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【制导】导弹制导原理和方式

1 导弹制导原理和方式

导弹简单的说就是依靠自身动力装置推进、由制导系统导引、控制其飞行路线并导向目标的武器。按作战使用来分,导弹可分为战略导弹及战术导弹。前者用于打击战略目标射程在1000公里以上,后者用于直接支援战场作战,打击战役战术纵深内目标,射程在1000公里以内。若按其发射地点和所攻击的目标位置来区分,又可分为地地导弹、地(舰)空导弹、空空导弹、空地(舰)导弹、舰舰导弹、潜地导弹、岸舰导弹、反弹道导弹(反导导弹,用于拦截敌方远程弹道导弹的)、反雷达导弹(反辐射导弹)。此外按其飞行方式可分为巡航导弹和弹道导弹。在大气层内以巡航状态飞行者称为巡航导弹,穿出稠密的大气层且按自由抛物体弹道飞行者称为弹道导弹。

在海湾战争中,以美国为首的多国部队用占总投弹量8%的精确制导弹药摧毁了伊拉克80%的目标。在科索沃战争中,以美国为首的北约使用的精确制导弹药超过总投弹量的80%以上,给南联盟造成的经济损失达2000多亿美元。精确制导武器的威力已被世人公认,那么精确制导武器何以有如此巨大的威力?这主要取决于其精确制导技术。

概括起来讲,精确制导技术主要有自主式制导、遥控式制导、寻的制导、全球定位制导及复合制导等几大类。

1.1 自主式制导

自主式制导不需要提供目标的直接信息,也不需要弹体以外的设备配合,而仅靠弹体自身装载的测量仪器测量地球的某些物理特征,从而确定弹体的飞行轨道,控制引导弹体命中目标。自主式制导的特点是弹体的飞行完全自主,因而不易受干扰。但由于制导程序是预先确定的,所以这种制导方式只适于攻击地面固定目标。自主式制导又分为相关制导和惯性制导两种。

1.1.1 相关制导

相关制导是指在武器的飞行过程中,利用预先储存的飞经路线的某些特征数据,与实际飞行过程中探测到的相关数据不断进行比较,来修正武器的飞行路线的制导方式。属于这种制导方式的主要有以下三种。

地形匹配制导  它是根据侦察照相,获取导弹预定攻击目标及沿途航线上的地形地貌情报,并据此作专门的标准地貌图。例如,在一块10×2公里的长方形区域内,可以划成成百上千个小方格,在每个小方格内都标上该处地面的平均标高,这样,一幅数字地图就出现了。把这幅预先测定的数字地图存入弹体计算机,导弹在实际飞行的过程中,利用雷达高度表和气压高度表连续测量飞经地区的实际地面海拔高度,并把这一数据输入计算机与预定弹道的相关数据进行比较,如发现已偏离预定飞行轨道,计算机会将需要纠正的偏差修正量以指令形式传给自动控制装置,使导弹及时回到预定轨道上来。然而,在导弹的整个射程内,要把沿途地形全部做成数字地图存入导弹的计算机是不可能的,所以一般只能沿其飞行弹道选定3~4个定位区予以修正。如“战斧”巡航导弹飞行轨道的中段就采用了这种制导方式。

数字景象匹配制导  景象匹配制导是利用弹上的“景象匹配区域相关器”获取目标区域景物图像,然后把目标及其周围的景象与弹体计算机存储的原摄影景象进行比较,从而确定目标的位置,确认目标无疑时再进行攻击,因而这是一种高度精确的末端制导方式。如“战斧”巡航导弹的飞行末段,就是采用这种制导方式。

程序制导  程序制导是预先将导弹命中目标所需要的飞行弹道,存储在程序控制机构内。导弹发射后,弹上程序控制机构按照预先安排好的飞行方案,按时输出控制指令,按部就班地控制导弹按预定弹道飞向目标。如我国的C-802反舰导弹就是采用的这种制导方式,该导弹射程120公里,导弹以一定的仰角发射,达到预定高度后以0.8~0.9马赫的巡航速度飞行,距海面的高度为20~30米,与目标接近到一定距离时,导弹降低攻击高度至距海面5~7米之间,到此之前,导弹都是采用程序制导,临近目标时,导弹改成雷达末制导攻击目标。

