定義
戰略飛彈制導系統的類型有自主式制導系統、遙控制導系統、尋的制導系統和複合制導系統等。戰略飛彈的種類和戰術技術性能要求不同,其制導系統的具體設備、結構形式和工作原理等有很大差異。
戰略彈道飛彈制導系統
戰略彈道飛彈通常只在主動段進行制導,攜帶分導式多彈頭的飛彈增加了末助推段多彈頭分導系統。一般採用
慣性制導系統
,潛地戰略彈道飛彈多採用慣性—星光制導系統。為進一步提高飛彈的命中精度和突防能力,可進行全程制導或主動段與末段相結合的複合制導。①主動段制導是在飛彈處於大推力飛行狀態下進行的。制導系統先控制飛彈垂直起飛,然後按預定程式控制飛彈轉彎和關閉發動機。在此過程中,受到干擾時,飛彈將出現姿態偏差,偏離預定彈道,制導系統則進行姿態穩定和橫、法嚮導引。橫向和法嚮導引的目的是使飛彈落點的橫向偏差和關機時的彈道傾角(速度矢量與當地水平面的夾角)偏差小於允許值。當飛彈的飛行速度達到預定要求時,發出關閉發動機的指令,隨後發出彈頭與彈體分離的指令。彈頭與彈體分離後,彈頭沿自由拋物體軌跡飛向目標,其命中精度取決於發動機關機時刻的速度大小和方向。慣性制導是利用慣性器件測量飛彈的加速度,經一次積分得到速度,二次積分得到位置數據,並據此進行計算形成導引指令和關機指令。所以,加速度的測量誤差對制導精度有相當大的影響。產生加速度測量誤差的主要因素是加速度計的測量誤差和陀螺儀漂移引起的測量基準偏差。因此,對戰略彈道飛彈的慣性制導系統的加速度計和陀螺儀的精度要求很高。潛地戰略彈道飛彈因水下機動發射時,受作戰條件的限制,所建立的參考基準有較大的誤差(包括發射點定位誤差和初始瞄準誤差等),多數採用慣性—星光制導,在—飛彈飛出稠密大氣層後,靠星光跟蹤器進行定位、瞄準和對慣性制導積累誤差進行修正,從而提高飛彈命中精度。②多彈頭分導是通過母艙機動飛行實現的。它能沿原彈道縱向加速.使子彈頭的落點縱向距離增大;通過調整母艙姿態,使其沿彈道橫向加速,可使子彈頭落點橫向距離增大;還可在原彈道平面內改變推力方向,使子彈頭仍落在第一個子彈頭的目標處。載有多個子彈頭的母艙相當飛彈的最後一級,母艙與彈體分離後,制導系統啟動末助推發動機,使母艙作機動飛行,對彈道進行精確修正,當運動參數滿足要求時,關閉末助推發動機,釋放第一個子彈頭。然後.末助推發動機重新啟動,改變母艙的飛行彈道,重新調整母艙的速度和方向,釋放第二個子彈頭。這樣,每釋放一個子彈頭,母艙就改變一次彈道,直至將子彈頭釋放完畢。③全程制導和主動段與中段或末段相結合的複合制導。主動段制導對提高飛彈的命中精度有一定限度,因為除制導系統誤差外,還有非制導誤差,如發動機後效偏差、再入大氣層的擾動、目標定位不準和重力異常等。非制導誤差決定了飛彈命中精度的極限。因此,為使飛彈獲得更高的命中精度,需增加中段和末段制導。如在主動段採用慣性制導,在中段採用慣性—星光制導,在末段採用慣性—圖像匹配製導等。這種制導方式可減小非制導誤差,修正在主動段產生的慣性制導誤差,降低對主動段制導精度的要求。在彈道末段進行制導,還可使彈頭再入大氣層的過程中.改變飛行軌道作機動飛行,提高突防能力。但是,整個制導系統相當複雜,在硬體實現和作戰使用上都會帶來一些問題。因此,在實際套用中受到一定限制。
戰略巡航飛彈制導系統
戰略巡航飛彈廣泛採用慣性—地形匹配製導系統,進行全程制導。這種飛彈全程飛行均處在稠密大氣層中。飛行的速度慢、時間長,只採用慣性制導會產生很大的積累誤差,不能滿足命中精度要求。地形匹配製導的作用是在預定航線上選定若干個地形匹配區,根據實測地形的高度數據與計算機預存的地形高度數據進行相關計算,確定飛彈的實際飛行位置與預定的標準位置之間的偏差,形成制導指令,控制飛彈回到預定的彈道上來。這樣,飛彈每飛過一個地形匹配區,就對慣性制導系統產生的積累誤差修正一次,在接近目標時,並用較高精度的數字地圖進行修正,從而保證制導精度不因飛行距離(時間)的增加而降低。飛彈在各段彈道飛行期間依靠慣性制導,保證飛彈可靠地進入預定的地形匹配區。為突破對方防禦,戰略巡航飛彈可採取橫向機動和超低空飛行。橫向機動是按程式控制飛彈的偏航角,實現轉彎繞飛,避開對方防空火力區和不利地形。超低空飛行採用地形跟蹤技術,根據地形起伏控制飛彈俯仰,及時爬升和下滑,以預定的安全高度進行超低空飛行。戰略巡航飛彈採用慣性—地形匹配製導具有較高的命中精度和突防能力,但地形匹配不適宜於海上和平原地區。為進一步提高命中精度,還可增加末段景象匹配製導或採用慣性—衛星制導等。攻擊活動目標的戰略巡航飛彈可採用慣性制導加末段主動尋的制導。
