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精确制导技术发展现状与趋势_图文

控制与制导
精确制导技术发展现状与趋势
孙  江   李  刚   樊  浩

  摘  要  论述了精确制导武器在信息化战中的作用和
精确制导武器的涵义和主要研究内容 ,较全面地介绍了各种 精确制导技术原理 、优缺点及发展现状 , 最后对精确制导技 术的发展趋势做了说明 。
  关键词  精确制导技术   武器   优缺点   发展
现状与趋势
前  言 精确制导武器是在常规武器基础上发展起来的
一种现代化武器 , 现已成为信息化局部战争中物理 杀伤的主要手段 ,并在战争中发挥了重要作用 。它 是指是具有精确的制导系统 , 以获得极高的命中精 度 、反应敏捷的控制系统和识别目标并摧毁目标的 能力 , 具有抗干扰能力 、造价廉 、能够大批量生产 和装备部队 、且使用和维护简便的新式武器 。它包 括各种精确制导导弹 、炸弹 、炮弹 、巡航导弹和远 程遥控无人驾驶飞行器等 , 主要是战术导弹 [ 1 ] 。
精确制导技术是精确制导武器的关键技术 ,支 持着精确制导武器的远距离 、高精度 、全天候和复 杂战场环境下作战 。精确制导技术是利用自身获取 或外部输入的目标区信息 , 探测 、识别和跟踪目 标 , 导引和控制导弹 /弹药等武器飞向目标的制导 技术 [ 2 ] 。精确制导技术研究的重点是确保精确制 导武器在复杂战场环境中精确命中目标乃至其要害 部位的制导技术 。主要有电视制导 、红外制导 、激 光制导 、毫米波 /微波寻的制导 、光纤制导 、地图匹 配制导 、惯性制导 、GPS制导 、程序制导及多模或 复合制导技术等 。精确制导技术的研究和发展一直 是紧紧围绕着抗干扰 、高精度和智能化的方向发 展 。本文重点介绍各种精确制导技术的原理 、优缺 点及发展现状和趋势 。

1 精确制导技术的发展现状 精确制导技术的发展与精确制导武器的发展和
应用密切相关 , 目前多种精确制导技术已发展成 熟 , 并已用于精确制导武器 。 1. 1 电视制导
电视制导是利用电视摄像机捕获 、识别 、定位 目标并由弹上或弹外设备形成控制指令导引导弹等 武器飞向目标的一种制导技术 。由于利用目标反射 可见光 ,所以系统的角分辨率 、制导精度高 ,而且便 于鉴别真假目标 , 不受电磁干扰 。但它只能在白天 和能见度较好的条件下使用 , 且易受强光和烟雾弹 的干扰 。电视制导有两种方式 , 一种是电视指令制 导 , 另一种是电视寻的制导 。电视指令制导是指导 弹上的电视摄像机将所摄取的目标图像以电磁波的 形式发送到制导站或载机 , 制导站或载机的操纵人 员得到目标的直观图像 , 从多个目标中选取需要攻 击的目标 , 同时形成制导控制指令发送给导弹 , 使 它跟踪并飞向所选定的目标的制导方式 。电视指令
图 1 电视指令制导示意图

本文 2006211222收到 , 作者分别系空军工程大学导弹学院硕士生 、副教授 、硕士研究生

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图 2 电视寻的制导示意图

图 3 红外制导示意图

制导方式见图 1。电视寻的制导是指由装在导弹头 部的电视摄像机根据所摄取的目标信息 , 利用弹上 设备自动跟踪目标并导引导弹等飞向目标的制导方 式 。电视寻的制导方式见图 2。
电视制导始于二战期间 ,已是成熟技术 , 最早 是美国研制的电视寻的制导的滑翔炸弹 [ 3 ] , 还有首 次在海湾战争中使用的 AGM 265B 空地导弹 。俄罗 斯 、以色列也有多种电视制导武器装备部队 。随着 光电转换器和大规模高速实时图像处理技术的迅速 发展 , 它已实用化 , 并朝着复合制导 、自主寻的 、 高精度及智能化的方向发展 。 1. 2 红外制导
红外制导是利用红外探测器捕获和跟踪目标自 身辐射的能量来实现寻的制导的技术 。红外制导方 式如图 3。
红外制导是精确制导武器的一种十分重要的手 段 , 分为红外非成像制导 (也叫点源制导 )和红外成 像制导两大类 。红外制导的发展已有近 50 年的历 史 , 从点源发展到成像 , 现在还向着智能化方向发 展 。红外非成像制导技术就是利用红外探测器捕获 和跟踪目标自身所辐射的红外能量来实现精确制导 的一种技术手段 , 探测器是红外导引头中最关键的 元件 。第一代红外导弹导引头上采用的探测元件是 不致冷的硫化铅 , 它的缺点是作用距离近 , 导弹只 能对目标进行尾追攻击 , 而且受背景和气象条件影 响严重 , 抗干扰能力弱 。代表型号为美国的红眼 睛 , 苏联的 SAM 27地空导弹 。第二代采用了能致冷 的锑化铟元件 , 提高了抗干扰能力及作用距离 , 并

