孙峥皓,张金昌,方 峰,孙亚楠
(中国空间技术研究院卫星应用总体部,北京100094)
目前以“飞鱼”、“战斧”、“捕鲸叉”以及美军正在发展的LRASM为代表的世界主流反舰导弹通常采用现在点射击的攻击方式,依赖其它平台传送或引导目标信息。在中远海作战任务中,传统的陆基、舰载、机载等观测手段能力相对受限,遥感卫星具有观测区域大、通信距离远、全天时、全天候等特点,将遥感卫星应用于反舰导弹射前目标信息保障能充分发挥导弹武器系统大射程、高命中等特点,更好地发挥武器的作战效能,发挥不可替代的支撑作用。
对目标的有效捕获是反舰导弹命中和毁伤目标的前提,在实际反舰导弹攻击海上目标的过程中,从海上目标信息探测获取,送至各级指挥所,然后分发目标信息到舰载导弹指控中心,上述过程各个环节均需要一定的时间。因此利用遥感卫星提供反舰导弹射前目标信息保障重点是要分析卫星提供的目标信息精度和传递的时延对反舰导弹打击任务的影响,通过建立遥感卫星提供射前目标信息保障的捕获概率模型,分析利用遥感卫星提供反舰目标信息保障的可行性,提炼总结使用模式和技术特点。
反舰导弹对遥感卫星目标信息保障的精度要求,是指需要保证导弹在自导段飞行结束到达末制导雷达等传感器开机点时,目标信息的误差(含探测误差和从探测器生成目标探测信息时刻到导弹火控设备收到目标信息的时间内由于目标机动引起的机动误差)能够落入末导的最大搜索范围。因此需要对多项指标进行综合考虑。同时遥感卫星提供的目标信息越精准,越有利于导弹精准规划末制导雷达开机时刻,雷达开机后其它目标进入搜索区的概率越小,越有利于导引头的精确目标选择。具体来说可以分为“捕得住”和“捉的准”两个层面的要求。
“捕得住”即目指满足导弹末导开机时,搜捕范围能够套得住目标;“捉得准”是指目指提供尽可能丰富的目标特征或目标周边态势信息,支撑导弹末导在开机后对发现的多个目标中,实现对预定目标的精准选择。因此,反舰导弹对利用遥感卫星提供的目标信息,一是要提供更多的信息要素,既能满足导弹的发射基本需求又能支持对目标精确选择的需求;二是要提供更精确的目标位置信息,减少传输时延的压力,使得遥感卫星目标信息的适用性更强,同时有利于精准规划末制导雷达开机时刻,实现对待打击目标的精确选择。
不同载荷、不同轨道的各类遥感卫星能够获取不同内容、不同精度、不同范围的目标信息,这些信息的质量、刷新周期、处理耗时、传输时延各不相同,在一定的条件下均有可能提供导弹武器所需的目标信息。针对当前及未来一段时间内世界各国在轨卫星的能力特点,可用于反舰导弹目标信息的遥感卫星探测手段主要是电子侦察卫星、高轨光学卫星和主动雷达探测卫星。
3.1 电子侦察卫星
以美国“白云”星座为代表的电子侦察卫星具有单星覆盖范围广,可全天时、全天候工作,获取的侦测信息数据量小,处理传输耗时短,是当前可用性较好的探测手段。缺点是无法应对目标电磁静默、无法获取目标航速、航向及周边态势信息,目标识别的准确率依赖于历史情报的完整性和准确度,当首次侦获目标或目标特征发生变化时无法识别。指挥员难以仅依靠电子侦察目标信息下定打击决心,也不能支撑当前先进远程导弹打击敌编队时精准捕获预定目标。
3.2 高轨光学卫星
高轨光学卫星优点是成像区域范围较大,可对任一指定区域进行连续观测。利用引导信息,高轨光学卫星可持续跟踪目标,提供目标位置、航向、航速、编队队形等信息,能初步保障反舰导弹信息要素的精确打击需求。缺点是分辨率较低,对目标识别能力有限,在暗夜或复杂气象条件下难以发现目标。