反彈道飛彈飛彈制導系統
攔截彈道飛彈在技術上要求很高,必須組成以反彈道飛彈飛彈為主的反導防禦系統,滿足及時發現、正確識別、精密跟蹤和快速準確制導的要求,才能實現有效攔截,達到防禦的目的。已用於反彈道飛彈飛彈的無線電指令制導系統,是由地面導引雷達、高速數據處理設備和彈上接收機及姿態控制系統組成,其工作過程是:地面導引雷達根據預警系統提供的目標信息,及時捕獲目標,並進一步識別和跟蹤,高速數據處理設備根據雷達測量數據,預測目標彈道,計算射擊諸元和分配火力,當目標進入攔截空域時,及時發射反彈道飛彈飛彈,導引雷達同時跟蹤目標和反彈道飛彈飛彈,並將測量數據傳送給高速數據處理設備不斷計算目標彈道、攔截點和反彈道飛彈飛彈彈道,形成導引指令,由導引雷達傳送給反彈道飛彈飛彈;彈上接收機接收指令,並進行變換處理後,通過姿態控制系統控制反彈道飛彈飛彈飛向攔截點。地面導引雷達和高速數據處理設備能同時導引多枚反彈道飛彈飛彈攔截多個目標,但設備相當複雜。反彈道飛彈飛彈還可採用主動尋的制導系統,如紅外尋的或雷達尋的制導等。
發展歷程
第二次世界大戰後,美國和蘇聯在德國V—1和V—2飛彈制導技術的基礎上,大力發展戰略飛彈制導系統,至50年代末,美、蘇兩國各自研製出中程和洲際彈道飛彈所使用的慣性制導、無線電制導和慣性—無線電混合制導系統等。限於當時的技術條件,制導精度低,飛彈命中精度(圓機率偏差)為4—8千米。這一時期,美國還研製出用於中程和洲際等幾種戰略巡航飛彈的制導系統,有慣性導航、無線電指令、雷達指令、慣性—天文導航等制導方式。這個時期的戰略巡航飛彈,由於制導精度低、尺寸大和速度慢等缺點,於50年代末停止發展。隨著慣性儀表精度的提高和誤差分離與補償技術以及計算機技術的發展,戰略彈道飛彈普遍採用全慣性制導系統,制導精度不斷提高。如60年代中期,美國部署的“民兵”B洲際彈道飛彈,命中精度達到560米;蘇聯部署的SS-9洲際彈道飛彈,命中精度達到1 000米。70年代,美、蘇兩國研製了戰略彈道飛彈分導式多彈頭,採用了多彈頭分導的制導系統;潛地戰略彈道飛彈開始採用慣性—星光制導,進一步提高了飛彈的命中精度和突防能力;研製出新一代戰略巡航飛彈的慣性—地形匹配製導系統,並具有較高的制導精度。如美國的陸射巡航飛彈BGM-109G,射程2 500千米,命中精度達30米;蘇聯的潛射巡航飛彈SS-N-21,射程約3 000千米,命中精度約120米。80年代,美國的“和平衛士”地地洲際彈道飛彈,慣性制導系統套用了高級慣性參考球平台和高速大容量計算機等先進設備,能分導10個子彈頭,命中精度達到90米;蘇聯的SS-24地地洲際彈道飛彈,制導系統的性能也大大提高,分導10個子彈頭,命中精度達到260米。
反彈道飛彈飛彈制導系統是在防空飛彈制導技術基礎上發展的。美、蘇兩國自50年代中期至60年代初期,都研製出由地面大型雷達導引的反彈道飛彈飛彈制導系統,以後又經多次改進,但制導精度仍很低,且設備複雜,造價昂貴。1976年美國正式關閉“衛兵”發射場,1979年蘇聯也將部署的69枚高空攔截飛彈減少了一半。80年代以來,繼續研究新的反導技術。
戰略飛彈制導系統總的發展趨勢是:提高制導精度和可靠性,實現多功能和小型化。
分類
自主式制導系統
