半主动导引头弹目多普勒频率对引战配合影响分析

2010-12-03张宏伟史志中

制导与引信 2010年1期

张宏伟, 史志中

(上海航天技术研究院八部,上海200233)

0 引言

当前防空导弹较多采用半主动寻的制导体制,其原因在于具有制导作用距离大,全天候适应性好,弹上设备简单、技术难点较小,地面雷达提供的能量易于实现等特点。新一代防空导弹设计中,还有许多仍然采用了半主动寻的制导体制[1]。充分利用导引头等弹上设备提供的信息,进行精确的引信与战斗部配合是现代化防空导弹发展的趋势和研究的热点问题。引战配合涉及导弹系统中的制导、引信和战斗部三个关键环节,综合考虑三者关联及其特征参数的优化设计,是逼近最佳配合的基本思路。

半主动导引头向引信提供的最主要信息量为弹目回波多普勒频率 fd,在对该回波信号进行有效处理的基础上,可以得到弹目相对速度大小,该多普勒频率可以作为引战配合自适应延迟时间的基准。

在大部分情况下,通过半主动导引头提供的弹目回波多普勒频率提取弹目相对速度大小和真实值误差较小,完全可以用作引战自适应延时的基准;但在大俯冲角边界条件下,两者之间会存在较大的误差,继续采用该信息量就会严重影响引战配合的效果,急剧降低导弹单发杀伤概率。

1 半主动导引头弹目多普勒频率与弹目相对速度关系

半主动导引头采用直波接收机提供相干处理的本振源,目标多普勒回波信号的形成和计算已不同于地面雷达跟踪的形成和计算[2],跟踪运动目标示意图如图1所示。

图1 半主动导引头跟踪运动目标示意图

一方面,由于目标照射的雷达和接收点是双基地的;另一方面,导引头对目标回波信号的相干基准由导引头的直波接收机把本振频率锁定在照射器的信号频率上后,再由导引头本振提供。由于导弹运动,相干基准已不同于发射频率。

经典分析中,可以将弹目径向速度由以下四部分组成:

a)由于目标运动,雷达照射器对于目标进行照射产生,记为 fd1;

b)由目标反射信号引起的多普勒频率,记为fd2;

c)由于导弹运动,导引头接收目标回波引起的多普勒频率,记为 fd3;

d)由于导弹运动,相干基准引起的多普勒频率,记为 fd4。

由此分析可得 f d i(i=1,2,3,4)的表达式为

式中:f d4为反应直波传输通道的频率偏移,又称为 fd直。一般 β1大于90°,cosβ1为负值,故 fd可以表示为

式中:α1为V t与目标至雷达站联线的夹角;α2为Vt与目标和导弹联线的夹角;β1为Vm与导弹至雷达站联线的夹角;β2为V m与导弹和目标联线的夹角;Vm为导弹速度;Vt为目标速度。

在工程中,因上述思路计算过程复杂,成分频率测量易产生误差,均采用近似分析取代。在弹目交会过程中,弹目距离远小于导弹与照射器距离,可将导引头的半主动体制近似于主动体制进行计算。

主动导引头弹目多普勒频率的经典计算方法为

令

式中:λ为目标散射点和天线口连线与弹目相对速度V r的夹角。

导引头输出的实际弹目相对速度大小Vr可按导引头工作波长λ乘以比例系数k得到,即

例如:当 λ=0.03 m 时,k=0.015,即 f d=1 kHz代表V r=15m/s。

该弹目相对速度Vr的提取方式广泛应用于防空导弹的工程实践中,但针对于超低空导弹的大俯冲角交会条件,k值与真实值存在较大误差,使引战延迟时间偏离理想值,严重影响引战配合的效果。

2 大俯冲角下k的误差分析

在大俯冲角情况下,弹目多普勒频率误差由式(8)的比例参数k决定。由第1节的分析可知,在脱靶量远小于照射器与导弹距离的情况下,半主动导引头输出 fd所代表的弹目相对速度Vrm可近似按主动体制计算。导引头跟踪目标示意图,如图2所示。