高轨凝视卫星的最大优势是能够获取待打击目标及其周边目标高精度的相对位置关系(相对位置关系定位精度为像素级,若卫星分辨率为100m,则相对定位精度即为100m)。
3.3 主动雷达卫星
主动雷达卫星采用主动雷达载荷,利用目标反射回波实现目标的发现与跟踪。这类卫星可获取大范围目标反射的原始散点图(包括岛礁、军舰、民船等目标),经处理可得到目标周边完整的态势信息,如目标所属编队队形,目标和其周边岛礁、民商等第三方目标的相对位置关系等,进一步融合电子侦察、AIS等信息,能够支撑导弹利用基于位置的目标选择或基于编队队形的目标选择策略,实现对目标的准确捕获和打击。
反舰导弹对于目标信息的主要门槛是涵盖了目标探测定位精度和处理传输时延的时空综合误差,只要卫星获取的目标信息满足了反舰导弹对于目指的基本要素要求,同时时空综合误差能够匹配导弹末制导的搜捕能力,那么就可以用于反舰导弹目指保障。
4.1 基本假设
反舰导弹对于目标信息的主要门槛是涵盖了目标探测定位精度和处理传输时延的时空综合误差,只要卫星获取的目标信息满足了反舰导弹对于目指的基本要素要求,同时时空综合误差能够匹配导弹末制导的搜捕能力,那么就可以用于反舰导弹目指保障。
作为模型建立的基础,需要在反舰导弹和其所配置的末制导雷达的性能范围内做以下假设:
1) 反舰导弹掠海匀速飞行,飞行平均速度为Vd;
2) 末制导雷达的方位搜索范围为±α,只要预定目标在末制导雷达搜索范围内,即可完成对目标的捕获;
3) 舰船目标以平均速度VS运动,方向随机;
4) 反舰导弹发射时刻距目标距离为SM,导引头开机时刻导弹地面投影与目标距离为Ss;
5) 遥感卫星提供的初始定位误差为dT。
4.2 影响目标捕获因素
由于反舰导弹捕获目标主要是判断末制导导引头开机覆盖区域与目标散布范围的关系,因此首先需要对遥感卫星提供的目标信息影响目标捕获的因素进行分析。影响导弹捕获目标的因素主要是考虑导引头开机后的覆盖范围与目标运动的位置关系,主要与导弹自控终点散布误差(dM),遥感卫星定位误差(dT)和目标运动误差(dJ)有关,其中遥感卫星定位误差(dT)和目标运动误差(dJ)又可以合成为目标散布误差(Rs)。
1)自控终点散布误差(dM)
图1 影响目标捕获因素
导弹自控终点误差实际上分为随机偏差和系统偏差。随机偏差包括诸元、仪器、随机风、温度等造成的偏差。系统偏差是指由于系统计算自控飞行时间的理论公式是在理想条件下推导出来的,影响弹道的多种次要因素没有考虑,因而造成了系统偏差。
导弹自控终点散布误差即为随机误差,可用侧向和纵向分布的概率误差(Ex、Ez)来描述。导弹自控终点误差是大量小误差综合作用产生的,根据概率理论中心极限定理,自控终点误差服从二维正态分布,分解为反舰导弹自控终点在纵向(X)和侧向(Z)上的散布,且距离误差和侧向误差是相互独立的,其分布函数为
mx为自控终点在纵向上的系统误差,mz为自控终点在侧向上的系统误差,Ex为自控终点纵向散布标准偏差,Ez为自控终点在侧向散布标准偏差。即反舰导弹落入以(mz,mx)为中心,长为6Ex、宽为6Ez的长方形内的概率为0.9946。
2)目标散布误差(Rs)
遥感卫星定位误差(dT)和目标运动误差(dJ)又可以合成为目标散布误差(Rs),其定义为
Rs=dT+dJ
目标最大散布范围的面积
