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【制導】導彈制導原理和方式

1 導彈制導原理和方式

導彈簡單的說就是依靠自身動力裝置推進、由制導系統導引、控制其飛行路線并導向目標的武器。按作戰使用來分,導彈可分為戰略導彈及戰術導彈。前者用于打擊戰略目標射程在1000公里以上,后者用于直接支援戰場作戰,打擊戰役戰術縱深內目標,射程在1000公里以內。若按其發射地點和所攻擊的目標位置來區分,又可分為地地導彈、地(艦)空導彈、空空導彈、空地(艦)導彈、艦艦導彈、潛地導彈、岸艦導彈、反彈道導彈(反導導彈,用于攔截敵方遠程彈道導彈的)、反雷達導彈(反輻射導彈)。此外按其飛行方式可分為巡航導彈和彈道導彈。在大氣層內以巡航狀態飛行者稱為巡航導彈,穿出稠密的大氣層且按自由拋物體彈道飛行者稱為彈道導彈。

在海灣戰爭中,以美國為首的多國部隊用占總投彈量8%的精確制導彈藥摧毀了伊拉克80%的目標。在科索沃戰爭中,以美國為首的北約使用的精確制導彈藥超過總投彈量的80%以上,給南聯盟造成的經濟損失達2000多億美元。精確制導武器的威力已被世人公認,那么精確制導武器何以有如此巨大的威力?這主要取決于其精確制導技術。

概括起來講,精確制導技術主要有自主式制導、遙控式制導、尋的制導、全球定位制導及復合制導等幾大類。

1.1 自主式制導

自主式制導不需要提供目標的直接信息,也不需要彈體以外的設備配合,而僅靠彈體自身裝載的測量儀器測量地球的某些物理特征,從而確定彈體的飛行軌道,控制引導彈體命中目標。自主式制導的特點是彈體的飛行完全自主,因而不易受干擾。但由于制導程序是預先確定的,所以這種制導方式只適于攻擊地面固定目標。自主式制導又分為相關制導和慣性制導兩種。

1.1.1 相關制導

相關制導是指在武器的飛行過程中,利用預先儲存的飛經路線的某些特征數據,與實際飛行過程中探測到的相關數據不斷進行比較,來修正武器的飛行路線的制導方式。屬于這種制導方式的主要有以下三種。

地形匹配制導  它是根據偵察照相,獲取導彈預定攻擊目標及沿途航線上的地形地貌情報,并據此作專門的標準地貌圖。例如,在一塊10×2公里的長方形區域內,可以劃成成百上千個小方格,在每個小方格內都標上該處地面的平均標高,這樣,一幅數字地圖就出現了。把這幅預先測定的數字地圖存入彈體計算機,導彈在實際飛行的過程中,利用雷達高度表和氣壓高度表連續測量飛經地區的實際地面海拔高度,并把這一數據輸入計算機與預定彈道的相關數據進行比較,如發現已偏離預定飛行軌道,計算機會將需要糾正的偏差修正量以指令形式傳給自動控制裝置,使導彈及時回到預定軌道上來。然而,在導彈的整個射程內,要把沿途地形全部做成數字地圖存入導彈的計算機是不可能的,所以一般只能沿其飛行彈道選定3~4個定位區予以修正。如“戰斧”巡航導彈飛行軌道的中段就采用了這種制導方式。

數字景象匹配制導  景象匹配制導是利用彈上的“景象匹配區域相關器”獲取目標區域景物圖像,然后把目標及其周圍的景象與彈體計算機存儲的原攝影景象進行比較,從而確定目標的位置,確認目標無疑時再進行攻擊,因而這是一種高度精確的末端制導方式。如“戰斧”巡航導彈的飛行末段,就是采用這種制導方式。

程序制導  程序制導是預先將導彈命中目標所需要的飛行彈道,存儲在程序控制機構內。導彈發射后,彈上程序控制機構按照預先安排好的飛行方案,按時輸出控制指令,按部就班地控制導彈按預定彈道飛向目標。如我國的C-802反艦導彈就是采用的這種制導方式,該導彈射程120公里,導彈以一定的仰角發射,達到預定高度后以0.8~0.9馬赫的巡航速度飛行,距海面的高度為20~30米,與目標接近到一定距離時,導彈降低攻擊高度至距海面5~7米之間,到此之前,導彈都是采用程序制導,臨近目標時,導彈改成雷達末制導攻擊目標。