图2 导引头跟踪目标示意图

弹目相对速度Vr的大小为

根据三角函数关系,可得

经化简,得

通过上述分析可知,半主动导引头提供的弹目多普勒频率 fd简化为主动体制计算,其比例系数k与俯冲角θ、导弹速度V m、目标速度V t和波长λ有式(13)的关系。

设弹目平行交会条件,导弹速度为800 m/s,目标速度为600 m/s,λ=0.03m,f d=1 kHz所代表的k与俯冲角θ的关系如图3所示。

图3 k与俯冲角θ的关系曲线

从图中可以读出:俯冲角θ增大,k值与真实值误差会随之增大,即弹上计算机输出的弹目多普勒频率 f d与真实值误差增大,θ小于30°情况下,其误差小于3%,为正常交会情况,可以接受;θ大于30°情况下,其误差大于11%,最高达到26%,这么大的误差信息作用引战配合的延时基准,必然会导致引信延时大幅度偏大,严重影响引战配合效果。

3 弹目多普勒频率的误差分析

本文分别计算组成弹目多普勒频率的四部分成分频率。四项多普勒频率的计算数据曲线图,如图4所示。

图4 四项多普勒成分频率曲线图

前两项由目标速度决定,后两项由导弹速度决定。在脱靶点与照射器距离远大于脱靶量的情况下,可以发现导弹处于向下俯冲飞行状态,α1、α2和β2变化均不大,只有导弹速度矢量与导弹照射器连线夹角β1变化较大。导弹速度矢量逐渐转向下方,β1在 180°向 90°角度减小,其余弦值变小,f d4项导弹速度引起的多普勒频率分量减小,因此会出现多普勒频率减低。

图5给出了半主动导引头弹目多普勒的四项成分频率所占的权重。

通过上述分析可知:弹目多普勒频率与导弹速度矢量和导弹照射器连线夹角β1存在密切关系。其值为导弹大俯冲角的主要参数,也是弹上计算机获得的弹目多普勒频率f d出现误差的主要原因。由此,证明了本文第2节理论分析的正确性。

图5 弹目多普勒与成分频率的权重对比

4 引战配合影响分析

设定弹目交会条件:

a)导弹:速度为900 m/s,除俯冲角外,其它角度均为0°;

b)目标:速度为150 m/s,偏航角为180°,其它角度均为0°;

c)脱靶量:6m。

在弹道跟踪段,半主动寻的导引头提供的弹目多普勒频率 f d为引战配合的首要特征信息,该值严重影响引战配合特性以及战斗部破片动态飞散方向。本节选取不同俯冲角,对引战配合进行仿真试验。根据弹目交会条件,脱靶量为6 m时,给出导弹在俯冲角分别为0°、30°和60°破片毁伤目标的覆盖效果图[3],如图6～8所示。

引战配合效果图表示在弹体参考坐标系中,目标在不同的脱靶方位点被战斗部破片动态飞散区的覆盖情况。目标投影图为目标机体上均匀抽取的特征点在弹体参考坐标系中对应点的集合。1线和2线之间的区域为破片动态打击范围。2线为战斗部聚焦带破片动态打击范围。

如果目标投影图整个或者有一部分落在1线条之间,则目标该部分就能够被破片杀伤;落在2线条之间,则目标该部分就能够被聚焦带的破片杀伤。

对比图6、图7和图8,在俯冲角逐渐向90°方向偏转的情况下,目标毁伤投影明显偏离导弹的动态打击范围。

在脱靶方位为 120°～240°之间,三图中破片对目标的打击基本覆盖目标的易损伤区,其余脱靶方位上,图7和图8的破片聚焦带对目标的毁伤效果明显下降。在图8中,脱靶方位为300°～360°和0°～60°范围内,导弹毁伤覆盖未触及目标易损伤区。由此可见,大俯冲角情况,导弹引战配合的效果明显下降。