的各种信息,形成控制指令,控制导弹按预定轨道飞行。

2.程序制导系统

程序制导系统又称“方案制导系统”,它利用预先给定的弹道程序,控制导弹飞向目标。

为保证导弹飞向目标,规定导弹飞行姿态随时间变化的规律称为程序。它包括给定弹道所需要的各种参数,如高度、俯仰角、航向角等。程序机构常为时钟机构、电气-机械装置、计算机程序带等。在飞行过程中,程序机构不断向弹上控制系统输入程序控制信号,控制导弹按给定弹道飞行。程序制导的导弹上有自动稳定系统,在飞行中能消除由于干扰引起的弹道高度误差和横偏误差。

程序制导的优点是设备简单,制导与外界没有关系,抗干扰性好,但导引误差随飞行时间的增加而累积;常用于弹道式导弹的主动段制导、有翼式导弹的初始段制导和中段制导,以及无人驾驶侦察机和靶机的全程制导。

3.天文制导系统

天文制导系统又称“星光制导系统”。该系统通过测量天体高度角、方位角获得导引信息,控制导弹飞向目标。

4.地磁制导系统

地磁制导系统利用地球磁场特性获得导引信息,控制导弹飞向目标。

5.多普勒制导系统

多普勒制导系统利用多普勒效应(是指当振荡源与观测者有相对运动时,观测者所接收到的信号频率发生的一种变化)获得导引信息,控制导弹飞向目标。

6.地图匹配制导系统

地图匹配制导系统是一种利用地图信息进行制导的自主式制导系统。该系统将导弹实测地图信息与预先贮存在弹上的基准地图信息相比较,确定导弹所在位置与它偏离预定位置的误差,形成导引信号,控制导弹飞回给定弹道的制导。地图匹配制导系统分为地形匹配制导系统和景象匹配制导系统。地形匹配制导利用地形信息进行制导,又称为地形等高线匹配制导。景象匹配制导利用景象匹配区域的景象信息进行制导。

众所周知,地球表面的高山、平原、森林、江河、海湾、建筑物等构成了地表面起伏不平的形状,这些信息一般不随时间和气候的变化而改变,也难以伪装,可以预先通过侦察卫星、飞机等高空侦察手段获得;并将获得的地表特征以一定的数字化形式存储在飞行器的计算机中,称为原图。当飞行器(导弹)飞越经数字化处理的预定空域时,飞行器(导弹)上携带的测量装置(无线电高度表或激光雷达高度表,图像遥感装置)再次对该地区进行测量,取得实际的地表特征图像,称为实时图。然后,利用弹上计算机(相关处理器)预存的地形图或景像图(原图),与导弹传感器测出的预定位置地形图或景像图(实时图)进行相关处理(匹配),确定导弹当前位置偏离预定位置的纵、横向偏差,形成导引指令,控制导弹飞向预定的区域或目标。

景象匹配制导与地形等高线匹配制导的差别在于,所利用的地面信息不同和测得的实时图的维数不同。地形等高线匹配属于一维匹配定位,而景象匹配属于二维匹配定位。

1.7.2 遥控制导系统

遥控制导系统是指控制指令由弹外制导站形成的制导系统。根据获取目标运动参数信息的方法,遥控制导系统可分为两类:第一类遥控制导系统,其目标、导弹的运动参数测量装置配置在地面制导站;第二类遥控制导系统,其目标运动参数测量装置配置在弹上,目标运动信息从弹上沿监控通道送到制导站,导弹运动参数由地面测量装置测量,在制导站形成控制指令。第二类系统确定的目标位置精度将随着导弹接近目标而提高。目前已有第一类系统与第二类系统相结合的制导控制系统。地面测量设备和弹上测量设备同时测量目标坐标,计算机根据信息的可靠性进行加权处理。国外将其称之为二元制导系统。

遥控制导系统由于其探测设备在地面或其他弹外载体上,因此其制导精度随着导弹射程的增加而降低。为提高制导精度,第一类遥控制导系统均在改善制导站的作用距离、探测跟踪精度和抗干扰能力等。同时,为了提高导弹的作用范围,减小近界距离,可提高引入段制导控制系统的快速性要求;为了提早对导弹进行控制,可采用宽窄波束的双模式制导,即在引入段初期采用宽波束制导,导弹进入波束的时间提前,从而使控制提前,减小近界距离。另外,为了提高测角精度,提高制导精度要求,需要采用窄波束制导。