1.1.2 惯性制导

惯性制导是指利用陀螺仪、加速度表等惯性仪表组成的测量装置,按惯性原理控制和导引导弹飞向目标的制导方式。通常由弹上计算机控制发动机推力的方向、大小和作用时间,把导弹引导和控制到目标区。

惯性制导具有抗干扰性强、隐蔽性好、不受气象条件影响等优点。但惯性制导系统随着工作时间的延长,积累误差就越大,所以在中、远程中通常加装地形匹配制导系统,以便定期修正这些误差。目前,地地弹道导弹和潜地导弹几乎都采用这种制导方式。如美国的“大力神”、“民兵”、我国的“东风”等都采用了惯性制导。

1.2 遥控式制导

“遥控式制导”顾名思义,是说弹体的飞行是受设在弹体以外的制导站控制的。制导站的位置可设于地面上、舰船上或飞机上。指挥站就像一个前方指挥所,它根据跟踪测量系统测得的目标和弹体的相对位置和运动参数,形成制导指令并发送给弹体,弹体接收到指令后,由自动驾驶仪控制弹体,按指挥员的意图飞行,直至命中目标完成任务。遥控制导可分为指令制导和波束制导两类。

1.2.1 指令制导

按指令传输手段的不同,指令制导又有以下几种制导方式。

有线指令制导  利用导线传输指令的遥控制导称为有线指令制导。这种制导系统主要由制导控制装置、光学瞄准镜、操作手柄和控制导线组成,导弹发射后,操作手需用瞄准镜瞄准目标,同时还要跟踪导弹,并从镜内判断出导弹的飞行偏差,用操作手柄产生控制指令不断修正其偏差,导线把控制指令传输给导弹,引导导弹飞向目标。这种制导系统的优点是精度高、抗干扰能力强,缺点是操作难度大,操作手既要瞄准目标又要跟踪导弹,一有差错导弹就会失控。现在先进的有线制导系统将金属导线改为光纤,并增加了一部红外测角仪,由它自动跟踪导弹并测出导弹飞行方向与瞄准线的偏角,操作手只需始终用光学瞄准镜的十字线跟踪瞄准目标即可,这种系统不仅操作简单,而且精度高,并提高了射程和抗干扰能力。如我军装备的“红箭”-8,美国的“陶”式等射程在4公里以内的反坦克导弹都是采用这种“目标瞄准、红外跟踪、有线传输指令”的制导方式。

无线电指令制导  无线电指令制导是利用无线电传输指令的遥控制导,制导站由目标跟踪雷达、导弹跟踪雷达、解算装置、指令发射天线组成,工作过程是这样的:目标跟踪雷达发现目标后,将目标诸元输入计算机,导弹发射后,导弹跟踪雷达把导弹的运动参数也输入计算机,计算机算出制导指令经过指令发射天线传给导弹。弹上接收机将指令转换成控制导弹的信号,导引其飞向目标。这种制导方式的跟踪探测系统主要是雷达,因此优点是作用距离远,制导精度高,但易受电子干扰和反辐射导弹的袭击,还需采用多种综合抗干扰措施来配合。这种制导方式多用于中、远距离的防空导弹,如俄罗斯的“萨姆”-2、S-300防空导弹就属这种类型。

电视指令制导  这种制导系统的主要器件有导弹头部的微型电视摄像机和制导站的电视接收机、无线电指令发射机等。导弹发射后,其头部的电视摄像机不断地将目标及其周围环境摄取下来,把信号发回制导站。制导站的电视接收机将图像显示出来,导弹操纵员调整目标图像至荧光屏十字线中心的过程,就是向导弹发出指令的过程。若荧光屏上上的十字线中心对准目标图像,导弹就会准确命中目标。这种制导方式可使制导站对攻击情况一目了然,在多目标的情况下,便于操纵员选择最重要的目标进行攻击,导弹发射后,装有制导站的车辆、舰船或飞机即可退出目标区,以保证其安全。但它受能见度影响大,而且容易受电子干扰。

