1、基于认知多模复合制导的中段反导作战运用及关键技术 季军亮 汪民乐 田海林 孙青 空军工程大学防空反导学院 火箭军工程大学 摘 要： 系统地介绍了认知多模复合制导的基本概念、体系架构及其运行原理。从知识学习积累、制导方案优化调整及作战运用灵活性三方面, 讨论了认知多模复合制导的特殊优势。以拦截洲际弹道导弹进袭为例, 详细地阐述了基于认知多模复合制导的典型中段反导作战运用流程, 并在此基础上提出了自适应机器学习的中段目标跟踪识别技术等 7 项基于认知多模复合制导的中段反导关键技术。关键词： 认知; 多模复合制导; 中段反导; 作战运用; 收稿日期：2017-05-31Received： 2017-
2、05-31引言当前, 对弹道导弹拦截的认识多为“三段四层”, 即主动段、中段、末段拦截。相较于主动段和末段, 弹道导弹在中段具有飞行时间长、姿态稳定、弹道相对固定等特点, 这些特征为反导拦截方提供了更多的作战准备时间与可拦截次数, 且由于此时弹道导弹飞行高度高、距离地面掩护目标远, 可对地面掩护目标形成面防御的态势, 因此, 中段反导也就成为极具前景的研究领域。由于中段反导作战空域往往在大气层外 (近程及部分中程弹道导弹除外) , 此时目标高速飞行、综合特征相对较弱, 且在中段后期往往伴有电磁干扰、假目标等战术对抗措施, 若要确保对弹道导弹以较高的毁伤概率实施拦截, 自然就对中段反导系统提出了
3、相当高的要求1。拦截弹飞行制导作为中段反导作战的核心环节与关键要素, 在拦截链中扮演着“高权重”的角色, 制导方式的优化设计对拦截毁伤概率有着近乎决定性的影响。本文提出一种基于多模认知复合制导的中段反导系统 (特指地基中段反导) , 并系统地论述了其作战运用流程与涉及的关键技术。1 认知多模复合制导的概念为系统地理解多模认知复合制导, 首先介绍认知、多模复合制导等有关概念及其内涵和外延。1.1 基本概念1.1.1 认知所谓认知, 顾名思义是认识进而知道、了解, 这个概念最早来源于认知无线电, 认知无线电是一种智能化的频谱共享技术。其基本原理是:一个无线电信号能感知某一频段是否空闲, 若空闲便占
4、用该频段, 如果该频段的最初用户重新使用, 则该无线电信号即跳转至另一个频段, 或保持在该频段, 但通过改变自身传输功率或调制方式来避免互扰2。2010 年, 为了对抗自适应跳频技术, 美军开始发展行为学习型自适应电子战项目, 目的是研发一个能够自主学习新威胁的电子战系统 (BLADE 系统) 。该系统采用新颖的算法和技术, 通过主动与周围环境互动, 学习记录威胁特性, 实施并对应对措施进行评估优化, 继而自适应地对抗新的射频威胁3, 其工作原理如图 1 所示。由以上介绍可知, 认知技术主要强调智能化、自适应和自动化, 尤其注重近实时、动态学习和经验积累能力。1.1.2 多模复合制导导弹制导是
5、按照一定的导引规律控制导弹飞向目标所需的信息收集、变换和指令执行的过程4。用于导弹的制导方式很多, 发展至今的主要导引模式有惯性制导、红外制导、雷达制导、激光制导、全球定位系统 (GPS) 制导、电视制导等。这些制导方式各有不同特点, 适用于不同的战场环境和作战样式, 然而随着导弹武器作战空间的不断拓延及对制导精度要求的提升等, 任何单一制导模式都难以满足日趋复杂的战场环境要求, 具有很大的局限性。因此, 多模复合制导技术越来越受到人们的重视。从技术视角来说, 多模复合制导包含两层意义:一是导引头的多种模式组合 (即多模制导) , 以此来提高导弹导引头的测量精度和抗干扰能力;二是在导弹飞行弹道
