反舰导弹抗干扰虚实合成对海试验平台建设方案研究∗

卢道伟 王 伟

1 引言

在反舰导弹体系已日趋完善的形势下，换装主动、被动、红外等多种形式的复合导引头，提高反舰导弹真实背景条件下的抗干扰性能，是今后一段时期内反舰导弹的主要发展方向。

为了增强半实物仿真试验的可信度，拓展外场导引头试验功能，并为导弹飞行试验提供先验信息，从而丰富反舰导弹抗干扰综合试验的内涵，本文提出了反舰导弹抗干扰虚实合成试验的模式，即将内场半实物仿真试验系统中的导引头以及其它附属设备架设到外场导引头对海试验平台（以下简称对海试验平台），通过真实舰船、目标模拟器、有源干扰、无源干扰和真实海背景构造目标及干扰环境，对海试验平台录取导引头数据并转发到内场数字仿真实验室，内场数字仿真实验室接收实时的导引头数据、进行弹道解算并反馈到对海试验平台，控制导引头做出相应的姿态变化，模拟导弹飞行过程，从而实现反舰导弹抗干扰虚实合成试验。

导引头对海试验平台作为虚实合成试验系统的重要组成部分，主要起到支撑导引头、实现导引头三自由度转动、采集导引头试验数据以及与内场数字仿真实验室互联、互通、互操作的作用。本文结合靶场实际的地理环境、气候环境、数字仿真实验室等具体情况，对导引头对海试验平台的功能、组成、工作原理和工作过程进行总体设计，对存在问题进行分析并提出拟解决措施。

2 对海试验平台组成及功能

对海试验平台由机械系统、测控及电气系统（含连接电缆）、仿真计算机、导引头数据采集计算机、通讯网络、GPS天线等组成。其中，机械、测控及电气系统和仿真计算机构成三轴转台系统［1］，如图1所示。

1）机械系统：机械系统是三轴转台的台体，包括三个机械轴系、台体底座、驱动电机、测角元件、工装夹具和转台地基等。机械系统是导引头的承载平台，带动导引头实现滚转、偏航和俯仰运动，模拟导弹飞行过程中的弹体姿态运动。

2）测控及电气系统：测控及电气系统包括机柜、功放、二次电源、接口及连接电缆等。测控及电气系统是机械系统的电气控制单元，能够将仿真计算机的控制指令转换成控制信号，控制转台的机械系统运动。

3）仿真计算机：仿真计算机包括工业控制计算机、通信接口、指示灯和急停按钮等。仿真计算机与内场实验室互联互通，接收内场数字仿真系统的弹道解算数据，转换成为转台的控制指令，通过测控及电气系统控制转台运动。

4）导引头数采计算机：导引头数采计算机包括一台高性能工业控制计算机及接口，实现导引头数据的实时采集并将数据传输给内场数字仿真系统中，实现导引头的闭环仿真。

5）通讯网络：通讯网络包括实时光纤网络和以太光纤网络，实现仿真数据的交互。

6）GPS天线系统：GPS天线系统包括GPS天线及授时卡，实现系统的授时。

3 对海试验平台工作原理

对海试验平台中的仿真计算机系统、测控及电气系统和机械系统组成了整套的三轴转台系统，三轴转台的内框安装导引头，通过三框的复合运动共同模拟导弹飞行过程中弹体的姿态运动，系统的工作原理如图2所示［2～3］。

在系统工作时，仿真计算机系统通过GPS授时卡进行时间统一，仿真计算机系统向测控及电气系统发送控制指令，测控及电气系统对控制指令进行高阶串联校正后通过总线发送给运动控制卡，运动控制卡接收到指令信号后，将指令信号和编码器的位置反馈信号进行综合，形成误差控制信号。误差控制信号经过PID调节（PID regulating，是具有比例、积分和微分作用的一种线性调节规律）后，输出成为速度指令信号，功率放大器接收到速度指令信号，将速度指令信号和经过微分电路转换得到的速度反馈信号进行综合，形成误差控制信号，该控制信号控制机械系统上三个转轴电机的输入电压，驱动电机按照一定的轨迹运动。同时，机械系统上的测角元件测量转轴的当前位置，并将位置信息反馈给测量及电气系统，当运动控制卡接收的指令信号和位置反馈信号有差值时，便驱动电机带动转轴运动，直至到达控制指令要求的位置。

