巡航导弹制导技术的现状及发展趋势分析

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导读:巡航导弹是指以巡航状态在大气层内飞行的有翼导弹。巡航导弹的最大特点就是打击精度高,而其制导方式是影响性能的关键。目前巡航导弹的基本制导方式是飞行初段采用平台惯性导航,中段为平台惯导+地形匹配+卫星导航,末段为平台惯导+景象匹配导航。随着各国对巡航导弹认识的提高和各种反巡航导弹手段的出现,采用以上制导方式的巡航导弹在实战中的威力受到了一定的影响。例如,在2003年的伊拉克战争中,就有多枚战斧巡航导弹偏离目标,其整体打击效果不如以往的“沙漠风暴”和“沙漠之狐”等行动。为此,包括美国在内的许多国家一直在对精确制导

巡航导弹是指以巡航状态在大气层内飞行的有翼导弹。巡航导弹的最大特点就是打击精度高,而其制导方式是影响性能的关键。目前巡航导弹的基本制导方式是飞行初段采用平台惯性导航,中段为平台惯导+地形匹配+卫星导航,末段为平台惯导+景象匹配导航。随着各国对巡航导弹认识的提高和各种反巡航导弹手段的出现,采用以上制导方式的巡航导弹在实战中的威力受到了一定的影响。例如,在2003年的伊拉克战争中,就有多枚战斧巡航导弹偏离目标,其整体打击效果不如以往的“沙漠风暴”和“沙漠之狐”等行动。为此,包括美国在内的许多国家一直在对精确制导武器技术进行研究。


现有巡航导弹的制导方式


国外巡航导弹采用的制导方式见下表。


由表中我们可以看出,巡航导弹的中制导方式仍然是惯导+辅助导航系统。由于美国军用GPS具有相当高的精度并且使用相当方便,美国和其它一些西方国家都在中制导段采用GPS作为惯导的辅助导航系统而不再采用地形匹配,在末制导方面则多采用数字景象匹配区域相关、雷达、红外以及雷达/红外双模制导等,但这些制导方式都存在着诸多不足。


现有制导方式的缺陷


1地形匹配

(1)任务规划周期长

使用地形匹配作为中制导的巡航导弹在发射前要对被攻击目标以及沿途经过的地形地物特征进行卫星或航空拍摄,在地形匹配飞行区域内选出一条合适的飞行路线,并在多个匹配区域内预先侦测地形高度并绘制出数字地形图,将卫星拍摄的照片放大成与巡航导弹飞行高度相对应的图像,然后把上述资料编成相应软件存入弹上计算机。这两项工作量大而繁琐,需要大量硬件设备支撑,先后耗时近一个星期左右才能完成。


(2)导弹使用的灵活性差

由于对地形起伏特性有特殊要求,不适于在平原、海面等地形起伏小的地区使用,限制了导弹使用的灵活性。特别是在可匹配地形较少的情况下,巡航导弹的可选飞行路线就会很少,甚至只能沿一条路线飞行,使敌方很容易判断后续导弹的飞行路线而加以拦截,从而增加了损失。据报道,由于美国在海湾战争前没有为攻击伊拉克准备地形匹配数字地图,在战争开始后,大部分战斧巡航导弹分6批沿着同一条航线一枚接一枚地飞向目标区,而不是同时从不同方向飞向目标。


(3)抗干扰能力差

巡航导弹在预定匹配区的离地高度值是地形匹配修正惯导偏差的主要依据,而雷达高度表是实现地形匹配的关键设备。如果雷达高度表所测得的离地高度值偏差较大的话,那么地形匹配就无法实现修正惯导的目的。例如,目前美国巡航导弹所使用的AN/APN194前沿脉冲雷达高度表由于受巡航导弹体积重量的限制,几乎没有采用任何抗干扰措施,因此很容易对这类雷达高度表实施电子干扰。


(4)难以攻击机动目标

导弹发射前要由任务规划系统将攻击目标所需数据输入制导计算机,作战时如果需要改变攻击目标,必须重新输入确定航迹的数据,需要几个小时的准备时间。


另外,地形匹配系统本身还会由于地形、季节和天气变化而使得输入信息老化而迷航。


2GPS


尽管GPS在正常工作的情况下具有很高的精度,但它的抗干扰能力很差,对于接收信息的可靠性难以进行验证,还有可能被信号模拟(电子欺骗)所诱骗。


巡航导弹所用GPS接收机的信噪比多为54dB,很容易受到各种因素的影响,包括太阳电离层暴和蓄意干扰等。据称,输出100mW的全向天线干扰机可以对16km范围内使用GPS的巡航导弹和其它精确制导武器造成严重干扰;输出100W的全向天线干扰机可使1000km范围内该种武器的GPS受到干扰。因此,美军担心“只要敌方装备了简易的干扰机,就很容易破坏美军利用精确制导武器进行外科手术式打击的能力”。在2003年的伊拉克战争中,美国多次指责俄罗斯一家公司向伊拉克提供了GPS干扰机,致使多枚战斧巡航导弹偏离预定航迹。