6、不同阶段制导方式的组合 (即复合制导) , 根据导弹在各飞行阶段的特点寻求最佳制导方式或制导方式组合, 以满足预想毁伤效果所要求的制导精度。由于导引头制导阶段也属全弹道制导组成部分, 因此, 多模复合制导可统一理解为多种传感器在导弹上的复合应用, 利用多种探测手段获取目标信息, 经数据融合处理后获取目标的综合信息, 从而进行精确的目标探测、识别和跟踪, 是一种多模式或工作体制的制导方式协同完成导弹制导任务的制导方式, 按组合形式不同可分为串联、并联及串并联复合制导。目前, 常用的复合制导组合有中制导段 (GPS+惯性导航系统 (INS) 复合制导) +末制导段导引头制导或中制导段 (无线电低速
7、指令+INS 复合制导) +末制导段导引头制导, 常见的导引头组合方式有双模 (双色) 光学复合导引头、毫米波/红外成像双模导引头、射频/红外双模导引头等5。图 1 BLADE 系统工作原理 下载原图图 2 认知多模复合制导系统体系架构 下载原图1.2 认知多模复合制导系统组成及其优势认知多模复合制导系统不是认知与多模复合制导的简单结合, 而是两者功能要素的有机融合与系统集成。1.2.1 认知多模复合制导系统体系架构及工作原理1) 体系架构认知多模复合制导系统主要包含信息测量模块、传感器模块、认知总控模块、制导指令生成模块、拦截效果评估模块五部分, 体系架构如图 2 所示。信息测量系统作为弹上
8、测量设备, 其主要功用是感知导弹状态, 如速度、姿态、位置等信息;传感器模块含外部传感器和弹上传感器, 弹上传感器是指各类工作体制的导引头, 除弹上传感器以外的制导回路传感器均为外部传感器;认知总控模块是认知多模复合制导系统的核心组成部分, 内含高能数据处理子模块、动态知识学习库和认知分析子模块三部分, 高能数据处理子模块的主要功能是接收其它模块回传的信息经融合处理后向其它相关模块发送执行指令, 认知分析子模块主要功能是接收经高能数据处理子模块处理过的目标信息、环境信息等, 并运用遗传算法、神经网络等现代智能算法对这些信息进行分析处理, 同时将处理结果回传至数据处理模块, 动态学习知识库可为认
9、知分析子模块和高能数据处理子模块提供先验知识, 并利用数据处理子模块的反馈信息进行知识库的动态更新;拦截效果评估模块含战后评估和过程评估两部分工作, 战后评估是对反导拦截作战效果进行评估, 而过程评估是对不同制导方案的拦截作战效能进行的先评价, 进而为制导方案优化选择提供支持。2) 工作原理导弹发射前各类传感器对指定空域的目标和环境进行探测, 并将获取的目标和环境特性信息实时回传至高能数据处理子模块, 经数据处理子模块融合处理、分类整合后, 传至认知分析子模块。该子模块通过模糊聚类、神经网络等自适应信号处理算法归纳出信息特征, 同时调用动态学习知识库内原有的信息进行比对匹配。若特征匹配, 则直
10、接调用, 否则, 确认新的目标和环境信息, 同时通过高能数据处理子模块将该信息存储至动态学习知识库, 促使动态学习知识库的信息更新。目标和环境信息确认后, 由认知分析子模块提出导弹制导方案, 该方案含各阶段制导方式及相应制导律、制导段之间的交班时间等, 并由拦截效果评估模块对基于方案的拦截作战效能进行预先评价和优化完善。导弹发射后各类传感器对目标进行不间断探测, 认知总控模块、拦截效果评估模块等重复发射前工作步骤, 并根据目标和环境实时特性信息, 如有无多目标、电子干扰、目标机动等, 对制导方案进行实时调整, 进一步优化各制导段制导方式的组合形式及工作模式等直至拦截弹与目标遭遇。期间, 认知分
11、析子模块不断将学习的目标及环境特征信息更新至动态知识学习库。1.2.2 认知多模复合制导系统优势认知理论与技术应用于导弹多模复合制导, 可使多模复合制导技术发生质的飞跃, 其主要特征体现在以下几个方面。1) 主动感知作战环境, 实时目标记忆学习。认知多模复合制导回路中传感器探测与传统传感器探测相比, 具有根据认知需求主动感知作战环境和目标的功能, 同时还具备近实时的动态学习和经验积累能力, 如在现有知识库的基础上, 近实时、动态识别新出现的未知目标和环境信息, 对其进行详细分析, 并将分析结果用于知识库的更新。这样, 在面临新的作战环境时, 认知多模复合制导系统即可快速适应该环境。2) 自适应