(self-contained guidance system) 完全依靠飛行器自身設備,能自主地按預定方案完成制導任務的制導系統。又稱自備式制導系統。它不依靠飛行器外部設備和信息進行工作,抗干擾性強。其制導方案是預先安排的,故採用這種制導的飛彈,只能攻擊固定目標或已知軌跡的低速運動目標。自主式制導系統有:慣性、都卜勒、圖像匹配、星光等制導系統。其中慣性制導系統套用較廣泛,其他制導系統因制導環境的特殊要求,一般不單獨使用,通常由慣性制導系統為主,結合其他自主式制導系統組成複合制導系統,以提高飛彈制導精度。自主式制導系統的工作過程是:以預先規定的飛行方案或外界固定參考點為基準,用測量裝置測量飛彈實際飛行狀態及相對飛行方案值的偏差,經計算裝置以某種制導規律自動形成與偏差大小相對應的控制指令,該指令經過變換和放大之後驅動執行機構運動,改變飛彈運動姿態,修正飛行軌跡,減小偏差,保證飛彈按預定方案在允許的誤差範圍內飛向目標。自主式制導系統發展趨勢是:採用新材料、新工藝和新型慣性器件,減小慣性制導系統的工具誤差;提高制導計算機的速度和容量;改進制導方法,進一步提高制導精度。(鄧方林)
慣性制導系統
(inertial guidance system) 利用慣性器件測量和確定飛彈(或運載火箭)運動參數的自主式制導系統。由慣性測量裝置(陀螺僅和加速度計)、計算機和姿態控制系統等組成。全部裝置都裝在載體上。按慣性測量裝置在載體上的安裝關係,分為捷聯式慣性制導系統和平台式慣性制導系統。慣性制導系統的基本原理,是利用慣性測量裝置測量飛彈(或運載火箭)運動的視加速度 ,通過公式 = + ,在選定的慣性坐標系中,求得飛彈運動加速度 ,對其一次積分得到飛彈瞬時t的運動速度 (t),二次積分得到位置 (t)等運動參數,由計算機形成制導指令,經過姿態控制系統自動控制飛彈的運動,並實時發出關閉發動機信號,把飛彈導引到目標區。 是地球重力加速度,是飛彈位置的函式,可按預先確定的重力場模型計算。慣性制導系統以自主方式工作,不需要任何外界信息,能根據飛彈飛行時間、重力場的變化和飛彈的初始條件,確定飛彈瞬時運動參數。它抗干擾性強,設備較簡單。但慣性器件誤差隨時間積累,是影響制導精度的重要因素。為提高制導精度,通常改進加工工藝,採用新材料.研製新型陀螺儀,減小慣性器件的誤差等,並進行慣性器件的誤差分離和補償技術,建立精確的重力場模型,完善制導方案,套用慣性制導與其他制導方式相結合的複合制導等。(原清 趙傳璐)
捷聯式慣性制導系統
(strapdown inertial guidancesystem) 將加速度計和陀螺儀直接固聯在載體上的慣性制導系統。加速度計用於直接測量沿載體坐標軸方向的線加速度.陀螺儀用於測量沿載體坐標軸方向的角速度或角位移,形成控制指令,實現制導功能。它由加速度計、陀螺儀、計算機和姿態控制系統等組成。按使用陀螺儀的不同,分為速率型和位置型捷聯式慣性制導系統速率型採用速率陀螺儀,測量載體的角速度;位置型採用位置陀螺儀,測量載體的角位移。捷聯式慣性制導系統,在彈道飛彈中,可採用坐標轉換制導方案或補償制導方案。坐標轉換制導方案是將加速度計和陀螺儀測得的彈體運動參數,由計算機進行坐標轉換後,進行制導方程運算,形成導引信號和關機指令。這類運用數學方法,採用計算機技術,完成坐標轉換功能的捷聯式慣性制導,又稱“數學平台”,慣性制導;補償制導方案是利用慣性測量裝置測得的參數,加入具有特殊規律的補償量,由計算機按制導規律(制導方案)形成制導指令。姿態控制系統實時調整飛彈姿態角的偏差,並根據計算機發出的導引信號,控制發動機推力矢量,使飛彈按預定的彈道穩定飛行,並命中目標。
捷聯式慣性制導系統機械構件少,容易實現余度配置,可靠性高,成本低,維護方便,有利於自動化測試等。但慣性測量器件(加速度計和陀螺儀)要直接承受彈體所處惡劣環境的影響,其測量精度受到一定的限制,對計算機的容量、速度也提出了更高的要求。捷聯式慣性制導和慣性導航系統廣泛套用於中等制導精度的航天、航空、航海等領域。位置型捷聯式慣性制導系統,第二次世界大戰末期,在德國V-2彈道飛彈上首先採用,戰後美國和蘇聯在戰術飛彈上得到了廣泛套用。如美國的“長矛”飛彈、蘇聯的“飛毛腿”飛彈。70年代以來,速率型捷聯式慣性制導系統.在美國T-22戰術飛彈、“捕鯨叉”反艦飛彈上得到套用。隨著電子技術的發展和慣性測量器件性能的提高,其套用領域將進一步擴大。(范崇文 李全保)