使导引头有更大的视角和跟踪加速度 , 攻角可达 270 °。其代表型号为美国的毒刺及法国的西北风等 地空导弹 。点源制导的优点是设备简单 , 体积小 , 价格低 , 角分辨率比雷达高 1~2个数量级 , 不受无 线电干扰的影响 , 可昼夜作战 , 攻击隐蔽性好 。但 它的正常工作受云 、雾和烟尘的影响 , 并有可能被 曳光弹 、红外诱饵 、云层反射的阳光和其它热源诱 惑而偏离和丢失目标 , 所以点源制导正在被成像制 导取代 。
红外成像制导技术研究始于 20 世纪 70 年代 。 国外红外成像制导技术的发展中美国处于领先地 位 。红外成像制导是利用红外探测器探测目标的红 外辐射 ,以捕获目标红外图像的制导技术 , 其图像 质量与电视相近 , 可在电视制导系统难以工作的夜 间和低能见度下作战 。与非成像制导技术相比 , 红 外成像制导系统具有更好的目标识别能力和制导精 度 ; 与电视制导相比 ,红外成像制导可昼夜工作 , 作用距离远 , 能识别目标易损部位 。缺点是对目标 本身的辐射或散射特性有较大的依赖性 ,需要在背 景中将目标信息检测出来 。红外成像制导技术已成 为制导技术的一个主要发展方向 , 红外成像制导的 成像方式有两种 , 一种是光机扫描成像 , 另一种是 凝视成像 。凝视红外焦平面阵列成像寻的制导系统 是最有发展前途的红外成像寻的制导方式 , 国外正 在加速发展 [ 4, 5 ] , 其中中波 ( 3 μm ~5 μm )凝视红 外成像制导的发展较快 。凝视红外成像制导与光机 扫描红外成像制导相比 , 前者有更高的灵敏度 、精 度 、可 靠 性 以 及 较 低 的 成 本 。在 美 国 空 军 中 期