12、制导策略分析, 制导方案实时调整优化。明确目标和环境信息后, 认知分析子模块即可通过自动调用动态学习知识库信息生成制导方案, 或根据原有知识积累对目标环境进行系统分析生成制导方案, 同时又能依据实时获取的目标和环境信息, 对各制导段制导方式复合形式和工作模式进行调整优化, 以达到基于作战目的的制导策略最优。3) 拦截效果评估反馈, 作战使用灵活多样。无论发射前, 还是发射后, 拦截效果评估模块都将对制导策略进行预先评价, 以发现制导方案的不足, 进而对其进行优化改进, 并且这种评估是根据认知总控模块指令全程动态开展的。也正是由于拦截效果评估反馈机制, 使得拦截策略可根据指挥员作战意图, 对拦截
13、效果评估的约束条件和目标进行修订, 以此实现作战运用的灵活性和多样性。2 基于认知多模复合制导的典型中段反导作战运用流程在“三段四层”反导拦截中, 相对于主动段和末段来说, 导弹中段飞行时间最长。以全程飞行时间为 30 min 以上的洲际弹道导弹来说, 主动段飞行时间仅为34 min, 再入段小于 1 min, 其余 2530 min 均为中段惯性飞行6-7。导弹中段在飞行时间上的特性, 使得对时间有所要求的认知多模复合制导在中段反导拦截中应用成为可能, 且由于中段反导拦截弹的远射程、大载量特征, 使弹上多类型传感器结构集成更易于实现。现以拦截单枚弹道导弹进袭为想定, 介绍基于认知多模复合制导
14、的中段反导系统拦截作战流程, 如图 3 所示。敌方弹道导弹发射后, 具备探测条件的过顶红外导弹预警卫星首先发现导弹尾焰红外信号, 在卫星进行导弹来袭方向、落点区等初步预警的同时将预警信号传输至区域联合防空反导指挥中心;接预警信息后, 区域联合防空反导指挥中心调用地 (海) 基远程预警雷达对来袭空域进行综合探测, 并对多源传感器的预警信息进行融合处理, 进一步明确来袭导弹类型、弹道、落点等详细信息, 同步确定目标分配方案即指定某部中段反导系统对来袭弹道导弹进行拦截8;当来袭导弹进入中段反导系统配属预警雷达和跟踪制导雷达探测区后, 雷达系统对弹头及其分离目标进行持续探测跟踪, 经认知总控模块对目标
15、和环境交互学习, 并通过拦截制导策略评估优化后, 确定拦截弹制导方案;根据明确的制导方案, 中段反导系统对拦截弹及相关设备进行数据加载, 主要含各制导段制导方式组合形式、工作方式、运行模式及对应导引律等;来袭导弹进入发射窗口后即发射拦截弹, 认知总控模块不间断接收各源传感器信息, 同时根据目标机动、干扰等情况变化, 指令传感器主动感知相关信息, 并适时优化调整拦截弹制导方案, 向拦截弹控制系统发出弹道修正和瞄准数据控制指令, 直至拦截弹和目标遭遇。3 基于认知多模复合制导的中段反导关键技术推进基于认知多模复合制导的中段反导作战工程化实现, 有很多技术问题需要突破, 其中关键技术主要有以下几项:
16、1) 总体设计技术图 3 中段反导系统拦截作战流程示意图 下载原图基于认知多模复合制导的中段反导大大增加了系统设计的复杂性, 尤其是认知技术的融入, 使得弹上和地面系统设计更多地呈现出迭代性、互动性和智能化的特点。总体设计所要解决的核心问题是在综合考虑拦截弹作战使命、弹体结构、导弹尺寸、目标特性及效费比等前提因素下, 确定导引头模式、工作频段、复合方式、技术参数等, 以实现系统总体设计的鲁棒性与最优化。2) 自适应机器学习的中段目标跟踪识别技术弹道导弹在中段惯性飞行的中后期往往会释放诱饵等伴飞物, 且真假目标综合特性相近。为准确拦截弹头, 基于自适应机器学习的跟踪识别技术就成为认知多模复合制导
