精确制导技术与精确制导武器

一、精确制导 技术与精确制导武器

(一)精确制导技术

制导技术是指按照特定基准(规律)控制武器和飞行方向、姿态、高度和速度,引导其战斗部准确攻击目标的军用技术。

精确制导技术是利用探测器和敏感装置获取被攻击目标的信息特征(如目标反射的自然光或夜光,目标反射、散射或辐射的红外线、无线电波或声波等物理现象),对目标进行判断识别,并精确定位和跟踪。

精确制导武器是采用精确制导技术,直接命中概率在50%以上的武器。

(二)精确制导方式

导弹是依靠自身动力装置推进、由制导系统导引和控制其飞行路线并导向目标的武器。一枚完整的导弹必须具备战斗部、动力装置、制导系统和它是一个飞行器这四个要素,缺一不可。例如,人造卫星的运载火箭因其有效载荷不是战斗部,不能称为导弹;制导炸弹因缺少动力装置这一要素,不能称为导弹;火箭弹因缺少制导系统这一要素,不能称为导弹;制导鱼雷因不具备飞行器功能,也不能称为导弹。

导弹制导系统主要分为自主式制导、遥控式制导、自动寻的式制导和复合制导四大类。

1.自主式制导

自主式制导,控制导弹飞行的导引信号不依赖于目标或制导站,而仅由导弹本身安装的测量仪器来测量地球或宇宙空间的物理特性,从而决定导弹的飞行轨迹。也就是说,自主制导系统的测量装置、计算装置都在导弹上,由弹上的测量装置测量导弹的位置,弹上的计算装置计算控制指令,操纵导弹飞向目标。例如,根据物体的惯性,以测量导弹运动的加速度来确定导弹飞行轨迹的惯性制导系统;根据地形特点引导导弹飞向目标的地形匹配制导系统;根据宇宙空间的某些星体与地球相对位置来进行引导的天文导航系统;根据预先装好的程序控制导弹飞行的方案制导系统等。自主式制导的特点是制导方法完全自主,不需任何弹外的设备协同,因此,不易受干扰。由于制导程序是预先确定的,所以只适于攻击固定目标。自主式制导包括惯性制导、地形匹配制导和GPS制导。

(1)惯性制导。惯性制导系统是利用装在导弹上的惯性仪表测量导弹运动的速度和坐标,然后形成控制指令。它的基本原理是应用惯性加速度计,在3个互相垂直轴的方向上测量出导弹重心运动的加速度分量;然后用积分装置对加速度分量进行积分运算,获得速度分量;把速度分量再积分一次,获得坐标分量。由于导弹发射点的坐标和初始速度是知道的,因而可以计算出导弹在每一个时刻的速度、坐标。因此,惯性制导系统实际上是“利用惯性测量导弹位置的制导系统”。

惯性制导的全部工作均在弹上进行,由此带来一系列优点,如不易受外界干扰,不受距离限制,可全天候工作,可同时发射的导弹数量不受限制等,因此,在弹道式导弹上获得了广泛的应用。美、俄的地地中程导弹、地地洲际导弹和潜地导弹几乎全部采用惯性制导。惯性制导的缺点是积累误差随射程的增加而增大,因而制导精度不高。

(2)地形匹配制导。人会利用地图确定自己的位置,导弹也可以利用地图来制导。与我们常见的地图一样,地形匹配制导系统使用的地图也是反映了某一地区的地形特征。导弹飞过这一地区上空时,利用气压高度表测量自己的海拔高度,同时用雷达高度表测量自己与地面的距离,两个测量值的差就是地面的海拔高度。把飞行过程中测得的一系列地面高度值和预先存储在导弹上的地图相比较,如果一致,就叫匹配,说明导弹是按预定弹道飞行。如不一致,弹上计算机便自动算出偏差的大小,并发出修正指令,操纵导弹回到预定的航线上,这种制导方式称地形匹配制导。

为了提高导弹的命中精度,还可采用“景像相关制导”作为地形匹配制导的末制导。“景像相关”的基本原理是把目标的影像事先拍摄下来,经计算机处理成数字信息后,储存在弹上的计算机中。导弹飞临目标上空时,通过遥感装置直接观测目标影像,并转化为数字信息,与事先储存的目标数字信息进行比较,做出判断,然后发出向目标俯冲或修正弹道的指令。

