基于动态捕获域的末制导炮弹激光开机时间计算方法_陈瑞军.pdf

收稿日期：2021-09-05修回日期：2021-11-11作者简介：陈瑞军（1971-），男，内蒙古土默特左旗人，硕士。研究方向：外弹道及射表编拟。摘要：激光开机时间计算方法的确立是末制导炮弹射表编拟工作中的关键技术难题。为了保证射表精度，提出动态捕获域的概念，建立了基于动态捕获域的末制导炮弹激光开机时间计算方法。由算例对比分析可知，该方法既增大了弹道末端动态捕获域面积，又提高了攻击目标时的存速，确保满足制导精度要求，最终保证命中率，解决了激光末制导炮弹射表编拟中的关键难题。关键词：动态捕获域；激光开机时间；末制导炮弹；射表计算中图分类号：TJ765.4文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2022.11.015引用格式：陈瑞军，褚进，张宝.基于动态捕获域的末制导炮弹激光开机时间计算方法 J.火力与指挥控制，2022，47（11）：81-87.基于动态捕获域的末制导炮弹激光开机时间计算方法陈瑞军，褚进，张宝（解放军 63863 部队，吉林白城137001）The Laser Boot Time Algorithm of Terminal-guidedShell Based on Dynamic Capture AreaCHEN Ruijun，CHU Jin，ZHANG Bao（Unit 63863 of PLA，Baicheng 137001，China）Abstract：The establishment of the laser boot time algorithm is the key technical problem tocompile the firing table of terminal-guided shell.In order to ensure the accuracy of firing table，theconcept of dynamic is proposed.The laser boot time algorithm of terminal-guided shell based on thecapture area is established known from the comparative analysis of the examples.The new method notonly increases the area of dynamic capture in the end of trajectory，but also improves the access speedwhen attacking targets，and meets the guidance accuracy requirements，and finally guarantees the hitrate，and solves the key problem in the compiling of firing table of the terminal laser-guided shell.Key words：dynamic capture field；laser boot time；terminal-guided shell；firing table calculationCitation format：CHEN R J，CHU J，ZHANG B.The laser boot time algorithm of terminal-guidedshell based on dynamic capture area J.Fire Control&Command Control，2022，47（11）：81-87.0引言激光开机时间（即延时）是射表核心基本诸元，很大程度上决定了捕获域形状大小及末端弹道诸元，直接影响命中率。其计算方法的确立是末制导炮弹射表编拟工作中的关键技术难题。在国内外文献中，查不到与激光开机时间算法直接相关的内容，只是在国内论文中有一些关于捕获域的讨论。国内对末制导炮弹捕获域的研究大多为末端弹道上某一点的瞬时静态捕获域1-3，很少涉及全局整体捕获域。文献 4 中虽然讲到了整体捕获域，并在结束语中提到了时敏性，即要考虑激光照射时长的约束，但如何考虑并未提及，而且该文中全弹道捕获域的图形并不准确，本文给出了该图形的仿真结果，更具实际意义。笔者在文献 5 中建立了基于瞬态捕获域的激文章编号：1002-0640（2022）11-0081-07Vol.47，No.11Nov，2022火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 47 卷第 11 期2022 年 11 月81（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期光开机时间算法，解决了一些问题。但在算表实践中也发现了不足，主要是无法找到令人满意的瞬态捕获域，且飞行至瞬态捕获域远端的存速较小，将导致过载不够，无法满足制导精度要求。本文在以往瞬态捕获域研究基础上，首次提出了动态捕获域的概念，通过弹道仿真给出了动态捕获域的图形，建立了基于动态捕获域的激光开机时间计算方法。该方法算出的结果非常理想，使末制导炮弹的动态捕获域满足战技指标要求，并有较大余量，而且提高了攻击目标时的存速，确保满足制导精度要求，最终保证命中率，在激光末制导炮弹射表计算方法研究中实现了新的突破。1激光开机时间是射表核心基本诸元射表的基本内容包含基本诸元和修正诸元。基本诸元是指射距离对应的射角、程装（惯导陀螺解锁时间）、延时（激光开机时间）等。为了便于使用，还应包含一些必要的辅助数据，如最大弹道高、落角、落速和飞行时间等。修正诸元是指进行弹道修正时的必要数据。主要包括：高角变化时的距离和延时改变量、程装变化时的距离和延时改变量、炮目高差引起的距离和延时修正量；偏流、横风引起的方向修正量；纵风、气压、气温、发射药温度、初速偏差引起的距离和延时修正量等。