17、的关键技术。只有传感器从目标和环境中获取有用信息, 才能从真假混合目标群中识别弹头, 进而为有效拦截提供支撑。而有用信息的判别是通过认知分析子模块经过学习积累的过程分析得到的。因此, 该技术的突破在于自适应机器学习算法的开发。3) 多模传感器集成技术多模复合制导尤其是末制导段并不是将两个单模传感器简单地放在一起, 而是必须根据传感器之间的相互约束性及作战应用场景, 在结构、安装位置、分系统布局等方面作统筹规划。此外, 还应考虑随着传感器数量的增加, 系统总功耗上升;随着探测信息量的增加, 高能数据处理子模块的载荷加重等问题。4) 多源数据融合技术多模复合制导可以看作是一种利用多传感器感知目标信
18、息, 然后通过信息综合来获得更加精准信息的一种方法, 该方法是以数据融合技术为基础, 结合制导信息提取的特殊性, 为导弹的生存能力和抗干扰能力提供更好的保障。因此, 通过对多源数据进行融合获取最优信息集就显得尤为重要。5) 结构集成技术多模复合制导要求必须在有限空间内同时兼顾多种导引模式, 如在一个位标器上集成激光、红外和雷达三种探测系统, 且三者应能够同时独立工作, 又不相互干扰。另外, 为提高制导模式选择冗余度, 以提高拦截弹制导精度和复杂条件下的应对能力, 在允许条件下应尽可能将所需制导模式进行大集成。如此, 导弹空间的有限性和多种模式的相互独立性这对矛盾, 就急需有效的结构集成技术进行
19、优化设计。6) 制导过程一致性和模式间切换平稳性技术认知多模复合制导的一个显著特点就是根据目标和战场环境的实际情况, 自适应优化调整制导方案, 方案的调整不仅包括不同制导段的工作模式, 还包含同一制导段几种制导模式的复合方式, 以及遇到中段目标释放干扰、机动等非配合因素时, 不同模式的切换和导引律配属问题, 这都将不可避免地出现模式切换所带来的弹道抖动, 严重时甚至增大制导精度丢失目标。如何确保弹道全程的一致性和模式间切换的平稳性, 是后续必须直接面临的问题9。7) 人在回路介入干预认知多模复合制导是基于智能算法的复合制导技术, 从实际复杂情况处理方面来说有一定的局限性, 为减小这种局限性所带
20、来的负面影响, 制导回路中须加入人工干预因素。为增强人工干预介入的正面涌现性, 人工因素的介入环节、介入时机、交互界面设计等都是亟待解决的问题。认知多模复合制导技术应用于中段反导作战是一个系统工程, 所涉及的技术问题包含多领域、各层次。除以上关键技术外, 还有材料、信息接口/协议等, 此处不再一一论述。4 结束语随着弹道导弹现实威胁的不断加剧, 中段反导必将备受关注, 中段反导系统研制列装的步伐也会持续加速。认知技术通过在电子战领域的工程化实现和实战运用, 其特殊优势已尽显无遗。中段反导拦截作战的复杂性和特殊性决定了认知多模复合制导技术在其中应用的必然趋势, 预先开展基于认知多模复合制导的中段
21、反导作战理论和技术研究, 可为后续工程化实现和实战运用打下良好基础。本文对基于认知多模复合制导的中段反导作战运用及关键技术进行了理论综述, 后续将重点加强其所涉及关键技术的研究攻关。参考文献1胡志强.从末端到中段弹道导弹反导述评.飞航导弹, 2013 (10) 2李俊清.认知无线电发展探析.现代通信技术, 2013 (3) 3Haykins S.Cognitive radar-the way of future.IEEE Signal Processing Magazine, 2016 (23) 4杨建军.地空导弹武器系统概论.北京:国防工业出版社, 2015 5杨祖快, 刘鼎臣, 李红军.多模复合制导应用技术研究.导弹与航天运载技术, 2014 (3) 6倪丛云.认知电子战系统组成及其关键技术研究.舰船电子对抗, 2013 (3) 7鲜勇.弹道导弹中段机动突防技术研究综述.飞航导弹, 2015 (9) 8斯文辉.对 GMD 系统拦截时机与空域的分析与研究.火力与指挥控制, 2011 (5) 9马拴柱, 刘飞, 曹泽阳.地空导弹射击学.西安:西北工业大学出版社, 2016