平台式慣性制導系統
(platform inertial guidance system) 陀螺儀和加速度計安放在陀螺平台台體上的慣性制導系統。由陀螺平台、計算機和姿態控制系統等組成。按工作方式.分為空間穩定的平台式慣性制導系統和當地水平的平台式慣性制導系統。①空間穩定的平台式慣性制導系統是通過陀螺平台上的陀螺儀及相應的伺服迴路,將陀螺平台台體穩定在慣性空間,不隨載體轉動,保持初始狀態。陀螺平台上的加速度計測量的是載體相對於慣性坐標系3個軸方向的線加速度,輸出的加速度信號中包含有重力加速度分量,需要進行計算和補償。這種系統常用於戰略彈道飛彈的慣性制導系統。②當地水平的平台式慣性制導系統,是通過計算機對陀螺平台台體上的陀螺儀施加控制力矩,使陀螺平台台體始終跟蹤並穩定在當地水平面內。加速度計測量的是載體相對於地理坐標系3個軸方向的線加速度,輸出的加速度信號中含有哥氏加速度分量,需要進行計算和補償。這種系統適用於巡航飛彈的慣性制導和航空、航海的慣性導航。平台式慣性制導系統的載體姿態信息,從陀螺平台框架軸上的角度感測器中獲取,加速度計測量的線加速度信號,經處理後送給計算機。計算機將實時輸入的信號以及預先裝定好的制導參數,進行制導方程運算和補償量的計算,適時發出各種指令信號,通過姿態控制系統,操縱發動機推力矢量,控制飛彈按要求的彈道飛行,並導向目標。平台式慣性制導系統的陀螺平台隔離了彈體的振動和角運動,給陀螺儀和加速度計提供了一個良好的動態環境,因此,儀表的測量精度高。加速度計測量方向與慣性參考坐標系的角度關係保持不變或按一定規律變化,使計算機的制導方程運算較簡單,對容量和速度等方面要求不高,初始對準也較容易實現。但陀螺平台系統結構複雜,維護困難,不便於採用冗餘技術。
平台式慣性制導系統,於20世紀60年代後,在火箭、飛彈和其他太空飛行器上獲得廣泛套用。隨著慣性技術和電子技術的迅速發展,平台式慣性制導系統將向著採用性能更好、精度更高的浮球平台及微型制導計算機的方向發展。(李金保)
圖像匹配製導系統
(image matching guidance system)通過敏感地面特徵圖像與彈上預存圖像進行匹配,將飛彈導向目標的自主式制導系統。通常它與慣性制導系統組成複合制導,多用於巡航飛彈的制導,也用於彈道飛彈的末段制導,以提高制導精度。
組成 圖像匹配製導系統一般由敏感裝置、基準圖存儲裝置和相關器組成(見圖)。敏感裝置通常為雷達敏感裝置或光學攝像裝置,用於取圖、成像和處理(或轉播)圖像。常用的基準圖存儲裝置為數字圖像存儲器或模擬圖像存儲器,用於儲存預先獲得並經過處理的基準圖集。相關器為計算機、光學相關裝置、電子圖像相關管或數字模擬相關器件等,用於完成實時圖與基準圖的相關運算。
原理 飛彈飛行時,根據地面目標(如城市、機場和港口等)的特徵信息,如地形起伏、地磁場強度分布、無線電波反射等地表特徵與地理位置之間的對應關係,由圖像敏感裝置沿飛行軌跡在預定空域內攝取實際地表特徵圖像(稱實時圖),在相關器內將實時圖與預先儲存在彈上存儲器內的標準特徵圖(又稱基準圖或參考圖)進行匹配(配準)。關鍵是辨識兩幅由不同敏感裝置在不同時間所攝取的同一景物的圖像,即套用相關函式值(極大或極小)來度量圖像間相似程度並判斷二者是否匹配。由此確定飛彈實際飛行位置與預定位置的偏差,根據這種偏差發出制導指令,進行修正,引導飛彈準確命中目標。