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图 4 激光波束制导示意图

图 5 激光半主动式寻的制导示意

(2010年前 )的制导技术计划中 [ 6 ] , 将利用 M EM S (微机电系统 )和 ASIM (专用集成微型仪器 )技术把 大规模探测单元和多波段复合探测器集成在一个基 片上 , 研制高级红外成像导引头 ,这种导引头类似 蜻蜓复眼 ,可以大幅度提高制导精度 、目标分辨率 和抗干扰性 。 1. 3 激光制导 [ 7 ]
激光制导就是利用目标反射的激光来探测 、跟 踪目标并控制导弹等武器飞向目标的制导技术 。激 光具有单色性好 、方向性强 、能量集中等物理特 点 , 从而使激光制导具有制导精度高 , 目标分辨率 高 、抗干扰能力强 、体积小 、质量轻等优点 。但激 光光束易受云 、雾和烟尘的影响 ,不能全天候使用 。 激光制导武器 ,按照其采用的制导方式不同 ,通常可 分为激光波束制导和激光寻的制导 。激光波束制导 就是导弹发射后沿激光发射机照射目标的激光束飞 行 , 按导弹偏离波束中心的偏差形成控制指令 , 导 引导弹飞向目标的制导技术 , 适合于短程作战使 用 。激光波束制导示意图见图 4。激光寻的制导是 指弹外或弹上激光束照射在目标上 ,弹上的激光寻 的器接收目标漫反射的激光信息捕获 、跟踪目标 , 并控制导弹飞向目标的制导技术 。按照激光源所在 位置的不同 , 激光寻的制导又可分为两种 , 即激光 半主动式寻的制导和激光主动式寻的制导 。半主动 式寻的制导是指寻的器在弹上 ,而激光源在弹外的 载体上 , 是目前常用的制导方式 。激光半主动式寻 的制导示意图见图 5。主动式激光寻的制导是指激 光源和寻的器均安装在弹上 , 导弹发射后能主动寻 找目标 , 缺点是电源设备大而重 , 激光成像扫描速
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图 6 激光主动式寻的制导示意图
度较慢 , 目前还没有用于实战 。激光主动式寻的制 导示意图见图 6。随着时间的推移和技术的发展 , 今后的激光制导武器应该向发射后不管的主动式激 光制导方式方向发展 ,智能地自动探测 、识别 、跟 踪 , 直到命中目标 , 并可以实施全天候 、隐身化作 战 。由于激光主动成像可成三维图像 , 且图像稳 定 , 便于图像识别算法的编制 , 也可能是成像制导 的发展方向 [ 8 ] 。
上世纪七十年代国外相继开展了激光制导武器 的研制 , 激光半主动制导已实用化 , 用在多个型号 上 , 目前已经列入装备的型号也很多 , 如美国的 GBU 211A /B 炸弹 、海尔法导弹及铜斑蛇炮弹 , 法国 的 SAM P、俄罗斯的 KAB 2500 和 KAB 21500 和以色 列的怪兽 ( Griffin)等激光制导炸弹 。 1. 4 毫米波 /微波寻的制导
毫米波 /微波寻的制导是指由弹上的毫米波 /微 波导引头接收目标反射或辐射的毫米波 /微波信息 , 捕获 、跟踪并导引导弹等武器飞向目标的制导技
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术。 按波源所在位置的不同 , 毫米波 /微波寻的制
导可分为主动 、半主动和被动寻的制导 。微波 /毫 米波主动寻的制导是指由弹载雷达主动向目标发射 电磁波 , 导引头根据目标发射回来的电波 , 确定目 标坐标及运动参数 , 形成控制信号 , 控制导弹飞向 目标的制导方式 , 具有发射后不管的能力 , 缺点是 弹上设备复杂 , 设备质量 、尺寸受到限制而作用距 离近 , 一般用于弹道末段导引 。微波 /毫米波半主 动寻的制导是指探测目标的雷达在地面或飞机上 , 从而使弹上设备比较简单 , 由于可设置大功率照射 雷达 , 从而增大了作用距离 , 但在导弹杀伤目标前 飞行过程中 , 制导站必须始终照射目标 , 所以易受 干扰和反辐射导弹攻击 。微波 /毫米波被动寻的制 导是弹上导引头接收目标辐射的电磁波 , 捕获 、跟 踪并控制导弹飞向目标 , 由于它本身不辐射电磁 波 、也不用照射雷达对目标进行照射 , 所以隐蔽性 好 , 对敌方的雷达 、通信设备有很大威胁 。另外毫 米波制导还有指令制导和波束制导 , 其原理和上述 的电视指令制导以及激光波束制导相似 , 这里不再 赘述 。微波 /毫米波主动制导与半主动寻的制导的 示意图和激光制导的类似 , 只是能量源不同 , 一种 是微波 /毫米波 , 一个是激光 。微波 /毫米波被动寻 的制导示意图见图 7。微波制导的最大特点是全天 候工作 , 但面临着严峻的电子干扰环境的威胁 。微 波制导中 , 合成孔径雷达和被动雷达受到重视 。合 成孔径雷达是一种主动成像雷达 , 它可以在能见度 极差的气象条件下得到类似光学的高分辨率雷达图 像 。采用合成孔径雷达制导 , 具有很强的抗干扰能 力和很高的制导精度 , 可达到 0. 6 m ×0. 6 m。被 动雷达制导国外无论是宽带还是窄带被动雷达制导 均已实用化 ,在战争中发挥了很大作用 。如美国的 哈姆 、英国的阿拉姆 、俄罗斯的 X231П。
图 7 微波 /毫米波被动寻的制导示意图
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图 8 光纤制导示意图
毫米波制导技术研究始于 20世纪 70年代 , 目 前有 8 mm 和 3 mm 两个工作波段 , 国外已用于各 种导弹和弹药上 。如爱国者改型防空导弹 、黄蜂空 地导弹以及一些子弹药 [ 9 ] 。毫米波制导的抗干扰 能力和精度 、鉴别金属目标能力优于微波制导 , 且 制导设备体积小 、质量轻 , 另外全天候作战能力优 于红外成像制导 ,因此在精确制导技术发展中占有 重要地位 。毫米波制导技术发展的趋势是元 、部器 件由离散型向混合集成单片集成方向发展 ; 工作波 段由 8 mm 向 3 mm 方向发展 ; 工作体制由非相参 向宽带高分辨率一维成像 、共形相控阵成像方向发 展 ; 关键元器件向实用化方向发展 。 1. 5 光纤制导