1.1.2 慣性制導

慣性制導是指利用陀螺儀、加速度表等慣性儀表組成的測量裝置,按慣性原理控制和導引導彈飛向目標的制導方式。通常由彈上計算機控制發動機推力的方向、大小和作用時間,把導彈引導和控制到目標區。

慣性制導具有抗干擾性強、隱蔽性好、不受氣象條件影響等優點。但慣性制導系統隨著工作時間的延長,積累誤差就越大,所以在中、遠程中通常加裝地形匹配制導系統,以便定期修正這些誤差。目前,地地彈道導彈和潛地導彈幾乎都采用這種制導方式。如美國的“大力神”、“民兵”、我國的“東風”等都采用了慣性制導。

1.2 遙控式制導

“遙控式制導”顧名思義,是說彈體的飛行是受設在彈體以外的制導站控制的。制導站的位置可設于地面上、艦船上或飛機上。指揮站就像一個前方指揮所,它根據跟蹤測量系統測得的目標和彈體的相對位置和運動參數,形成制導指令并發送給彈體,彈體接收到指令后,由自動駕駛儀控制彈體,按指揮員的意圖飛行,直至命中目標完成任務。遙控制導可分為指令制導和波束制導兩類。

1.2.1 指令制導

按指令傳輸手段的不同,指令制導又有以下幾種制導方式。

有線指令制導  利用導線傳輸指令的遙控制導稱為有線指令制導。這種制導系統主要由制導控制裝置、光學瞄準鏡、操作手柄和控制導線組成,導彈發射后,操作手需用瞄準鏡瞄準目標,同時還要跟蹤導彈,并從鏡內判斷出導彈的飛行偏差,用操作手柄產生控制指令不斷修正其偏差,導線把控制指令傳輸給導彈,引導導彈飛向目標。這種制導系統的優點是精度高、抗干擾能力強,缺點是操作難度大,操作手既要瞄準目標又要跟蹤導彈,一有差錯導彈就會失控?,F在先進的有線制導系統將金屬導線改為光纖,并增加了一部紅外測角儀,由它自動跟蹤導彈并測出導彈飛行方向與瞄準線的偏角,操作手只需始終用光學瞄準鏡的十字線跟蹤瞄準目標即可,這種系統不僅操作簡單,而且精度高,并提高了射程和抗干擾能力。如我軍裝備的“紅箭”-8,美國的“陶”式等射程在4公里以內的反坦克導彈都是采用這種“目標瞄準、紅外跟蹤、有線傳輸指令”的制導方式。

無線電指令制導  無線電指令制導是利用無線電傳輸指令的遙控制導,制導站由目標跟蹤雷達、導彈跟蹤雷達、解算裝置、指令發射天線組成,工作過程是這樣的:目標跟蹤雷達發現目標后,將目標諸元輸入計算機,導彈發射后,導彈跟蹤雷達把導彈的運動參數也輸入計算機,計算機算出制導指令經過指令發射天線傳給導彈。彈上接收機將指令轉換成控制導彈的信號,導引其飛向目標。這種制導方式的跟蹤探測系統主要是雷達,因此優點是作用距離遠,制導精度高,但易受電子干擾和反輻射導彈的襲擊,還需采用多種綜合抗干擾措施來配合。這種制導方式多用于中、遠距離的防空導彈,如俄羅斯的“薩姆”-2、S-300防空導彈就屬這種類型。

電視指令制導  這種制導系統的主要器件有導彈頭部的微型電視攝像機和制導站的電視接收機、無線電指令發射機等。導彈發射后,其頭部的電視攝像機不斷地將目標及其周圍環境攝取下來,把信號發回制導站。制導站的電視接收機將圖像顯示出來,導彈操縱員調整目標圖像至熒光屏十字線中心的過程,就是向導彈發出指令的過程。若熒光屏上上的十字線中心對準目標圖像,導彈就會準確命中目標。這種制導方式可使制導站對攻擊情況一目了然,在多目標的情況下,便于操縱員選擇最重要的目標進行攻擊,導彈發射后,裝有制導站的車輛、艦船或飛機即可退出目標區,以保證其安全。但它受能見度影響大,而且容易受電子干擾。

1.2.2 波束制導

波束制導又稱駕束制導。它是由地面、機載或艦載的制導站向目標發射一束定向輻射的圓錐形波束,并始終跟蹤目標,導彈發射后,彈上的制導設備不斷接收這一波束信號,引導導彈進入波束并沿波束軸線飛向目標。波束制導主要有雷達波束制導和激光波束制導兩種。