分類 按圖像空間幾何特徵和圖像信息特徵,分為地形匹配、地圖(景象)匹配和距離相關三種制導系統。①地形匹配製導系統。又稱等高線地形匹配製導系統。是以地形輪廓線(等高線)為匹配特徵,通常用雷達(或雷射)高度表作為敏感裝置,把沿彈道測取的一條地形等高線剖面圖(實時圖)與預先存儲在彈上的地形基準圖在相關器內進行匹配。地形匹配製導是一維匹配,亦稱線匹配。制導精度可達到百米量級。②地圖匹配製導系統。又稱景象匹配製導系統。是以區域地貌為特徵,採用圖像成像裝置攝取彈道下或目標區附近的區域地圖並與存貯在彈上的基準圖匹配。地圖匹配製導屬於二維(面)匹配,可以確定飛彈的兩個坐標偏差,實現二維控制,制導精度達數十米量級。③距離相關制導系統。又稱雷達區域相關制導系統。它由一部雷達、一台數字處理機和一台參考數據存儲器組成。該系統是預先將選定的目標特徵點(如山、河等)或人工特徵點(大型建築、水庫、飛彈陣地的防禦雷達等)至參考點的地面距離數據存儲在參考數據存儲器內,當飛彈在慣性制導控制下飛到參考點上空時,用雷達測量到預定各特徵點的斜距,並將其變為數字式地面距離,然後再把這一數據與預儲的距離數據進行比較,從而可得出修正飛彈飛行彈道的指令,以達到精確制導的目的。距離相關制導屬三維匹配,亦稱立體匹配。以上3種制導方式,也可聯合使用,組成各種不同的複合制導系統,如數字式景象匹配—區域相關制導系統等。
於20世紀70年代開始,美國的空射巡航飛彈AGM- 86B、“戰斧”海射巡航飛彈BGM- 109C、陸射巡航飛彈BGM-109G和“潘興”Ⅱ彈道飛彈,均採用了慣性—圖像匹配製導系統,其命中精度(圓機率偏差)提高到百米以內。為了進一步提高飛彈命中精度,圖像匹配製導系統將向提高敏感裝置精度、加快相關處理速度等方向發展。同時,將把人工智慧和模式識別技術引入制導系統中,以提高制導系統的效能。(王毓政)
星光制導系統
(stellar. guidance system) 以選定的星體(恆星)為參考點,自動測定載體的方向和位置,將飛彈導向目標的自主式制導系統。它由星光跟蹤器、陀螺平台、計算機(信息處理電子設備)和姿態控制系統(自動駕駛儀)等組成。星光跟蹤器通常安放在飛行器的陀螺平台上,利用光學或射電原理接收星體的光輻射或無線電輻射,識別和跟蹤預先被選定的單個或多個星體,並以這些星體為固定參考點,藉助陀螺平台所建立起來的水平基準面或基準垂線,測量這些星體的方位角和高低角,形成電信號,輸送給計算機。計算機按預先裝定(存儲)的星曆表、標準時間和制導參數等進行實時運算,得到飛行器當時的坐標位置和航向,並與預定值比較,輸出修正量,加入到自動駕駛儀中,控制發動機的推力(推力矢量和推力終止),實現按預定軌道飛行並導向目標。
星光制導系統不受人工或電磁場的干擾,自主性強,穩定性好,定位精度高。但受到能見度的限制,一般不單獨使用,通常與慣性制導系統組成複合制導系統。星光制導系統作為整個制導系統的校正裝置,提供精確的定位定向信息來修正慣性器件的積累誤差和發射點初始定位、調平和瞄準誤差,有效地提高飛彈命中精度。早在20世紀50年代,美國開始研製慣性—星光制導系統,1965年11月,在“北極星”AI運載火箭上試驗成功。70年代後,在美國的“三叉戟”Ⅰ、“三叉戟”Ⅱ和蘇聯的SS-N-8、 SS-N-18、SS-N-23等潛地飛彈上得到套用,制導精度獲得明顯提高。(李金保)
尋的制導
(homing guidance) 由彈上的導引頭(或稱目標跟蹤器)感受來自目標的輻射或反射能量,自動跟蹤目標並形成制導指令,控制飛彈飛向目標的技術。
組成 尋的制導系統由導引頭、計算裝置和執行裝置等部分組成。尋的制導同其他制導方式(如遙控制導)的主要區別,在於對被攻擊目標的跟蹤和測量,是由安裝在飛彈上的導引頭來完成。導引頭不斷輸出有關飛彈和目標的相對運動信息,如視線(目標和飛彈的連線)的旋轉角速度,視線相對於彈體軸線的夾角等,彈上計算裝置依據不同的導引規律,在對有關信息綜合處理後,形成控制指令,操縱執行裝置改變飛彈的飛行彈道,使飛彈命中目標。其中,導引頭是極為關鍵的部分。飛彈精確制導之所以能夠實現,導引頭的發展起著決定性作用。無論何種類型的導引頭,它不僅要求完成對目標的探測、跟蹤,同時要求對目標運動的測量能符合按不同導引規律所形成制導指令的需求。有些飛彈,要求具有對所需要的目標圖像和景象的生成功能。由於導引頭是裝在飛彈上,因此還要求導引頭具有對飛彈角運動的解耦能力,以避免飛彈運動過程中對導引頭所探測的一些測量量的擾動影響。所以,一個完備的導引頭跟蹤迴路中,一般總包含著消除彈體角運動耦合效應的穩定迴路,以確保飛彈—目標相對運動參數的精確測量。在尋的制導系統中,導引頭接收來自目標的輻射或反射能量,可以利用光、電、熱和聲等多種能量形式。因此,導引頭的類型也就多種多樣,如紅外導引頭,雷射導引頭、雷達導引頭等。