仿真计算机系统、测控及电气系统以及机械系统组成的三轴转台系统，其工作过程可分为本地控制模式和仿真控制模式，如图3所示。

在本地控制模式下，用户通过仿真计算机系统的控制软件输入控制参数或运动形式，转台的测控及电气系统按照用户的输入参数或文件自动规划出位置运动指令，如等速运动、定位运动、周期运动（正弦、梯形、三角波、方波）和阶跃运动等，控制软件对用户输入的控制指令进行合法性校验，如最大速度、最大加速度、最大位置是否超限等，驱动控制器将控制参数转换成电机的控制信号，驱动机械系统的运动。在该模式下，仿真计算机系统也可以直接读取存储在本地的仿真数据文件，通过仿真数据作为转台的控制指令驱动转台运动。在本地控制模式下可完成所有转台指标的测试和检测，以及导引头的开环测试。

仿真控制模式与本地控制模式的本质区别在于指令信号的来源不同，在仿真模式下，仿真计算机通过光纤网络实时的读取内场数字仿真实验室的弹道解算数据，经过仿真计算机和测控及电气系统的处理后作为转台机械系统各轴的运动控制指令，实现转台角位置或角速度的跟踪功能，并能够实时返回转台各机械轴的角位置或角速度。在该模式下，可进行虚实合成仿真试验［4］。

当转台在运动过程中出现飞车等严重故障时，用户可以通过急停按钮中断转台运动，起到设备保护的作用。

参试导引头安装在机械系统的内框上，机械系统的三轴转动激励导引头敏感弹体姿态运动，在试验过程中，数据采集计算机实时采集并存储导引头的数据。

4 对海试验平台工作过程

对海试验平台建设的目标是在真实环境下测试反舰导弹导引头的抗干扰性能，其与内场数字仿真实验室、海上舰船目标、干扰环境以及海情环境共同构成抗干扰试验条件。对海试验平台部署在海边某高地上，导引头直接捕获跟踪海上真实的舰船目标，导引头对海试验平台部署如图4所示。

虚实合成试验的工作原理如图5所示。

对海试验平台和内场数字仿真实验室通过光纤网络连接，实现仿真数据的实时交换；海上舰船目标安装GPS导航系统，实时测量舰船目标的位置、航向和航速等信息，通过无线通讯网络与内场数字仿真实验室之间实现数据交互。

在进行抗干扰试验时，可以使用对海试验平台进行开环试验和闭环试验。

1）开环试验

开环试验时，内场数字仿真实验室的弹道解算计算机不进行弹道解算，三轴转台不接受内场数字仿真实验室的控制，转台通过仿真计算机调整适当的位置使导引头指向舰船目标，转台静止在该位置或在该位置附近做较小幅度的扰动，对导引头进行姿态上的干扰。导引头开机后，捕获并跟踪运动的舰船目标，舰船释放各种干扰（箔条干扰、距离拖引、舷外有源、角反射体等）对导引头实施干扰，导引头输出的目标视线信息通过导引头数据采集计算机采集。

导引头敏感的目标视线是弹体质心与目标之间的连线，在进行导引头仿真试验时，目标视线是转台的回转中心与舰船目标之间的连线。转台的地理坐标位置可以通过标定测量，舰船目标的地理坐标位置可以通过GPS导航实时测量，通过转台和舰船目标的坐标位置可以实时地计算出目标视线的变化信息，导引头测量的目标视线信息与实际计算的目标视线信息进行对比，分析导引头的跟踪性能和抗干扰性能。

2）闭环试验

闭环试验时，内场数字仿真实验室进行弹道模型的实时解算，并将解算的导弹姿态数据通过光纤网络发送给外场中的仿真计算机系统，仿真计算机系统将弹体姿态数据转换成转台的控制指令驱动三轴转台运动。

导引头安装在机械系统的内框上，导引头开机后探测、捕获、跟踪海上舰船目标，产生的视线转率及其他数据由导引头数据采集计算机采集，再通过光纤网络传递到内场数字仿真实验室，参与弹道解算，形成闭环的导弹飞行过程仿真系统。

由于导引头放置在外场，探测的是真实的海上舰船目标，因此在装订弹道模型的初始参数时，需要通过目标和转台实际的地理位置以及该型导弹的战术指标规划出导弹的发射点等装订参数，使规划的弹道终点为舰船的实际位置附近，并且经过导引头对海试验平台所在的位置（转台所在位置）附近，这样经过数学模型解算的弹道才符合试验环境设备部署的真实情况。

与开环试验类似，闭环试验时，舰船目标在导引头开机后释放各种干扰，导引头探测并跟踪目标和数据目标视线信息，通过数采计算机采集后与真实计算出的目标视线进行对比分析。

5 存在问题及拟解决措施

5.1 目标视线角不变引起导引律失效

5.1.1 问题的提出

目前反舰导弹导引头多为平台式，陀螺在惯性空间保持静止，天线安装在陀螺框架上，天线运动使陀螺敏感到相对运动。当导引头截获并稳定跟踪目标后，导引头通过导引规律（一般为比例导引）引导导弹飞向目标，而导引律与目标视线角的转动速率有关，此转动速率称之为目标转率。