雷達波束制導  雷達波束制導是利用制導站雷達發射的波束來引導導彈飛向目標的制導方式。由于雷達發射的定向波束較窄,圓錐波束寬度僅在2度以內,而且跟蹤低空高速目標時波束移動很快,導彈不容易進入波束,或者進入后也容易被快速移動的波束甩掉。所以制導站通常采取一個雷達天線同時發射兩個寬窄不等的同軸波束的方式來進行制導。寬波束用來導引導彈首先找到雷達波束,然后進入寬波束,最后引導導彈進入窄波束,用窄波束制導導彈攻擊目標。

激光波束制導  激光波束制導是由激光器瞄準目標并不斷發射激光束,導彈發射后,由導彈上的激光接收器接收制導站發射的激光束,并導引導彈飛向目標。如美國“打擊者”反坦克導彈就采用了激光波束制導。

1.3 尋的制導

尋的制導就是彈體自己尋找、跟蹤并擊毀目標。當彈體上的導引頭接收到從目標輻射或反射來的紅外波、無線電波、光波或聲波信號時,彈上的制導系統就會引導彈體沿著信號的來向追蹤目標。根據能量來源不同,尋的制導可分為以下三類:

主動式尋的制導  主動式尋的制導是在彈頭上裝有信號發射機和接收機。發射機發射激光、紅外線、雷達波或聲波等信號照射目標,接收機接收目標反射的信號,從而引導彈體命中目標。這種系統在鎖定目標之后便自動地、完全獨立地去攻擊目標,因此以這種方式制導的導彈具有“發射后不管”的能力。但這種系統加重了武器的重量,而且價格昂貴。因此,主動式尋的制導一般只適用于作末段制導。如法國的“飛魚”、我國的C-802反艦導彈就采用了末段雷達主動式尋的制導方式。

半主動式尋的制導  該制導方式是用彈外的信號發射器發射信號,照射或選定目標,彈上的信號接收機接收目標反射的信號,引導彈體命中目標。與主動式尋的制導相比,它的最大優點是不需要增大武器的重量和尺寸,就可以大大增加攻擊目標的威力。半主動尋的制導有雷達半主動尋的制導和激光半主動尋的制導兩種。如美國的“霍克”地空導彈采用雷達半主動尋的制導,“海爾法”反坦克導彈、“銅斑蛇”制導炮彈和多數制導炸彈則采用激光半主動尋的制導。

被動式尋的制導  這種制導系統是在彈頭上裝有信號接收器,信號接收器接收到目標發射或輻射的信號后,引導彈體命中目標。這是一種便宜而有效的制導方式。通信衛星的電波、噴氣發動機的尾煙、艦艇煙囪的熱流等都可能成為這種制導武器的“向導”。比如反輻射導彈就是雷達被動尋的制導的導彈,魚雷則采用聲波被動尋的制導。近距離的防空導彈、空空導彈和空地導彈大多也采用這種制導方式,如我國的“前衛一號”便攜式單兵防空導彈,采用的就是紅外被動尋的制導方式,“前衛一號”射程5公里,有效射高4公里,導彈飛行速度1.8馬赫,性能與美國的“毒刺”單兵防空導彈相當。

1.4 全球定位系統(GPS)制導

GPS制導的工作原理是利用彈上安裝的GPS接收機接收4顆以上導航衛星播發的信號,來修正導彈的飛行路線,提高制導精度。例如,美國“戰斧”巡航導彈已改裝成BlockⅢ型,其主要改進GPS接收機和天線系統,改裝后的導彈,其圓概率誤差由原來的9米降為3米。該導彈在科索沃戰爭中發揮出色。

1.5 復合制導

導彈從發射到命中目標要經歷三個飛行階段:即初始段、中段和末段。如果在其中某段或某幾段采用一種以上制導方式,即稱為復合制導。目前采用的復合制導技術主要有以下幾種:

自主尋的制導  如法國的“飛魚”初始段和中段采用慣性制導,我國的C-802反艦導彈初始段和中段采用程序制導,接近目標時二者都采用末段雷達主動尋的制導。

遙控尋的制導  如美國的“愛國者”地空導彈,采用的就是指令制導和半主動雷達尋的制導,制導精度高,抗干擾能力強。臺軍目前擁有3套“愛國者”PAC-2型導彈系統(導彈200枚),該系統由導彈、5~8輛四聯裝發射車、1輛多功能相控陣雷達車、1輛指揮控制車和電源車組成。其中多功能相控陣雷達可完成目標搜索、跟蹤、識別,以及導彈跟蹤、制導和反電子干擾等多種功能。