光纤制导是指导弹飞至目标上空时 , 导引头将 目标及背景图像信号拍摄下来 ,经光纤双向传输系 统的下行线传到地面的图像监视器上 , 射手对目标 进行搜索 、识别和捕获 , 同时形成的控制指令经上 行线传到导弹 , 控制导弹飞向目标的制导技术 。光 纤制导示意图见图 8。
光纤制导是处于蓬勃发展中的精确制导技术 , 它抗干扰能力强 、制导精度高 , 具有超视距精确打 击能力 。目前 , 世界上许多国家都在研制和发展光 纤图像制导武器系统 , 比较著名的是美国研制的光 纤制导导弹系列 FOG2M、EFOGM、LFOGM; 欧洲导 弹公司研制的独眼巨人 POLYPHEM; 以色列研制的 光纤制导导弹系统 NT2S、NT2D; 巴西研制的多用 途光纤制导导弹 FOG2M PM 等 。光纤图像精确制导 技术是新兴的制导领域 , 目前我国在该领域的研究
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水平接近国际先进水平 [ 10 ] 。 1. 6 地图匹配制导
地图匹配制导是利用地图信息进行制导的一种 制导方式 。一般有地形匹配制导和景像匹配制导 。 所谓地形匹配制导 , 是指在导弹飞行的预定飞行线 路上选择若干个地形特征比较明显的地区作为特定 区 , 将其数字高程地图储存在弹载计算机中 , 当导 弹飞抵定位区上方后 , 由弹载气压高度表和雷达高 度表综合测定实地高程 , 将实测数据与预储存数据 进行比较确定导弹当前位置偏离预定位置的偏差 , 形成制导指令 , 将导弹引向预定区域或目标的制导 技术 。景像匹配制导是利用弹上设备拍摄导弹飞经 地区景物的图像 , 经过数字化转换 , 与预储的数字 景像地图进行对比 , 确定导弹是否偏离预定的航 线 , 如果发生偏离 , 则产生误差控制信号控制导弹 飞向预定区域或目标的制导技术 。 1. 7 全球定位系统 ( GPS)制导
GPS制导的工作原理是利用弹上安装的 GPS 接收机接收 4颗以上导航卫星播发的信号 , 实时地 获得导弹位置 、速度信息 , 形成制导指令 , 控制导 弹飞向目标 。例如 , 美国战斧 B lock Ⅲ巡航导弹主 要改进是 GPS接收机和天线系统 , 改装后的导弹 , 其圆概率误差降为 3 m。该导弹在科索沃战争中发 挥出色 。 GPS制导不受云 、雾和烟尘影响 , 全天候 使用 , 但 它 是 由 美 国 拥 有 的 , 特 别 在 战 争 时 期 , GPS技术的使用将受到限制 。如波音公司研制的联 合直接攻击弹药 (JDAM ) , 就应用了全球定位系统 。 1. 8 惯性制导
惯性制导是指利用弹上惯性元件测量导弹相对 于惯性空间的运动参数 ,并在给定运动的初始条件 下 , 由制导计算机计算出导弹的速度 、位置及姿态 等参数 , 形成控制信号 , 引导导弹完成预定飞行任 务的一种自主制导系统 。它具有抗干扰性强 、隐蔽 性好 、不受气象条件影响等优点 。但随着工作时间 的延长 , 误差变大 , 所以在中远程制导中通常加装 地形匹配制导系统 , 以便定期修正这些误差 。而且 和 GPS制导组合的系统有效地解决了惯性导航精 度误差随时间推移而增大和 GPS易受干扰的问题 。 此法有更好的抗干扰性能 。目前 , 地地弹道导弹和 潜地导弹几乎都采用这种制导方式 , 如美国的大力 神 、民兵 。
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1. 9 程序制导 程序制导是预先将导弹命中目标所需要的飞行
弹道存储在程序控制机构内 。导弹发射后 , 弹上程 序控制机构按照预先安排好的飞行方案 , 按时输出 控制指令 , 按部就班地控制导弹按预定弹道飞向目 标。 1. 10 多模或复合制导
随着现代化战争攻防对抗日益激烈 、战场环境 日趋复杂 , 单一方式的制导难以适应未来战争的需 要 , 采用复合制导可扬长避短 , 更好地满足作战要 求 。因此 , 将各种制导方式串接或并行组合 , 巧妙 利用各自长处的复合制导方式越来越引起人们的重 视 。多模制导是指同一制导段 , 同时采用两种或两 种以上频段或末制导方式进行工作 。复合制导则是 指不同制导段采用两种频段或末制导方式交替工 作 。多模或复合寻的制导可以充分发挥各自的优 势 , 弥补各自的不足 , 大大提高武器的作战效能 , 成为精确制导技术的重要发展方向之一 , 世界各国 都极为重视 。
多模或复合制导技术的研究始于 20世纪 70年 代中期 。红外 、紫外双模制导已用于美国 POST毒 刺防空导弹 [ 11 ] ; 主被动微波 ( 2 cm 和 3 cm )复合制 导在俄罗斯的白蛉反舰导弹上被采用 ; 美国的斯达 姆 、德国的苍鹰等反坦克导弹采用了毫米波 /红外 复合制导 ; 被动雷达与红外复合制导用在美国 R IM 2116舰空导弹 ; 德国博登湖公司已研制出红外 成像与毫米波复合制导系统 。3 mm 波雷达与宽带 微波被动雷达 , 红外成像与宽带微波被动雷达复合 制导现已用于美国先进导弹 AARGM 上和德国 AR2 M IGER反辐射导弹上 。战斧 B lockⅢ巡航导弹采用 了惯性 、地形匹配 、GPS数字景像匹配复合制导 。 目前看来 , 多模或复合制导今后发展的重点是毫米 波与红外成像 ; 红外成像与宽带微波被动雷达 ; 主 被动雷达多模复合制导 [ 12 ] 。
2 精确制导技术发展趋势 21世纪精确制导技术仍是军事技术研究 、发
展的热点 。随着信息技术的高度发展 ,精确制导技 术必将获得很大的发展 ,支撑着精确制导武器的精 确打击能力 。
随着信息化时代的到来 , 高技术局部战争中精 飞航导弹  2007年第 7期