分類 尋的制導通常按有無照射目標的能源和這種能源所處的地點區分為主動尋的制導、半主動尋的制導和被動尋的制導3種基本類型。
主動尋的制導 照射目標的能源位於飛彈上,並由導引頭接收來自目標的反射能量(圖1)。採用主動尋的制導的飛彈,當彈上的主動導引頭截獲目標並轉入正常跟蹤後,就可以獨立完成工作,而無需飛彈以外的任何系統參與。如法國的亞音速近程掠海飛行的“飛魚”(Exocet )反艦飛彈,在自主控制段結束後,末段就是採用單脈衝雷達尋的制導。它的導引頭由天線,發射機,接收機,角跟蹤和距離跟蹤設備,電源以及天線罩等組成。
半主動尋的制導 照射目標的能源不在飛彈上。這個照射目標的能源裝置可設在飛彈發射點或其他地點,包括地面、水面以及空中等。例如中國的HQ - 61中、低空地空飛彈,就是採用半主動雷達尋的制導。用於對目標進行照射的能源是一部大功率連續波照射跟蹤雷達,它被安放在飛彈發射點(圖2)。
被動尋的制導 由彈上導引頭直接感受目標輻射能量(圖3)。導引頭依據目標的不同物理特性作為跟蹤的信息來源。如美國“響尾蛇”系列(Sidewin-der)空空飛彈中,多數採用被動紅外尋的制導。它的紅外導引頭由紅外位標器、陀螺機構與電子線路3個大部分組成。紅外位標器接收飛機的熱輻射,經處理後形成制導指令,自動跟蹤目標,並控制飛彈飛向目標。美國的“高速反輻射飛彈”(HARM),則是利用無線電輻射的被動雷達尋的制導。
尋的制導有較高的制導精度。實際上許多精確制導武器系統都採用尋的制導。在尋的制導系統中,制導精度除與導引頭的測量精度有關外,還同其他許多因素有關,例如飛彈特性及機動能力的大小;導引規律的不同選擇以及控制迴路設計的好壞,等等。但是,尋的制導系統的精度一般不隨作用距離的增加而降低,這是與遙控制導系統的一個很大的區別。同時,像主動尋的制導和被動尋的制導可實現“發射後不管”,以增強載機生存能力和對付多目標能力,提高飛彈武器系統的作戰效能。但為了實現“發射後不管”,會使彈上設備複雜,成本有所增高。
隨著使用方式和使用環境的不同,對尋的制導系統會有不同的要求。因此,系統的組成及實現途徑也就各不相同。由於攻擊目標類型的不同,在尋的制導系統中需選擇不同的導引規律。前置角法、追蹤法以及比例導引法是幾種基本方法。導引方法的選擇與導引頭測量信息的形成密切相關。從發展趨勢來看,活動目標的性能愈來愈高。特別像飛機,飛彈一類目標,飛行速度不斷提高,機動能力不斷增強。因此,導引規律必須作相應改進。現代控制理論的進展以及微處理機技術在軍事上套用的日益普遍,一些新的最佳導引規律將會得到迅速的發展和套用。
簡史 尋的制導系統的套用,首先是出現在地空和空空飛彈上。20世紀60年代,美國“霍克”(HAWK)地空飛彈採用了連續波雷達全程半主動尋的制導。以後,空空飛彈大都採用了被動紅外尋的制導或半主動雷達尋的制尋。到70年代,反艦飛彈由於向中遠程發展,主動尋的制導系統的性能也不斷提高,以適應飛彈末段制導的要求。80年代,同一種飛彈使用不同類型的導引頭,以增加對戰場環境變化的適應能力。美國的“幼畜”(Maverick)飛彈從原來採用電視導引頭,發展成為圖像增強的電視導引頭、雷射導引頭以及紅外成像導引頭等多種型號,構成了“幼畜”飛彈系列,以適應不同的作戰環境要求。
導引頭技術的發展也十分迅速。毫米波導引頭將逐步用砷化鎵積體電路取代矽積體電路,並且隨著單片積體電路計畫的實現和信息處理技術的發展,使研製出直接命中目標脆弱部位的導引頭成為可能;雷射導引頭正致力於短脈衝CO2雷射器的研製,以增加抗磨損能力;紅外導引頭正實現電熱點式向熱成像式過渡,凝視焦平面陣的陣元個數在逐步增加,以提高它的空間解析度。這些都為尋的制導系統的發展開拓了良好的前景。未來的作戰環境要求尋的制導系統在作用距離、制導精度、低空性能以及在複雜環境下的自適應能力等方面都應有更大的提高。隨著微電子技術、光電器件、計算機技術和信息處理技術的迅速發展,各種小型化、智慧型化、高性能、低成本和“發射後不管”的尋的制導系統將會不斷出現。它將為各種飛彈武器系統的廣泛套用提供更好的基礎。(張福安)