射角、程装、激光开机时间是射表的核心基本诸元，一定条件下，三者共同决定了末制导炮弹的飞行轨迹。其中，射角主要决定升弧段无控弹道，程装决定了惯导滑翔增程段弹道的启控，激光开机时间直接决定末端制导段的启控。2瞬态捕获域的概念及特点2.1瞬态捕获域的概念及图形所谓瞬态捕获域就是在末端弹道某一瞬时，目标反射的激光光斑信号能够被导引头获取的目标所有可能位置的集合，该集合是地面的特定区域。瞬态捕获域是视场椭圆、有效探测圆的交集6-8。末端弹道某一瞬时，以导引头镜头中心点为圆锥顶点，以导引头光轴为圆锥轴线，圆锥半顶角等于视场角的圆锥即为导引头的视场锥。此圆锥被弹道起点水平面所截，截面为一椭圆，如图 1 所示。该椭圆区域即为导引头视场所能包含的地面区域，称为视场椭圆。视场椭圆公式为：（1）其中，a 为椭圆长半轴；b 为椭圆短半轴；x、z 为弹道坐标；为偏航角。在视场椭圆内的目标能否被导引头捕获，还受导引头的有效探测距离制约。以弹丸质心位置为中心点，以有效探测距离 lc为半径作一球面，该球面与弹道起点水平面的交线为一圆，该圆形区域满足导引头的探测距离要求，称为有效探测圆。容易确定，有效探测圆的圆心为 F点，其半径为：（2）瞬态捕获域就是有效探测圆与视场椭圆相交所形成的公共区域，如图 2 所示。图 2瞬态捕获域构成示意图2.2基本诸元对瞬态捕获域的影响末制导炮弹对同一目标实施攻击的名义弹道（惯导滑翔飞行到落点，没有激光导引）有许多条，构成了名义弹道簇5，理论上有无穷多个程装、射角组合能够满足射击要求。射角、程装组合对捕获域影响不大，如下页图 3 所示。为了研究方便，下面用不同弹目距离（炮弹与名义落点的距离）代替不同激光开机时间对瞬态捕获域的影响。在弹道末端，随着弹目距离减小，对应的瞬态捕获域相对名义落点的位置逐渐右移，其椭圆完整性快速加大，如图 4 所示。可见，激光开机时间对瞬态捕获域形状大小及末端弹道诸元影响较大。因此，可以通过搜索计算满足要求的捕获域来反求激光开机时间。图 1视场椭圆示意图821936（总第 47-）射角、程装组合主要影响名义弹道的射程、弹道高和落角落速9，可选择合适的射角、程装组合，在高低云层不同条件下使炮弹飞行至目标区域，且满足一定落角落速要求。在弹道末端，选择适当的激光开机时间，使有效攻击区大小满足战技指标要求。3基于瞬态捕获域的激光开机时间算法简介3.1瞬态捕获域与有效攻击区的关系通过瞬态捕获域及对应有效攻击区的大量计算机仿真和试验结果表明，瞬态捕获域与有效攻击区基本重合，如图 5 所示，仅有瞬态捕获域近端的很小一部分难以攻击到，这一部分的长度将近 200 m左右。主要原因是攻击捕获域近端时弹道比较弯曲，惯导陀螺和导引头陀螺内框和外框绕相应摆动轴的摆动角度受到限制，超过了其限位角，无法正常制导飞行。所以，为了计算激光开机时机，以搜索满足要求的捕获域代替满足指标的有效攻击区是合理的，且计算速度更快，所得结果规律性更好。末制导炮弹武器系统对有效攻击区的大小都有明确的要求。比如，有效攻击区纵向两端距目标点前后各 800 m，横向两端距目标点左右各 300 m，见图 6 中矩形所围区域。则满足要求的捕获域长度应不小于 1 800 m，宽度应不小于 600 m。并且为了保证制导精度，要求炮弹飞行至该捕获域中各点时的存速不小于规定值（海拔 0 m 时为 160 m/s）。存速规定值是为了保证末制导炮弹制导精度，通过制导仿真及飞行试验结果所给出的，如果存速太小，即使目标被捕获，也将无法命中目标。图 6瞬态捕获域与指标规定矩形示意图3.2基于瞬态捕获域的激光开机时间算法及不足基于瞬态捕获域的激光开机时间算法的简要步骤，是通过计算不同弹目距离对应的瞬态捕获域长度，并判断其是否满足战技指标要求的长度，不断修正弹目距离并进行迭代计算，直到搜索到满足要求的瞬态捕获域10-11，此时弹目距离对应的激光开机时间即为所求结果。详细算法参见文献 5。计算结果所能搜索到的瞬态捕获域最好的情况只能内接于满足长宽指标的有效攻击区矩形，见图 6 实线所围区域，可见该瞬态捕获域没有充满指标矩形，效果并不理想。并且激光开机时间较晚，导致末制导炮弹发现目标晚，使得炮弹飞到捕获域远端目标时的存速小于规定值 160 m/s，导致过载较小，会使制导精度不够，容易造成脱靶。总之，将会导致命中率下降。4建立基于动态捕获域的激光开机时间算法4.1动态捕获域的概念及图形动态捕获域是指末制导炮弹在末端飞行中能图 3射角、程装组合对瞬态捕获域影响示意图图 4激光开机时间对瞬态捕获域影响示意图图 5瞬态捕获域与有效攻击区示意图陈瑞军，等：基于动态捕获域的末制导炮弹激光开机时间计算方法831937（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期够捕获目标的整体捕获域，是由不同弹目距离对应的瞬态捕获域叠加而成的，如图 7 所示，图中红点为名义落点，由图中名义落点坐标及其与动态捕获域的位置关系可知，该点与动态捕获域中心相差几百米左右。图 7激光照射 10 s 时的动态捕获域形成示意图如果不考虑激光照射时长的限制，仅考虑导引头探测距离的限制，那么此时的动态捕获域即为全局捕获域，如图 8 所示。实际上，末制导炮弹的激光照射时长是有限制的，比如有 10 s、13 s 不等。4.2基于动态捕获域的激光开机时间算法图 8全局捕获域形成示意图基于动态捕获域的激光开机时间算法基本原理是：在给定射角、程装组合下，通过迭代计算不断调整名义弹道末端的弹目距离，直到搜索到满足条件的动态捕获域，由起始瞬态捕获域和终止瞬态捕获域之间无数瞬态捕获域叠加而成，如图 7 所示，则此起始瞬态捕获域对应的弹目距离即可转换计算成激光开机时间，以此动态捕获域中心作为此基本诸元对应的射程。其中，满足的条件就是动态捕获域所围区域不小于战技指标所规定的矩形区域，从激光照射开始到命中目标时的飞行时间不超过激光照射时长限定值，飞到该动态捕获域中任意目标时的存速不小于限定值。这里主要考虑飞到动态捕获域最远端的存速和飞行时间是否