慣性、遙控尋的制導  臺軍的“天弓”Ⅱ地空導彈采用初段慣性、中段無線電制令、末段主動雷達尋的復合制導。該導彈最大速度4馬赫,最大射程100公里,射高25公里,目前臺軍擁有該導彈發射架4部,導彈50枚。1992年臺灣和美國共同對“天弓”Ⅱ進行改造,提高其攔截戰術彈道導彈的能力,1999年7月進行了實驗,計劃2000年后裝備部隊。美國的“宙斯盾”防空導彈和“標準”式艦對空導彈初始段和中段采用慣性加無線電指令制導,末段采用半主動雷達尋的制導。

慣性、地形匹配、GPS數字景象匹配制導  這種復合制導方式先是慣性制導,中段用地形匹配制導和GPS制導,接近目標時再由數字景象匹配進行末端制導?!皯鸶盉lockⅢ巡航導彈的初始段采用慣性制導,中段采用地形匹配制導,若導彈飛經大海、沙漠、平原時,采用GPS系統制導,最后一關是采用數字式景象匹配作末制導,使導彈導向目標。


1.6 新一代精確制導武器用的衛星定位/慣性導航

衛星定位/慣性導航(GPS/INS)組合制導技術,是目前最先進的、全天候、自主式制導技術,有廣泛應用前景,是國外正在發展的第四代中/遠距精確制導空地武器、尤其是第四代精確制導炸彈普遍采用的一項關鍵技術。

1.6.1 GPS/INS組合制導導彈

最早采用慣性導航系統制導的武器,是二次世界大戰期間法西斯德國的V-2地地彈道導彈。戰后發展的各種遠程導彈,大都采用慣性導航系統作為中段制導或全程制導;各種近距戰術導彈則廣泛采用捷聯式慣性導航系統作為制導系統。慣性導航系統主要優點是:不依賴任何外界系統的支持而能獨立自主地進行導航,能連續地提供包括姿態基準在內的全部導航和制導參數,具有對準后良好的短期精度和穩定性。其主要缺點是:結構復雜、造價較高,導航誤差隨時間積累而增大,加溫和對準時間較長,因此,不能滿足遠距離或長時間航行以及高精度導航或制導的要求。

為了提高導航定位精度,出現了多種組合導航的方式,即把各具特點的不同類型的導航系統匹配組合,使之相互取長補短,從而形成一種更為優良的新型導航系統——組合導航系統,如慣性導航與多普勒組合導航系統、慣性導航與測向/測距(VOR/DME)組合導航系統、慣性導航與羅蘭(LORAN)或德卡(DECCA)或奧米加(OMEGA)或康索爾(CONSOL)或地面參照導航(TRN)或地形特征匹配(TCM)組合導航系統,以及慣性導航與全球定位系統(INS/GPS)組合導航系統。在上述組合導航系統中,以后者最為先進,應用最為廣泛。

最早采用GPS/INS組合制導技術的機載精確制導武器,是美國海軍的艦載攻擊機A-7E裝備使用的“斯拉姆”(SLAM)AGM-84E空艦導彈。該彈采用GPS/INS組合制導為中段制導,紅外成像加視頻數據鏈遙控為末段制導,在1991年初爆發的海灣戰爭中,以其很高的命中精度取得引人注目的戰績。海灣戰爭之后該彈的改進型——“增敏斯拉姆”(SLAM-ER)AGM-84H和“大斯拉姆”(Grand SLAM)空艦導彈,中段制導均采用GPS/INS組合制導。

目前已經采用GPS/INS組合制導技術的新一代機載精確制導空地武器有:美國的AGM-86C空射巡航導彈、AGM-130空地導彈、AGM-142空地導彈、CBU-97/B傳感器引爆(SFW)子母炸彈和GBU-29/31“杰達姆”(JDAM)制導炸彈?!敖苓_姆”由B-2A隱身戰略轟炸機攜帶,首次大量用于1999年3月24日至6月10日對南聯盟持續78天的狂轟濫炸中,并于5月8日野蠻轟炸我駐南使館。計劃加裝該組合制導的機載精確制導武器有:AGM-154“杰索伍”(JSOW)聯合防區外發射武器、“賈斯姆”(JASSM)聯合防區外空地導彈和“杰達姆”(JDAM)第2、3階段制導炸彈等。