遙控制導
(remote guidance) 由設在飛彈以外的制導站控制飛彈飛向目標的技術。制導站可設於地面、海上(艦艇)或空中(載機),其主要功能是:跟蹤目標和飛彈,測量它們的運動參量,形成制導指令或控制導引波束。彈上接收設備以收到的制導指令或者根據導引波束形成的偏差信號為依據,在彈上經過信號變換和功率放大等環節處理後,操縱執行機構改變飛彈的受力狀態,以獲得需要的橫向加速度,從而改變飛彈的飛行彈道,使其逐步逼近目標,直到滿足引信與戰鬥部配合的要求條件,引爆戰鬥部擊毀目標。
制導指令或導引波束的形成是構成遙控制導的重要環節。制導站內的計算裝置,根據跟蹤測量裝置測得的目標和飛彈的運動參量,選定的導引規律,對制導過程的動態要求和對制導精度的要求,形成制導指令。在形式上制導指令可用連續形式的微分方程組描述和計算,亦可用離散形式的差分方程組描述和計算。導引波束是根據制導站測得的目標運動參量形成的,它始終以波束中心指向目標,並形成等強信號線,飛彈對目標的偏離就以它對等強信號線的偏離來計量。
組成 遙控制導系統按其裝置的功能大致為4個組成部分:①跟蹤測量裝置,設於制導站內,由雷達或光學,電視等設備或它們的不同組合構成。②制導指令計算裝置,設於制導站內,由專用數字計算機或專用模擬計算機構成。③遙控傳輸裝置,由設於制導站內的傳送設備和設於彈上的接收設備以及有線傳輸或無線傳輸設備構成。④彈上控制執行裝置,習慣上稱其為自動駕駛儀。由數字電路或模擬電路、慣性儀表(各種陀螺儀,加速度計等)、傳動機構(機電或液壓等類型)和執行機構(各種控制發動機,舵等)構成。
分類 遙控制導有各種不同的分類方法,通常根據所用裝置的特點可分為:有線指令制導、無線電指令制導和波束制導。
有線指令制導 通過連結制導站和飛彈的專用導線傳輸制導指令的一種遙控制導。在飛彈飛行過程中,專用導線是懸在空中的,因此受導線強度及其釋放速度等因素的約束。這種制導方式的飛彈射程是有限的,多用於反坦克飛彈。像蘇聯的AT-3、美國的“陶”(TOW )、法國和德國聯合研製的“霍特”(HOT)等反坦克飛彈都採用此類制導方式。隨著光纖技術的發展,用光纖傳輸指令的有線指令制導正在研製,例如,美國的“光纖制導反坦克飛彈系統”(FOGMS)已進入研製試驗階段。與其他類型的遙控制導相比,有線指令制導的突出優點是不易受干擾。
無線電指令制導 將制導指令經由發射天線以無線電波的形式傳送到彈上的一種遙控制導。彈上設備接到制導指令後,形成彈上控制信號,控制飛彈的飛行。雷達是無線電指令制導最早和最廣泛使用的跟蹤測量裝置,早期需使用兩部雷達分別跟蹤測量目標和飛彈的運動,現只需一部雷達則可同時跟蹤測量目標和飛彈的運動。這樣不僅設備簡單,而且可以提高測量精度。就飛彈的跟蹤測量而言,可採用兩種不同的方式,一種是彈上裝有應答設備,它能對制導站雷達發出的探測脈衝給出回答信號,因此,測量噪聲小,易於跟蹤測量;另三種則彈上無應答設備,依賴飛彈對探測脈衝的散射信號進行跟蹤測量。隨著光電器件、積體電路、信號處理、計算機等技術的迅速發展,使用紅外、雷射、電視等設備作為跟蹤測量手段日漸增多。如英國“海貓”(Seacat)艦空飛彈採用了電視跟蹤,法國“響尾蛇” (Crotale)地空飛彈採用了紅外設備作為測量手段。
波束制導 又稱駕束制導。是由制導站發出無線電或雷射波束,作為制導基準,使彈上設備據此形成制導指令,控制飛彈飛行的一種遙控制導。制導站跟蹤測量裝置使該波束始終指向目標,並形成等強信號線,彈上裝置自動測定其對等強信號線的偏離角度與方向,並據此控制飛彈使其處於波束中心處飛行,直至擊毀目標。在波束制導中,早期使用較多的是雷達波束制導。如美國“黃銅騎士”(Talos) ,英國的“海蛇”(Seaslug)等艦空飛彈、美國的“麻雀”I (Sparrow I)、英國的“閃光”(Fireflash)、蘇聯的K-5等空