1.2.2 波束制导

波束制导又称驾束制导。它是由地面、机载或舰载的制导站向目标发射一束定向辐射的圆锥形波束,并始终跟踪目标,导弹发射后,弹上的制导设备不断接收这一波束信号,引导导弹进入波束并沿波束轴线飞向目标。波束制导主要有雷达波束制导和激光波束制导两种。

雷达波束制导  雷达波束制导是利用制导站雷达发射的波束来引导导弹飞向目标的制导方式。由于雷达发射的定向波束较窄,圆锥波束宽度仅在2度以内,而且跟踪低空高速目标时波束移动很快,导弹不容易进入波束,或者进入后也容易被快速移动的波束甩掉。所以制导站通常采取一个雷达天线同时发射两个宽窄不等的同轴波束的方式来进行制导。宽波束用来导引导弹首先找到雷达波束,然后进入宽波束,最后引导导弹进入窄波束,用窄波束制导导弹攻击目标。

激光波束制导  激光波束制导是由激光器瞄准目标并不断发射激光束,导弹发射后,由导弹上的激光接收器接收制导站发射的激光束,并导引导弹飞向目标。如美国“打击者”反坦克导弹就采用了激光波束制导。

1.3 寻的制导

寻的制导就是弹体自己寻找、跟踪并击毁目标。当弹体上的导引头接收到从目标辐射或反射来的红外波、无线电波、光波或声波信号时,弹上的制导系统就会引导弹体沿着信号的来向追踪目标。根据能量来源不同,寻的制导可分为以下三类:

主动式寻的制导  主动式寻的制导是在弹头上装有信号发射机和接收机。发射机发射激光、红外线、雷达波或声波等信号照射目标,接收机接收目标反射的信号,从而引导弹体命中目标。这种系统在锁定目标之后便自动地、完全独立地去攻击目标,因此以这种方式制导的导弹具有“发射后不管”的能力。但这种系统加重了武器的重量,而且价格昂贵。因此,主动式寻的制导一般只适用于作末段制导。如法国的“飞鱼”、我国的C-802反舰导弹就采用了末段雷达主动式寻的制导方式。

半主动式寻的制导  该制导方式是用弹外的信号发射器发射信号,照射或选定目标,弹上的信号接收机接收目标反射的信号,引导弹体命中目标。与主动式寻的制导相比,它的最大优点是不需要增大武器的重量和尺寸,就可以大大增加攻击目标的威力。半主动寻的制导有雷达半主动寻的制导和激光半主动寻的制导两种。如美国的“霍克”地空导弹采用雷达半主动寻的制导,“海尔法”反坦克导弹、“铜斑蛇”制导炮弹和多数制导炸弹则采用激光半主动寻的制导。

被动式寻的制导  这种制导系统是在弹头上装有信号接收器,信号接收器接收到目标发射或辐射的信号后,引导弹体命中目标。这是一种便宜而有效的制导方式。通信卫星的电波、喷气发动机的尾烟、舰艇烟囱的热流等都可能成为这种制导武器的“向导”。比如反辐射导弹就是雷达被动寻的制导的导弹,鱼雷则采用声波被动寻的制导。近距离的防空导弹、空空导弹和空地导弹大多也采用这种制导方式,如我国的“前卫一号”便携式单兵防空导弹,采用的就是红外被动寻的制导方式,“前卫一号”射程5公里,有效射高4公里,导弹飞行速度1.8马赫,性能与美国的“毒刺”单兵防空导弹相当。

1.4 全球定位系统(GPS)制导

GPS制导的工作原理是利用弹上安装的GPS接收机接收4颗以上导航卫星播发的信号,来修正导弹的飞行路线,提高制导精度。例如,美国“战斧”巡航导弹已改装成BlockⅢ型,其主要改进GPS接收机和天线系统,改装后的导弹,其圆概率误差由原来的9米降为3米。该导弹在科索沃战争中发挥出色。

1.5 复合制导

导弹从发射到命中目标要经历三个飞行阶段:即初始段、中段和末段。如果在其中某段或某几段采用一种以上制导方式,即称为复合制导。目前采用的复合制导技术主要有以下几种:

自主寻的制导  如法国的“飞鱼”初始段和中段采用惯性制导,我国的C-802反舰导弹初始段和中段采用程序制导,接近目标时二者都采用末段雷达主动寻的制导。

遥控寻的制导  如美国的“爱国者”地空导弹,采用的就是指令制导和半主动雷达寻的制导,制导精度高,抗干扰能力强。台军目前拥有3套“爱国者”PAC-2型导弹系统(导弹200枚),该系统由导弹、5~8辆四联装发射车、1辆多功能相控阵雷达车、1辆指挥控制车和电源车组成。其中多功能相控阵雷达可完成目标搜索、跟踪、识别,以及导弹跟踪、制导和反电子干扰等多种功能。

惯性、遥控寻的制导  台军的“天弓”Ⅱ地空导弹采用初段惯性、中段无线电制令、末段主动雷达寻的复合制导。该导弹最大速度4马赫,最大射程100公里,射高25公里,目前台军拥有该导弹发射架4部,导弹50枚。1992年台湾和美国共同对“天弓”Ⅱ进行改造,提高其拦截战术弹道导弹的能力,1999年7月进行了实验,计划2000年后装备部队。美国的“宙斯盾”防空导弹和“标准”式舰对空导弹初始段和中段采用惯性加无线电指令制导,末段采用半主动雷达寻的制导。

惯性、地形匹配、GPS数字景象匹配制导  这种复合制导方式先是惯性制导,中段用地形匹配制导和GPS制导,接近目标时再由数字景象匹配进行末端制导。“战斧”BlockⅢ巡航导弹的初始段采用惯性制导,中段采用地形匹配制导,若导弹飞经大海、沙漠、平原时,采用GPS系统制导,最后一关是采用数字式景象匹配作末制导,使导弹导向目标。


1.6 新一代精确制导武器用的卫星定位/惯性导航

卫星定位/惯性导航(GPS/INS)组合制导技术,是目前最先进的、全天候、自主式制导技术,有广泛应用前景,是国外正在发展的第四代中/远距精确制导空地武器、尤其是第四代精确制导炸弹普遍采用的一项关键技术。

1.6.1 GPS/INS组合制导导弹

最早采用惯性导航系统制导的武器,是二次世界大战期间法西斯德国的V-2地地弹道导弹。战后发展的各种远程导弹,大都采用惯性导航系统作为中段制导或全程制导;各种近距战术导弹则广泛采用捷联式惯性导航系统作为制导系统。惯性导航系统主要优点是:不依赖任何外界系统的支持而能独立自主地进行导航,能连续地提供包括姿态基准在内的全部导航和制导参数,具有对准后良好的短期精度和稳定性。其主要缺点是:结构复杂、造价较高,导航误差随时间积累而增大,加温和对准时间较长,因此,不能满足远距离或长时间航行以及高精度导航或制导的要求。

为了提高导航定位精度,出现了多种组合导航的方式,即把各具特点的不同类型的导航系统匹配组合,使之相互取长补短,从而形成一种更为优良的新型导航系统——组合导航系统,如惯性导航与多普勒组合导航系统、惯性导航与测向/测距(VOR/DME)组合导航系统、惯性导航与罗兰(LORAN)或德卡(DECCA)或奥米加(OMEGA)或康索尔(CONSOL)或地面参照导航(TRN)或地形特征匹配(TCM)组合导航系统,以及惯性导航与全球定位系统(INS/GPS)组合导航系统。在上述组合导航系统中,以后者最为先进,应用最为广泛。

最早采用GPS/INS组合制导技术的机载精确制导武器,是美国海军的舰载攻击机A-7E装备使用的“斯拉姆”(SLAM)AGM-84E空舰导弹。该弹采用GPS/INS组合制导为中段制导,红外成像加视频数据链遥控为末段制导,在1991年初爆发的海湾战争中,以其很高的命中精度取得引人注目的战绩。海湾战争之后该弹的改进型——“增敏斯拉姆”(SLAM-ER)AGM-84H和“大斯拉姆”(Grand SLAM)空舰导弹,中段制导均采用GPS/INS组合制导。