1.6.2 慣性導航系統(INS)技術

慣性導航系統(INS)是一個自主式的空間基準保持系統,由慣性測量裝置、控制顯示裝置、狀態選擇裝置、導航計算機和電源等組成。慣性測量裝置包括3個加速度計和3個陀螺儀。前者用來測量運載器的3個平移運動的加速度,指示當地地垂線的方向;后者用來測量運載器的3個轉動運動的角位移,指示地球自轉軸的方向。對測出的加速度進行兩次積分,可算出運載器在所選擇的導航參考坐標系的位置。

按照慣性測量裝置在運載器上的安裝方式,可分為平臺式和捷聯式兩類慣性導航系統。平臺式慣性導航系統是將加速度計和陀螺儀安裝在慣導平臺上,按照建立坐標系的不同,又可分為空間穩定和當地水平的慣性導航系統,前者的慣導平臺相對慣性空間穩定,后者的慣導平臺能跟蹤當地水平面,但其方位相對于地球可以是固定的,也可以是自由的、游動的。由于平臺能隔離運載體的振動,慣性儀表的工作條件較好,可減少測量誤差,提高導航精度,但結構復雜,體積大,造價高。捷聯式慣性導航系統是將加速度計和陀螺儀安裝在運載體上,由計算機軟件建立一個數學平臺,取代機械慣性平臺,因而結構簡單,體積小,重量輕,成本低,但慣性儀表工作條件較差,測量誤差增大,導航精度下降,故對陀螺儀的要求很高,能耐沖擊、振動,角速度測量范圍要大,采用靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等新型陀螺較為理想。

1.6.3 衛星定位/慣性導航(GPS/INS)組合制導技術

慣性導航與衛星定位(INS/GPS)組合導航系統用于武器制導,能充分發揮兩者各自優勢并取長補短,利用GPS的長期穩定性與適中精度,來彌補INS的誤差隨時間傳播或增大的缺點,利用INS的短期高精度來彌補GPS接收機在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等的缺點,進一步突出捷聯式慣性導航系統結構簡單、可靠性高、體積小、重量輕、造價低的優勢,并借助慣導系統的姿態信息和角速度信息,提高GPS接收機天線的定向操縱性能,使之快速捕獲或重新捕獲GPS衛星信號,同時借助GPS連續提供的高精度位置信息和速度信息,估計并校正慣導系統的位置誤差、速度誤差和系統其它誤差參數,實現對其空中傳遞對準和標定,從而可放寬對其精度提出的要求,使得整個組合制導系統達到最優化,具有很高的效費比。

GPS/INS組合制導主要關鍵技術為:(1)GPS接收機技術,主要是高效、低成本的器件技術;(2)INS技術,包括各種新型慣性傳感器技術,如激光陀螺、光纖陀螺、半球諧振陀螺,以及各種微機電制造技術等;(3)GPS/INS耦合技術,包括卡爾曼濾波配置、誤差估值技術等;(4)GPS/INS的機載/彈載綜合技術,包括機載/彈載GPS/INS的傳遞對準、GPS/INS的轉換、相對GPS瞄準與攻擊、GPS/INS建模與精度分析等;(5)GPS干擾與抗干擾技術,包括GPS接收機的干擾與抗干擾技術、加密與解密技術、精度補償技術等。

1.6.4 閉環光纖陀螺慣性設備

光纖陀螺與傳統陀螺(液浮陀螺、動力諧振陀螺、靜電陀螺)相比,具有全固態、無機械轉動部件、可瞬時啟動、長時間存儲性能不老化等優點;與環形激光陀螺相比,它不需要光學鏡的高精度加工、不需要光腔的嚴格密封、不需要機械偏置技術或高壓,因此具有制造容易,更牢固可靠等優點。此外,光纖陀螺具有結構簡單、抗沖擊和抗加速度能力強、功耗低、尺寸小、重量輕、成本低、可直接數字輸出便于計算機處理的特點。

由于光纖陀螺本身在測量旋轉和加速度變量方面的優越性,采用光纖陀螺構成的陀螺組件既可以測量導彈運動過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角,引導導彈飛向目標,也可以測量飛行器的方位角速度和俯仰角速度,提供制導武器所需的初始資料。因此,光纖陀螺在制導武器以及與制導武器有密切關系的機載慣性導航系統中獲得了廣泛的應用。


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