虚实合成试验方案中对海试验平台固定于岸边，目标舰船位于数公里外的海面上，由于舰船移动速度较慢，相对于数公里的距离来说，目标视线角转率很小。但在实际导弹飞行中，由于导弹快速移动和导弹飞行的不稳定性加上导弹的蛇形机动，目标视线角速率变化较快，比例导引正是利用变化的目标转率控制弹体飞向目标。这就造成了试验现场状况与实际导弹飞行的导引状况不符，在现有条件下无法利用视线转率导引导弹。

5.1.2 拟解决措施

虚实合成试验中目标舰船位于数公里外的海面上，数公里以内无法提供舰船回波信号，弹道抗干扰仿真并不能完成整条弹道的仿真。所以距离目标数公里以外的目标视线转率一般来说并不大（除了蛇形机动、螺旋机动或摇摆式机动等情况）。所以提出两种解决方案。

1）利用理想弹道做试验

所谓“理想弹道”，就是弹道条件最为简单，弹道纵向投影为一条直线，直指目标，飞行无侧偏，无任何干扰。这样，在试验前需要将导引头天线零位对准目标舰船，即可进行试验。由于导弹径直飞向目标，理想状态下目标视线转率为零，在此情况下，可进行抗干扰试验验证。

2）利用对海试验平台和目标相对运动解算目标视线角速率

如果弹道存在较大的目标视线转率，上述方案则不能很好地模拟真实情况，无法利用视线转率进行目标导引。这时可利用弹体运动时产生的弹目视线角和弹体姿态角来推算的目标视线角。弹目视线角是目标视线角和弹体姿态角之和。在进行联合试验仿真时，可以假定目标不动，弹道解算计算机将因弹体沿弹道运动而产生的目标视线角的变化叠加到数学计算出的弹体姿态角中，弹道解算计算机发送弹目视线角给三轴轴台，控制转台运动。同时，利用实时解算出的目标视线角进行微分，得到目标视线转率，送至综控机数学模型中，用以引导导弹飞向目标。此时，导引头类似于参与系统随动仿真，其探测到的目标视线角、目标视线角速度信息均不参与到系统闭合仿真回路中，而是用数学解算方式代替，但其探测到的目标距离信息可通过网络传送至弹道解算计算机参与闭合回路仿真。这种方案本质上是数学仿真，只是利用了导引头距离探测数据。

5.2 全高弹道导引状态无法模拟

5.2.1 问题的提出

某些型号导弹以大俯冲角攻击目标，而由于对海试验平台和海上目标均在海平面附近，大的目标视线高低角无法模拟，导致不能进行全高弹道仿真。

5.2.2 拟解决措施

由于导引头陀螺是速率陀螺，对陀螺速率的变化敏感，而对陀螺位置不敏感，采用认为目标不移动，转台运动，将目标的视线角位置运动附加到转台运动上，从而保持弹目视线角与正常弹道相一致的方法，来实现全高弹道仿真。

将目标对准导引头天线零位，此时转台的三框角度置零。转台在导引头开机前的姿态角可按照正常弹道的解算加以控制，导引头开机前，可以将转台姿态角缓慢过渡到弹道解算计算机解算的弹目视线角，即把正常弹道解算的目标视线角运动附加到转台的俯仰框和航向框，使得弹目视线角与正常仿真方式解算的弹目视线角保持不变。这样，导引头开机搜索、截获、跟踪目标就能较为真实地反映全高弹道的战场作战情况。

这个方案的缺点是没能真实地模拟海杂波的情况。真实作战的情况是导弹大俯冲角冲向目标，与海面几近垂直，而本方案中导引头平行于海面，与前者海杂波的情况有很大不同。而且导弹大俯冲角攻击与本方案侧向攻击目标舰船时的RCS值也不同，这需要船上的目标模拟器做相应目标特性的数据处理。

6 结语

反舰导弹虚实合成试验的模式可以解决导引头对海试验中导引头不能与弹上其它系统进行交互和内场半实物仿真试验中目标及干扰环境不够真实的问题，并可以实现弹道闭合仿真试验，为导弹飞行试验提供先验信息，为全数字仿真试验提供模型校验功能。对海试验平台是虚实合成试验系统的重要组成部分，可以实现导引头开环和闭环两种试验模式。本文在靶场前期实验室建设的基础上，参考内场导引头半实物仿真试验的相关经验，从总体上设计出对海试验平台的建设方案，并对存在的问题及解决方案进行了探索，对于靶场未来的反舰导弹试验保障条件建设具有一定的借鉴作用。

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