遥控制导系统常用于攻击活动目标。在地(舰)空导弹、空空导弹和空地导弹上均有应用,可分为波束制导系统、指令制导系统和TVM制导系统。

1.波束制导系统

波束制导系统又称为“驾束制导系统”。该系统由弹外导引站发射波束照射目标,弹上导引装置控制导弹沿波束中心线飞向目标。

这种目标和导弹均在雷达目标瞄准线上的制导方式,存在导弹飞行轨迹曲率随导弹接近目标而增大的现象,因此要求导弹能承受较大的侧向加速度。为避免对导弹提出这种过高的要求,可采用另一种波束制导方式。这一方式可把目标跟踪雷达天线和导弹制导雷达天线分开,利用导弹制导波束控制导弹,实施前置攻击,因此降低了对导弹承受过高侧向加速度的要求。这种波束制导体制抗干扰的特点是导弹制导雷达直到在拦截目标前数十秒钟都不指向目标,这样目标上的自卫干扰只能对目标跟踪雷达实施主瓣干扰,而对导弹制导雷达仅可能实施旁瓣干扰,因此其干扰作用显著降低。若目标跟踪雷达遭受严重干扰,无法预测导弹前置拦截点时,它就转而跟踪目标的自卫干扰源(TOJ),这时又可实施前一种“三点一线”的波束制导方式。这一方式的特点是在导弹的制导过程中,不需利用雷达的目标距离信息。波束制导的弹上接收天线位于导弹后部,波束指向载机,因而弹上接收机一般不易受到干扰。不过,波束制导的精度随导弹飞行距离的增加而降低。

2.指令制导系统

指令制导系统由弹外导引站发送指令,控制导弹飞向目标。指令制导系统需要两个雷达跟踪波束:一个波束跟踪目标,获取目标的角度、距离和速度信息;另一个波束跟踪导弹并传输制导指令信息。这两个波束可以使用相同或不同的频段。导弹上装有遥控机(位于后部),通常遥控机的接收和发送分用两种频率。若只用一部跟踪雷达,则采用指令瞄准线(LOS)方法实现制导。这是一种波束制导和指令制导混合的制导方式,因此它具有这两种制导方式的抗干扰特点。

3.TVM制导系统

TVM制导系统是第二类遥控制导系统的一个典型实例。TVM制导系统通过导弹跟踪目标,获得目标信息,实现制导。其原理是,用地面相控阵雷达发射线性调频宽脉冲对目标进行跟踪照射,目标反射相控阵雷达的照射信号:一路直接到达相控阵雷达,由相控阵雷达主阵接收,通过处理获得目标的坐标位置参数;另一路到达导弹处,由弹上导引头接收,但导引头接收到的信号不在弹上处理,而是通过弹上尾部的发射机,将导引头接收到的目标反射信号利用TVM下行线转发到地面,由相控阵雷达TVM接收天线接收,在地面进行处理,提取导引头测量的目标相关信息。然后综合处理相控阵雷达直接测得的信息和通过导引头转发下来间接测得的目标信息,按照选定的制导律,形成导弹控制指令;再由相控阵雷达主阵,通过TVM上行线传送给导弹。最后由弹上接收机接收,处理后送给稳定控制系统,控制导弹按期望的弹道飞向目标。

1.7.3 寻的制导系统

寻的制导系统又称“自动寻的制导系统”或“自动导引制导系统”。寻的制导系统利用弹上设备形成控制指令实现制导。弹上导引头获得形成控制指令所需的目标运动参数的信息,这样在导引过程中导弹自动导引飞向目标。因此在主动寻的和被动寻的制导控制系统中,导弹发射后具有射后不管的能力。这种特性使得寻的制导系统在防空导弹上广泛采用。此外,寻的制导的弹上设备相应复杂,质量增加,限制了导弹性能;由于受到导弹结构尺寸和质量的限制,使寻的制导的作用距离也受到了限制。寻的制导与其他制导方法不同,在寻的制导时,制导站只起辅助作用,保证导弹的发射和目标的选择;在半主动寻的时则作为照射目标的能源。