另外,非美国盟友的国家在战时使用GPS是很不可靠的,甚至是危险的。尽管美国已经宣称取消了选择可用性(SA)政策,但在战时是很容易恢复的,而且有资料表明美国的GPS系统可以实现在部分区域内的民用码不可用而军用码正常使用,在我国某些区域也曾出现过可以正常接收到卫星信号而无法进行定位的情况。


3景象匹配


环境对于末段景象匹配的影响是很大的,如景物的反射率和辐射率的变化、云和太阳投射角的变化所引起的阴影和景物的遮挡效应以及在基准区域中实际景物的变化等。所有这些因素都将引起景象匹配实时图全部或部分网格的灰度值变化,从而影响匹配结果。

人为的干扰会对景象匹配的效果产生更大的影响。在科索沃战争中,南联盟就曾利用燃烧废旧轮胎的办法对敌方的巡航导弹进行干扰,使其末段数字景象匹配系统丧失作用。


4红外末制导


(1)易受欺骗

在海湾战争中伊拉克用胶合板硬塑料铁皮等材料制作了大量导弹发射装置假目标并在其内安装了热源无线电应答器和金属角反射器,有效地对抗多国部队的红外末制导精确制导武器。据报道,在海湾战争初期这些假目标曾吸引了美国50%的空地弹药。


(2)在激光武器照射下易失去目标

在末制导段采用强激光束对巡航导弹进行照射,可使弹上的CCD传感器或红外成像导引头饱和,从而失去精确制导能力。


(3)易受烟幕干扰

烟幕中大量的微小颗粒对可见光和红外辐射起吸收和散射综合作用,把入射的红外辐射衰减到光电瞄准探测系统不能可靠工作的程度。当目标产生的红外辐射通过遮蔽烟幕的透过率小于5%时,被动红外成像系统将无法显示完整的目标图像。遮蔽烟幕可以使热成像系统光电转换后的信噪比减小到使其得不到清晰图像而起到对红外成像的干扰作用。对于美国的AGM-129B和战斧多任务导弹以及法国的APTGD等巡航导弹,烟幕干扰可使弹上的红外成像器件难于获得地面目标景象,从而不能发现和攻击目标,使导弹失去精确制导能力,命中精度大大降低。


另外,红外成像的热图像只相当于单目观察而无立体感,其实质只是一幅单色辐射强度分布图,加之热图像与可见光图像的差异,给目标识别带来一定的困难。


未来发展趋势


1采用抗干扰的GPS导航


据报道,由于GPS系统抗干扰能力较弱,特别是受到“倒萨”行动中多枚巡航弹偏离航线的影响,美国准备在未来几年内对现有的GPS系统进行改造,将其抗干扰能力提高100倍。如果此目标达到,那么未来美国等国家的巡航导弹必然会采用这种增强抗干扰性能、保密性能的GPS接收机。


2多模复合及智能末制导


对于巡航导弹,最终影响其精度的是末制导。目前的末制导方式大体上分为单模制导和双模/多模制导两类。单模制导方式有很多,可以根据作战任务和战场情况的不同选择不同的制导方式。例如,反舰导弹多采用主动雷达制导;对陆攻击的巡航导弹大都采用景象匹配;在攻击发电厂等目标时,则多采用红外导引头等。随着攻击时遇到的对抗层次的增多和对抗手段的多样化,单模制导方式已难以完成作战使命。因此,必须发展多模复合制导方式和智能化导引头。多模复合制导并不是这些制导方式的简单组合。它从信号检测、信号处理的角度考虑,运用数据融合技术综合不同信号源的信息来克服单传感器系统所固有的缺陷,利用不同传感器的数据互补和冗余,为目标识别提供更多可利用的判别信息和指令信号。目前各国常用的或在研的复合寻的制导系统主要有2~18GHz的射频雷达/毫米波雷达、2~18GHz的射频雷达/红外成像、主动毫米波雷达/红外成像和激光/红外成像等。


随着多模传感器、集成电路以及计算机软硬件等技术的发展,智能制导将是未来精确制导的发展趋势。智能导引头采用多模或复合成像传感器,利用多个传感器获取的信息,应用人工智能自适应技术进行自动目标探测和识别,实现精确命中目标。智能导引头的反应速度快,制导精度高,抗干扰能力强,效费比高,非常适应未来高技术的复杂作战环境。美俄等国家都很重视这方面的研究。未来的智能化寻的制导的主要技术要求有:


——能在充满各种干扰的战争环境中全自动探测、搜索和识别视场中的全部目标,捕获多个目标并进行实时多模跟踪;


——能够综合利用多种信息,对多传感器和复合传感器探测的数据进行融合处理;


——采用具有规划、理解、推理和学习功能的计算机,能够模仿专家解决问题时有效而复杂的思维活动,使智能制导系统能在瞬息万变的战争环境中进行判断和决策,自动跟踪目标;


——具有对故障、干扰和环境进行综合决策的能力。


智能导引头智能化的核心是智能化的信息处理技术,它在很大程度上依赖于软件和信息处理方法。这就要求信息融合技术在现有的硬件和传感器水平上,寻求新的特征层融合算法、决策层算法和传感器自动复合策略,从理论上形成一套复合寻的制导信息融合方法。如何将神经网络人工智能、小波变换等各种信息处理方法引入智能寻的制导信息融合技术中正在引起人们的高度重视。


3利用卫星/视频数据链技术


在努力提高巡航导弹自身智能技术的同时,利用其它武器控制平台为导弹提供各种战场信息也是包括巡航导弹在内的未来精确制导武器的一个发展方向。例如,计划在2005年部署的战斧多任务导弹将具有两条数据传输线,即双向卫星数据传输线和视频数据传输线。这些传输线路将使飞机或其它控制平台能够精选导弹的瞄准点,并能观察导弹所攻击的目标,从而使得巡航导弹具有实时目标/瞄准点的选择、目标的自动末段攻击及执行多种任务的能力。在反水面作战任务中,视频数据传输线可以从中立的舰艇中分辨出所要攻击的敌舰,并使导弹能攻击港内的舰艇;在对陆攻击任务中,视频数据传输线将确保导弹攻击预定的目标,然后提供攻击损伤评估。当不知道目标的确切位置时,可向可疑地区发射导弹,由遥控飞行器标定目标并用激光照射,导弹响应后实施攻击。也可以向预定目标发射第二枚导弹,由它通过数据链反馈损伤评估信息。如果第一枚导弹未摧毁目标,则通过数据链控制第二枚导弹继续攻击目标。如果轰炸破坏评估表明目标已被摧毁,可重新控制导弹攻击其它目标。这种瞬时损伤评估能力,可使规划人员减少一次特定攻击任务中所需的导弹数。


另外,未来的巡航导弹不必具有相同的能力,多数导弹只需在指定条件下抵达目标就可以了,因此制导和任务软件就可以相对简单一些。利用巡航导弹领弹执行进攻前的目标定位,并通过数据链传递这些数据,这样紧跟其后的“较笨”的巡航导弹便可以使用领弹的目标定位数据进行攻击。因此,巡航导弹领弹应是可回收的,尺寸与外形类似于一般的巡航导弹,采用长寿命的发动机,战斗部换成燃料,可以执行无人驾驶飞行器和遥控飞行器的任务。


4提高攻击机动目标和隐蔽目标能力


通过对多次局部战争中巡航导弹的攻击效果统计数据的分析可以看出,尽管巡航导弹总的命中概率可达到80%以上,但多是攻击固定目标,而对于机动性强的小型目标或临时目标则效果较差。例如,在“沙漠之狐”行动中,巡航导弹的命中率为87%,但摧毁和重创率却不超过60%,尤其是对地面机动目标和隐蔽目标的摧毁率可能只有10%左右。


今后可能采取的改进措施有:


——利用多光谱和超频谱光学探测器,使用分离很细的各个小段频谱识别目标,但这种方法易受天气影响,价格贵。


——利用安装在卫星上的合成孔径雷达成像,通过数据链传输给巡航导弹。合成孔径雷达成像不但可以绘出粗略画面,提供更多的频率和从不同角度照射,还可以探测出信号相位和极化方式的变化。同时,由于把雷达放到了天上,使其具有很好的机动性,一方面分析人员可以从不同的角度观察目标;另一方面卫星的出现不好预测,敌人目标无法隐藏。在建造低成本、跟踪动目标的雷达卫星方面主要有以下几种方案:发射添加燃料的飞行器给每颗卫星加燃料;研制替代燃料;利用天上拖船把卫星推向需要的位置;在不固定的轨道上设立加油站,卫星可以飞过去加燃料。


——利用前面提到的双向数据链将导弹获取的数据送回控制平台处理。例如战斧多任务导弹就设计成能够从卫星、预警机、无人机和岸基通信设备上实时接收重新确定打击目标的命令和数据,在飞行过程中改变方向,攻击新的机动目标。


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