其中遥感卫星定位误差为卫星提供的目标定位最大误差;目标运动误差为从卫星探测到目标至导引头开机搜索的时间内,目标运动的最大距离。假设自目标探测时刻到导弹到达自控终点末制导雷达开机的间隔时间为T,则时间T包括从遥感卫星获取目标时刻到信息传输到武器平台用于发射的时间间隔为T1,舰载导弹指控系统接收到目标信息到发射离舰时间T2,反舰导弹末制导雷达导引头开机时间T3,即T=T1+T2+T3。
其中导弹自控飞行时间
T3=(SM-Ss)/Vd;
即
4.3 卫星观测捕获概率定义
导弹末制导雷达开机时的目标搜索态势直接决定了导弹能否快速有效捕捉到目标,根据“导弹-目标”区域散布时空关系,搜索区的态势及“导弹-目标”区域散布几何相对关系,包括如下两种基本情况。
1)目标散布区远小于导引头搜索面积
当目标散布区很小,而末制导雷达搜索范围较大时,即如图所示。
由上图可见,此种态势出现的前提条件是目标散布范围的半径Rs 图2 目标散布范围较小时的搜索态势 2)雷达搜索面积可以部分覆盖目标散布区 当Rs>Ds×tanα,此时导引头一个搜索周期便能够覆盖目标散布区,如图3所示,O为导弹发射点,S点位末指导开机搜索点,M为目标现在点,目标的散布运动范围可视为半径为Rs圆的均匀分布,圆落在搜索扇面内的面积为SABCD,SABCD与圆的比值即为捕捉概率。 图3 雷达搜索覆盖目标散布的搜索态势 为了简化计算,将图3近似等效成图4,以计算SEFGH的面积代替SABCD。 图4 目标散布范围等效计算 为了便于计算,先求β,显然0°<β<90°,则 由此算出: 导弹捕捉目标概率P可由末制导开机搜索扇面覆盖到的面积与目标散布范围面积的比值得到,即 P=SEFGH/S 假设单枚导弹对单目标进行打击,不考虑干扰对抗的条件下,计算单枚导弹利用遥感卫星对目标进行捕获过程。反舰导弹的有关参数如下,SM=480km,Ss=45km,导弹的平均速度Vd=0.6Ma,导引头搜索范围α选择40°,发射准备时间T2=60s,导弹自控终点散布的系统偏差mx=5km,mz=1km,目标舰艇的机动速度为24kn/h,即44.45km/h。 假设遥感卫星所能提供不同的目标定位误差,考虑遥感卫星从发现目标时刻,直至到目标引导信息分发至导弹火控设备的时间间隔为3、5、10、15、20分钟,则导弹对应的捕获概率表1所示。 表1 遥感卫星不同精度、时延下的目标捕获概率计算 表1给出了遥感卫星在不同精度、时延下对应导弹的捕获概率。若将延迟时间固定,例如选取3min延迟时间,对卫星定位误差和捕获概率的关系进行分析,如图5所示。 图5 定位精度与捕获概率关系 从分析结果可以看出,随着遥感卫星定位误差的增大,导弹捕获概率显著下降。 若将定位精度固定,例如选择5.5km的定位精度,对卫星观测目标数据传递时延与捕获概率的关系进行分析,如图6所示。 图6 目标数据传递时延与捕获概率关系 从分析结果可以看出,随着目标信息延迟时间的增加,对应的捕获概率也逐步降低。 从上述计算可以看出,即使在定位误差最大(15.5km),延迟时间最长(20min)的情况下,依然可以满足捕获概率大于75%。由此可以初步分析,利用遥感卫星提供反舰导弹发射目标信息具备一定的技术可行性。 本文对影响反舰导弹目标捕获的主要因素定位误差和延迟时间进行了影响分析,计算了不同定位误差和时延下的反舰导弹捕获概率,初步分析了利用遥感卫星提供反舰导弹目标信息的可行性。