1.7.3.1 按目标信息物理特性分类的寻的制导系统
1.雷达(无线电)寻的制导系统

雷达寻的制导系统利用弹上雷达导引头探测目标辐射或反射的电磁波,形成导引信号,控制导弹飞向目标。一般雷达寻的制导指微波制导,微波是指波长为1~100 cm的电磁波波段。微波制导系统利用弹上的微波雷达导引头接收目标的微波能量捕获跟踪目标,导引导弹命中目标。微波制导的最大特点是全天候昼夜工作,但微波主动雷达制导面临着严峻的电子干扰环境的威胁。在微波制导中,合成孔径雷达和被动雷达受到重视。合成孔径雷达是一种主动成像雷达,它可以在能见度极差的气象条件下得到类似光学的高分辨力雷达图像。采用合成孔径雷达制导,具有很强的抗干扰能力和很高的制导精度。国外合成孔径雷达制导技术已实用化,精度达到0.7 m×0.9 m。被动雷达制导用于反辐射导弹攻击敌方雷达,虽然制导精度不高,但反辐射导弹可对制导雷达、火控雷达构成严重威胁,所以各军事强国都在大力研究发展该项技术。被动雷达制导国外已实用化,在战争中发挥了重要作用。

2.电视寻的制导系统

电视寻的制导系统利用电视摄像机作为弹上探测目标的传感元件,自动获取目标图像的有关角度信息,用以制导导弹飞行。电视导引头分为可见光电视导引头、微光电视导引头及红外电视导引头。

可见光电视导引头利用可见光,系统的角分辨力高,制导精度高,隐蔽性好,抗电子干扰;但只能在白天和能见度较好的条件下使用。电视制导有两种工作方式:一种是发射前锁定目标,一般用于近程空地导弹;一种是发射后锁定目标,即人在回路中的工作方式,用于中远程空地导弹。电视制导国内外已是成熟技术,人在回路中的电视制导已在战争中多次使用。

3.红外寻的制导系统

红外寻的制导系统利用目标辐射的红外线获得导引信息,形成导引信号,控制导弹飞向目标。红外寻的制导常为被动式寻的制导,常用于空对空导弹的制导及地对空导弹的末制导。

红外寻的制导精度高,可昼夜工作;但受烟雾影响大,易受光电干扰。红外非成像制导,国内外均已是成熟技术,在战争中多次使用,曾发挥了重要作用。红外成像制导利用弹上红外成像导引头,依据目标和背景的红外图像,识别捕获跟踪目标,导引导弹命中目标。红外成像制导与点红外制导相比,具有很强的抗光电干扰能力,可使武器对目标进行全向攻击,有命中点选择的能力;红外成像制导与可见光电视制导相比,红外成像制导可昼夜工作,能识别目标易损部位。因此,红外成像制导是当今精确制导发展的主流。

4.激光寻的制导系统

激光寻的制导系统利用弹外或弹上的激光束照射目标,弹上的激光导引头利用目标漫反射的激光,捕获跟踪目标,导引导弹命中目标。激光寻的制导系统使用最多的是照射光束在弹外的激光半主动制导技术。激光半主动制导技术的特点是制导精度高,抗干扰能力强,结构简单,成本低,其工作波段有两个:1.06 μm和10.6 μm。激光寻的制导现正在发展激光主动成像制导技术。由于激光主动成像可成三维图像,且图像(反射像)稳定,便于图像识别算法的编制,因此是成像制导的发展方向,发展前途很大。国外激光半主动制导已实用化,在战争中发挥了重要作用。激光主动成像制导正在发展之中。

5.毫米波制导系统

毫米波制导系统利用弹上的毫米波导引头接收目标反射或辐射的毫米波信息,捕获跟踪目标,导引导弹命中目标。毫米波的波长为1~10 mm,介于红外和微波之间。因此,毫米波制导具有较高的制导精度,较强的抗干扰能力。毫米波制导可分为主动制导和被动制导以及成像制导与非成像制导。主动制导的工作体制有脉冲体制、连续波体制。脉冲体制作用距离远,连续波体制作用距离近。毫米波制导目前有两个工作波段:8 mm和3 mm。毫米波制导在精确制导发展中占有主要地位,它与红外成像制导一起成为精确制导技术发展的两个主要分支。毫米波制导技术的抗干扰能力和精度优于微波制导技术,全天候作战能力优于红外成像制导,因此在精确制导技术发展中占有重要地位。毫米波制导技术目前国外已用于通用空地导弹和反坦克导弹。

1.7.3.2 按产生目标信息能源所处位置分类的寻的制导系统
1.主动寻的制导系统

主动寻的制导系统利用弹上导引装置向目标发射能量(无线电波或激光等),并接收目标反射回来的能量,形成导引信号,控制导弹飞向目标。主动寻的制导常用作复合制导中的末制导。

主动寻的制导是机载导弹制导的发展趋势,这种制导方式由于具备“发射后不管”能力,所以不管发射多少这类导弹攻击多个目标,也不会引起武器系统的工作过载。机载雷达可以在受导弹攻击时停止辐射,而发射出去的导弹仍具有相应的攻击能力。