(3)GPS制导。首先,GPS制导并不是严格意义的自主式制导。原因是它需要弹外设备的协同。GPS制导系统通过导弹上的“导航星”全球定位系统接收机确定自己的位置,方法是接收4颗GPS卫星发出的导航信号,测量传输时间,计算接收机相对4颗卫星的距离,从而获得三维坐标。

GPS制导的导弹可以攻击移动目标,这也是与其他自主式制导的重要区别。这时,需要制导站不断通知它目标的坐标,这与遥控制导系统又有一些差异。遥控制导系统的制导指令是在制导站计算出来,然后发给导弹,而GPS制导系统中制导指令是在导弹上计算出的,导弹接收的只是目标位置信息。

从近几次美军进行的战争来看,GPS制导武器的使用数量正在逐渐增加,尤其是在2003年的伊拉克战争中,美军在开战初期使用的绝大多数制导武器均为GPS制导。这主要是因为,与其他自主式制导相比,GPS制导的精度更高,而且不受飞行距离影响。与寻的制导、遥控制导相比,它的抗干扰能力很高。(https://www.daowen.com)

2.遥控式制导

遥控式制导是以制导站来测定目标和导弹的相对位置,提供导引信号的制导方式。根据导引信号形成情况,它又分为指令制导和波束制导两大类。遥控制导的导弹受控于制导站,其飞行弹道可以根据目标运动情况而随时改变。因此,它适用于攻击活动目标,在地空、空地、空空和反坦克导弹上使用较多。

(1)指令制导。导引信号由弹外的制导站发出,通过传输系统(有线或无线)传输到导弹上,导弹受此指令信号控制飞向目标。

一是有线指令制导。目视瞄准、手控跟踪、有线传输指令制导。这种制导常采用三点法导引。导弹发射后,射手用瞄准镜观测导弹偏离目标的程度和方向,然后操纵控制盒发出纠正导弹飞行的指令,指令沿导线传至导弹的控制装置。

这种制导的优点是设备简单,不易干扰;缺点是训练射手困难,受地形限制大,导弹飞行速度较低,射击的死角较大。

目视瞄准、红外半自动跟踪、有线传输指令制导。这种有线指令制导,增加了与光学瞄准具连在一起的红外测角仪。导弹发射后,射手用光学瞄准镜的十字线套住目标,红外测角仪能感受导弹曳光管发出的红外线与瞄准线的角偏差。这个偏差信号经过计算机形成控制指令,通过导线传至弹上,修正导弹飞行路线。这种制导方法已用在美国“陶”式、法国和德国合制的“米兰”“霍特”等第二代反坦克导弹上。这种制导系统的优点是操作简便,攻击的死角较小,命中率较高;缺点是受导线的限制。

二是无线电指令制导。无线电指令制导最常用的是无线电雷达设备制导。跟踪目标和导弹的雷达分别将目标和导弹的位置、距离和速度等参数不断地送给计算机,计算机计算出导弹轨迹的偏差并形成控制指令,然后由发送设备将指令发送给导弹,控制导弹修正飞行路线。

三是电视指令制导。电视指令制导由导弹上的摄像机、电视信号发射机及制导站上的电视信号接收机、指令仪、指令发射天线等组成。当导弹飞近目标时,摄像机在摄取目标及其背景图像后,通过发射机将图像信号用微波发送给制导站。站上操纵员从电视荧光屏看到目标和背景,只要操纵控制杆(采用追踪法导引时),使目标保持在荧光屏十字中央,指令仪就可将控制杆的动作变成指令信号,通过指令天线发送给导弹,引导导弹击中目标。

电视指令制导的优点是观察直观,在多目标情况下可以选择最重要目标进行攻击。其缺点是受天气影响,抗干扰性差,作用距离不大。美国“秃鹰”空地导弹就是采用这种制导方式。

(2)波束制导。在波束制导系统中,导引信号是由弹上测定偏离波束轴偏移量的装置和产生所需控制信号的装置来形成的。它分为雷达波束和激光波束两种制导。

一是雷达波束制导。利用制导站雷达天线的定向辐射,在空间形成一个狭窄的锥形旋转波束。波束自动跟踪目标,导弹沿波束轴线飞行,弹上制导设备能感知导弹偏离波束轴线的方向和距离,使导弹随着波束的摆动而移动,因此,波束制导也称驾束制导。通常采用三点法或前置点法进行引导。三点法仅用一部雷达,发现目标后,雷达波束始终跟着目标,导弹进入波束就随着波束的移动渐次移向目标。前置点导引法则利用两部雷达,一部跟踪目标并测得它的飞行数据,一部根据目标的飞行数据导引导弹。