目前已经采用GPS/INS组合制导技术的新一代机载精确制导空地武器有:美国的AGM-86C空射巡航导弹、AGM-130空地导弹、AGM-142空地导弹、CBU-97/B传感器引爆(SFW)子母炸弹和GBU-29/31“杰达姆”(JDAM)制导炸弹。“杰达姆”由B-2A隐身战略轰炸机携带,首次大量用于1999年3月24日至6月10日对南联盟持续78天的狂轰滥炸中,并于5月8日野蛮轰炸我驻南使馆。计划加装该组合制导的机载精确制导武器有:AGM-154“杰索伍”(JSOW)联合防区外发射武器、“贾斯姆”(JASSM)联合防区外空地导弹和“杰达姆”(JDAM)第2、3阶段制导炸弹等。

1.6.2 惯性导航系统(INS)技术

惯性导航系统(INS)是一个自主式的空间基准保持系统,由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括3个加速度计和3个陀螺仪。前者用来测量运载器的3个平移运动的加速度,指示当地地垂线的方向;后者用来测量运载器的3个转动运动的角位移,指示地球自转轴的方向。对测出的加速度进行两次积分,可算出运载器在所选择的导航参考坐标系的位置。

按照惯性测量装置在运载器上的安装方式,可分为平台式和捷联式两类惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将加速度计和陀螺仪安装在惯导平台上,按照建立坐标系的不同,又可分为空间稳定和当地水平的惯性导航系统,前者的惯导平台相对惯性空间稳定,后者的惯导平台能跟踪当地水平面,但其方位相对于地球可以是固定的,也可以是自由的、游动的。由于平台能隔离运载体的振动,惯性仪表的工作条件较好,可减少测量误差,提高导航精度,但结构复杂,体积大,造价高。捷联式惯性导航系统是将加速度计和陀螺仪安装在运载体上,由计算机软件建立一个数学平台,取代机械惯性平台,因而结构简单,体积小,重量轻,成本低,但惯性仪表工作条件较差,测量误差增大,导航精度下降,故对陀螺仪的要求很高,能耐冲击、振动,角速度测量范围要大,采用静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等新型陀螺较为理想。

1.6.3 卫星定位/惯性导航(GPS/INS)组合制导技术

惯性导航与卫星定位(INS/GPS)组合导航系统用于武器制导,能充分发挥两者各自优势并取长补短,利用GPS的长期稳定性与适中精度,来弥补INS的误差随时间传播或增大的缺点,利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点,进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、重量轻、造价低的优势,并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息,提高GPS接收机天线的定向操纵性能,使之快速捕获或重新捕获GPS卫星信号,同时借助GPS连续提供的高精度位置信息和速度信息,估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和系统其它误差参数,实现对其空中传递对准和标定,从而可放宽对其精度提出的要求,使得整个组合制导系统达到最优化,具有很高的效费比。

GPS/INS组合制导主要关键技术为:(1)GPS接收机技术,主要是高效、低成本的器件技术;(2)INS技术,包括各种新型惯性传感器技术,如激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺,以及各种微机电制造技术等;(3)GPS/INS耦合技术,包括卡尔曼滤波配置、误差估值技术等;(4)GPS/INS的机载/弹载综合技术,包括机载/弹载GPS/INS的传递对准、GPS/INS的转换、相对GPS瞄准与攻击、GPS/INS建模与精度分析等;(5)GPS干扰与抗干扰技术,包括GPS接收机的干扰与抗干扰技术、加密与解密技术、精度补偿技术等。

1.6.4 闭环光纤陀螺惯性设备

光纤陀螺与传统陀螺(液浮陀螺、动力谐振陀螺、静电陀螺)相比,具有全固态、无机械转动部件、可瞬时启动、长时间存储性能不老化等优点;与环形激光陀螺相比,它不需要光学镜的高精度加工、不需要光腔的严格密封、不需要机械偏置技术或高压,因此具有制造容易,更牢固可靠等优点。此外,光纤陀螺具有结构简单、抗冲击和抗加速度能力强、功耗低、尺寸小、重量轻、成本低、可直接数字输出便于计算机处理的特点。

由于光纤陀螺本身在测量旋转和加速度变量方面的优越性,采用光纤陀螺构成的陀螺组件既可以测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角,引导导弹飞向目标,也可以测量飞行器的方位角速度和俯仰角速度,提供制导武器所需的初始资料。因此,光纤陀螺在制导武器以及与制导武器有密切关系的机载惯性导航系统中获得了广泛的应用。


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