2.半主动寻的制导系统

半主动寻的制导系统利用弹外导引站向目标发射能量(无线电波或激光等),并接收目标反射回来的能量,形成导引信号,控制导弹飞向目标。

以半主动雷达寻的制导为例,这种制导体制的固有抗干扰能力表现在可对压制干扰源寻的,把干扰源作为信标。但此时因无距离和速度信号,导弹弹道并非最佳。弹上接收机可以采用窄的“速度门”滤波器,提高抗压制性干扰的能力。在导弹寻的接收机高频端装配窄带滤波器(称为“倒置接收机”或“逆向接收机”)能提高系统抗压制干扰能力。显然,这是一种双基地体制雷达寻的系统(半主动寻的接收),在一定角度范围里,自卫干扰难以对准接收天线主瓣,干扰强度大为降低。另外,它也能对付“交叉眼”(cross-eye)角度欺骗干扰。但是,由于跟踪与照射雷达一直处于跟踪照射目标状态,因而容易受到反辐射导弹的攻击。

3.被动寻的制导系统

被动寻的制导系统利用弹上导引装置接受目标辐射的能量(无线电波和红外线等),形成导引信号,控制导弹飞向目标。

被动寻的制导体制利用目标的辐射特征,如目标上的微波辐射源、目标飞机喷气发动机的热辐射(红外辐射源)进行跟踪制导。被动寻的属于无源寻的,导弹处于“静默”跟踪工作状态,被跟踪方难以觉察导弹攻击。因此,这种制导体制抗干扰性能较好。

1.7.4 复合制导系统

各种制导体制在抗干扰能力方面都有优缺点,若利用它们各自的抗干扰优良性能,实行组合式制导,对提高武器系统的综合抗干扰能力十分有效。特别是对中、远程机载导弹系统采用组合制导方式,可以满足全程高精度制导和提高抗干扰能力的要求。复合制导由多种制导系统依次或协同参与工作来实现对导弹的制导,其组成应根据导弹需要完成的任务来确定。大多数防空导弹复合制导的飞行初始段采用自主式制导,之后采用其他制导。

一般有以下几种基本组合制导方式:

(1)遥控+寻的制导,如指令(或波束制导)+寻的制导(主动、半主动或被动寻的);

(2)自主+遥控+寻的制导,如捷联惯导+指令制导+各种寻的制导;

(3)自主+TVM制导,如捷联惯导+TVM制导。

根据实战的抗干扰需要,可以组合各种可能的有效制导方式。例如,在确定攻击目标后,导弹初始阶段受指令控制,中段采用捷联惯导而不受敌方电子干扰威胁,末段再采用主动寻的(或被动寻的),以修正由惯导引起的过大制导误差,保证高精度地接近目标。再如,导弹发射前段先用指令制导,接近目标时主动寻的导引头工作,或采用半主动寻的制导。为减弱敌方干扰对导弹指令(或“通过导弹跟踪”体制的上下行线)的作用,在指令修正阶段进行低速率采样、自适应采样和采用各种抗干扰码。又如,在末制导寻的阶段,为对付敌方干扰,可采用多种复合寻的导引头,如微波主动寻的与红外被动寻的复合,以及微波双频复合寻的等。有时,微波双频辐射信号之一仅起欺骗作用,迫使干扰机在宽频段内工作,以分散干扰辐射功率,从而降低对雷达导引头的干扰作用。

上述各种组合制导方式的共同特点,是末段都采用寻的制导方式。寻的制导可使导弹更准确地接近目标。而在它们的前段和中段则尽量采用免受电磁干扰的制导方式(如惯性制导)。若仅在离预计拦截时间之前某个短时间,才让导弹进入寻的制导方式或让照射雷达开始工作(半主动寻的方式),就可减少或避免速度波门拖引干扰,以及其他形式干扰对寻的导引头的作用。

每种复合制导都需要解决两种制导方式的交班问题,特别是复杂人工干扰条件下的交班问题,即从一种制导方式过渡到另一种制导方式时的弹道结合的有关技术问题。例如,交班时导弹位置偏差和导弹从一种制导方式到另一种制导方式时的导弹空间的方位的协调性。若不协调,则导引头就不可能捕获目标,故在复合制导中交班问题是两种制导方式转换的限制条件。对于不同的复合制导,限制条件也不同。 WmaT7HS5FUyRn5X+fEWmcWr6fkv0ZhDdkRlPmWkZBbYpcFIgzclyeRqaLloOhiW7

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