雷达波束制导在早期的地空、岸舰导弹上应用较广,后因导弹容易脱离波束,并易受无线电干扰,故目前已很少采用。

二是激光波束制导。用激光发射器瞄准目标,不断发射激光波束,位于弹上的激光接收器不断接收目标反射的激光信号,自动计算对光束中心的偏差量,形成控制信号,将导弹导向目标。

激光波束制导设备简单,工作可靠,对方难以干扰,适于反坦克导弹使用。其缺点是受云、雾等天气影响大。

3.自动寻的式制导

“自动寻的”的意思是自己寻找、跟踪并击毁目标。自动寻的,通常是利用导弹上的接收装置接收目标所辐射或反射的某种能量而实现的,这些能量有红外线辐射、无线电波、光辐射、声波等。自动寻的制导多用于空空导弹、地空导弹上。根据能量来源不同,自动寻的制导可分为主动式、半主动式和被动式三类。

主动式自动寻的制导:由导弹主动向目标发射能量(电波、激光等),并接收从目标反射回来的能量,跟踪目标。

半主动式自动寻的制导:能量发自设在地面、军舰或飞机上的制导站,导弹被动地感受这种能量,跟踪目标。

被动式自动寻的制导:能量发自目标,导弹被动地感受这种能量,跟踪目标。

常见的自动寻的制导系统有以下几种:

(1)雷达自动寻的制导。把雷达装在导弹头部形成雷达导引头,这种制导通常为主动式。雷达导引头向目标发射电磁波,根据目标回波与导弹速度向量之间的夹角,自动判断导弹的速度向量偏离目标的程度,进而引导导弹飞向目标。

雷达自动寻的系统的优点是具有全天候性,可以实现全向攻击,制导距离比较远。它的缺点就像一切无线电制导系统一样,易受电子干扰,构造复杂,重量、尺寸大,成本也高。美国“不死鸟”、AIM-120、英国“空中闪光”等空空导弹和美国“霍克”、英国“警犬”等防空导弹以及绝大多数反舰导弹的飞行末段均采用雷达寻的制导。

(2)红外线自动寻的制导。制导装置装在导弹头部,通常称为红外导引头。它捕捉、利用目标辐射的红外线进行工作,属被动式制导。

红外制导系统的分辨力高,抗干扰性较强,设备简单,重量轻,尺寸小,因而成本也低。由于采用被动式,隐蔽性较好。缺点是受云、雾等天气影响大,并且不具备敌我识别能力。绝大多数近程空空导弹、近程防空导弹和便携式防空导弹均采用这种制导方式,例如,美国“响尾蛇”“小槲树”系列导弹、法国“魔术”系列导弹等,均采用红外自动寻的制导。

(3)电视自动寻的制导。电视自动寻的制导也属被动式,但不像红外制导那样广泛应用。目前用于美国AGM-65“幼畜”空地导弹上。

电视自动寻的制导的主要部件是一部电视摄像机。这种摄像机能把目标及背景的光像利用电子束进行扫描形成电信号。电视摄像机对目标的跟踪与雷达对目标的跟踪类似。

(4)毫米波自动寻的制导。毫米波是指波长为1~10毫米(对应频率为30~300吉赫)的电磁波波段。毫米波自动寻的制导也分为主动式、半主动式和被动式三种。它与雷达自动寻的制导的工作原理一样,不同的是一个工作在毫米波段,一个工作在微波波段。由于工作波段的不同,使得两种制导系统的特点也不一样。与激光、红外、电视制导系统相比,毫米波制导系统的特点是受气象和烟尘的影响小。现有光电制导系统的工作受雾、云、雪、冰雹等气象的影响,往往不能正常工作,而毫米波制导只受大雨影响,具有“有限的全天候能力”。在实战中,尘烟弥漫的战场环境对光电制导系统的效能造成严重影响,而毫米波可穿透尘烟保持精确制导。

4.复合制导

比较而言,自主制导不能攻击活动目标(GPS制导除外),但抗干扰能力最强;自动寻的制导最容易受干扰,但制导精度最高;遥控制导射程最短,可是弹上设备最简单。为了取长补短,现代导弹经常采用复合式制导系统,即导弹在飞行过程中采用两种或两种以上制导方式的制导系统。