空飛彈是採用雷達波束制導。雷射波束制導出現於70年代,如瑞典的RBS-70小型防空飛彈是採用雷射波束制導。
簡史 遙控制導是最早使用的制導技術,它可用於地(艦)空、空空、空地(艦)、反坦克、反彈道飛彈等各類飛彈,其中以地空飛彈用得最多。例如,20世紀90年代德國的“萊茵女兒”(Rheintoch-ter),50年代蘇聯的SA-2和美國的“奈基”Ⅱ (Nike-Hercules Ⅱ),70年代德國和法國聯合製成的“羅蘭特”(Roland )等地空飛彈都採用遙控制導。早期的地地飛彈也曾使用過這種制導系統。
與其他類型的制導系統相比,遙控制導系統的主要優點是彈上設備簡單、成本低,因為系統的大部分設備都設在制導站。其次是在一定的射程範圍內可獲得較高的制導精度。而其主要缺點是射程受限制,因為其制導精度隨射程的增加而降低。其次,除有線指令制導外,其他類型的遙控制導抗干擾能力較弱。此外,它不具備“發射後不管”的性能,對付多目標的能力也較差。因此,遙控制導一般作為複合制導系統的組成部分,以遙控制導為中制導,尋的制導為末制導組成的複合制導系統即是常見的一種複合制導形式。像早期(60年代)蘇聯的SA-5地空飛彈,美國的“波馬克”(Bomarc)地空飛彈和80年代蘇聯的SA-10地空飛彈,美國“標準”2 (Standard 2 )艦空飛彈等都採用了中段無線電指令制導、末段尋的制導的複合制導系統。只有在射程較短的戰術飛彈中才採用全程遙控制導的方式。此時,往往還同時採用多種跟蹤測量手段,以提高飛彈武器系統的作戰能力。
制導精度是飛彈武器系統的重要性能指標,在遙控制導中,影響飛彈制導精度的因素主要有兩方面:一是測量誤差,二是控制誤差。在遙控制導系統的設計中,為滿足制導精度的要求,可供採取的主要技術途徑是:①提高對目標和飛彈運動參量的測量精度。②合理地選擇和設計導引規律,減小飛彈的法向需用過載,從而減小系統的動態誤差。③合理地設計控制迴路,以減小控制誤差。因此,研製新型高精度的測量裝置,如紅外成像裝置、雷射雷達等,以及套用現代控制理論,最佳化制導技術和計算機技術等,設計性能更完善的制導系統,以提高遙控制導的制導精度,在遙控制導技術中受到普遍的重視。(林維菘)
複合制導
(combined guidance) 採用兩種或兩種以上制導方式組合的制導。可以在整個飛行過程中或某一階段採用幾種制導方式,或在不同的階段採用不同的制導方式。其目的是提高飛彈制導精度,增大制導距離,增強抗干擾能力。常用的複合制導有:①慣性—雷達相關末制導。如美國的“潘興”Ⅱ彈道飛彈是以慣性制導為主,以雷達相關末制導修正末段慣性制導的誤差,使彈頭準確地攻擊目標,命中精度比“潘興”Ⅰ提高了10倍。②慣性—星光制導。如美國的“三叉戟”Ⅱ潛地彈道飛彈的制導,它是利用慣性制導不易受外界干擾的優點,用星光制導修正慣性制導積累誤差和發射點定位誤差,以提高制導精度。③慣性—地形匹配製導。以地形匹配製導輔助慣性導航系統,由慣性導航系統控制飛彈按預定彈道飛行,中段用地形匹配製導修正慣性導航的誤差,直至接近目標。如美國的“戰斧”BGM-109C和陸射BGM-109G巡航飛彈的制導。④慣性—半主動尋的中制導—主動尋的末制導。如美國的“不死鳥”AIM-54C空空飛彈,採用慣性—半主動雷達中制導—主動都卜勒雷達尋的末制導。⑤遙控—尋的制導。如蘇聯的SA-5地空飛彈,採用無線電指令—主動雷達尋的末制導。⑥慣性—遙控—尋的制導。如美國研製的“宙斯盾”艦空飛彈,採用慣性—無線電指令—半主動雷達尋的末制導。還有其他複合制導等。複合制導系統結構比較複雜,彈上設備體積大,成本較高,因元器件多而降低了系統可靠性。隨著慣性器件、光電器件、微型計算機、信息處理和傳輸技術的發展,複合制導系統的小型化、低成本、高可靠性問題正逐步得到解決,並將得到愈來愈廣泛的套用。(烏通森)