我们以采用惯性制导+GPS+影像匹配制导复合制导的“战斧”巡航导弹为例,简单介绍一下复合制导的原理。首先,利用电子侦察卫星、电子侦察机、无人侦察机等事先对预定攻击的目标进行侦察、监视、测绘,并利用日光和红外光对目标外形进行拍摄,然后将这些目标转换成数字信息输入到导弹的弹载计算机中去,生成一条精确的航线。导弹发射后,便可按照既定的航线,利用24颗全球导航和定位卫星在飞行过程中进行自动导航、定位和修正航线。当导弹飞抵目标区上空时,弹上电视摄像机将实际拍摄的目标可见光图像与弹体计算机内存储的数字景物图像进行对比,产生制导指令,控制执行机构进行动作,使导弹准确识别和精确打击目标。

由于采用了这种复合制导方式,使得“战斧”巡航导弹的命中精度极高。其命中精度的理论值概率误差为6~10米,实际值为15~18米。1991年海湾战争中美军共发射288枚“战斧”巡航导弹,发射成功282枚,结果78%命中目标。1998年,美、英“沙漠之狐”行动中共发射了325枚“战斧”海射巡航导弹,90枚空射巡航导弹,共击中100个目标中的75个。其中摧毁目标10个,重创目标近20个,28个目标中度毁损,17个目标轻度毁损。由此可见,采用复合制导方式的精确制导导弹的作战效果是比较好的。

(三)精确制导武器的分类

精确制导武器包括精确制导导弹和精确制导弹药两大类。精确制导弹药与导弹的区别在于自身没有动力装置。

精确制导导弹是一种依靠自身的动力装置推进,由精确制导系统探测、处理、导引和控制其飞行轨迹,导向并命中目标的武器。

图示

导弹种类很多,可以从多种角度分类。一是按导弹发射点和目标位置分类,包括地对地导弹、地对空导弹、空对地导弹和空对空导弹;二是按作战使命分类,包括战略进攻、防御型导弹,战术进攻、防御型导弹;三是按导弹的射程分类,包括短程导弹、近程导弹、中程导弹、远程导弹、洲际导弹;四是按飞行弹道分类,包括巡航导弹和弹道导弹;五是按攻击的目标分类,包括反坦克、反舰、反雷达(反辐射)、反飞机、反卫星、反导弹导弹等。

自从制导武器问世以后,各种类型和各种作用的导弹层出不穷,制导技术也是千变万化,经历了数十场战争的检验,不乏各种制导武器成功应用的战例。在海湾战争中,美军和多国部队使用了防空导弹、反坦克导弹、巡航导弹等20多个品种,共发射2.1万多枚各类型导弹,投掷各种制导弹药1.55万多枚,共计7400多吨,其中第一天美军就发射100多枚“战斧”巡航导弹,命中率达98%以上。

精确制导弹药分为末制导弹药和末敏弹药两类。末制导弹药主要有制导炮弹、制导炸弹和制导地雷等,依靠自身的动力系统和导引、控制系统飞向目标;末敏弹药主要是一些反装甲子弹药,自身无动力装置,其弹道的初始阶段、中段多需借助大炮、飞机投掷。

(四)精确制导技术的发展趋势

1.制导技术向智能化转变

随着信息技术和电子计算机技术的发展,在制导武器上使用大型计算机的可能性大增,利用成像传感器替代人眼,用微处理器和各种软件模拟人的分析、判断、决策的过程,在一定范围内实现制导武器自动搜索、发现、识别目标并且定位,自动采用适合的方式攻击目标。

2.制导技术向高精度方向发展

在制导武器上广泛使用高精度制导技术的范围迅速扩大,激光制导、GPS制导、毫米波制导、红外寻的制导等技术将被运用到各种制导武器上。

3.制导技术向复合制导方式发展

由于单一制导方式易被干扰,命中精度低,因此许多国家都致力于发展复合制导的导弹,以提高导弹的抗干扰能力和提高导弹的直接命中精度。

总的来说,制导武器的发展将主要集中体现为提高制导武器的机动灵活性能;发展射程远、载荷大的导弹,以提高毁伤能力;提高导弹飞行速度和采用隐身技术加强突防能力。

图示