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确制导武器使用比例越来越大 , 可以看出精确制导 技术的发展已呈现出以下几个特点 。
1) 多模或复合制导将逐步发展成为精确制导 的主要方式 。双模寻的复合制导技术已日趋成熟 , 未来三模复合寻的制导技术将实用化 [ 13 ] , 例如日 本已着手研制对空导弹用的微波 /毫米波 /红外三模 寻的头 。双色红外成像 、红外成像和毫米波 、红外 成像与宽带微波被动雷达 、主被动雷达等多模或复 合制导是发展的重点 ;
2) 光学制导将主要以成像制导为主 , 凝视红 外成像制导是主要制导方式 , 固体激光非扫描成像 制导方式将获得大的发展 。射频制导中的毫米波成 像制导 、微波成像制导是射频制导的发展重点 ;
3) 为满足远程精确打击的需要 ,随射程的增加 将普遍采用中制导和末制导复合制导技术 , 中制导 将普遍采用惯性导航和全球定位系统复合制导 , 末 制导采用双模寻的和自动目标识别算法 ;
4) 提高目标识别及在复杂战场环境下的自适 应跟踪和抗干扰能力 ;
5) 发展合成孔径雷达成像技术和新的探测技 术 , 增大作用距离 , 使武器能在防区外攻击目标 ;
6) 智能化信息处理技术 (软 、硬件 )的研究和 发展 , 重点是自动目标识别 (ATR)技术研究 ;
7) 微处理技术的发展将 INS和 GPS作为一个 整体装入导弹系统 , 这种一体化 INS / GPS技术具有 更好的抗干扰性能 , 质量轻 、体积小 , 适于导弹安 装;
8) 继续完善末制导技术以提高命中精度并全 天候作战和提高抗干扰能力 。
据预测 , 2020年前后精确打击武器的先进技术 主要有 : 微型精密惯性陀螺技术 ; 微型制导炸弹技 术 ; 硬目标侵彻技术 ; 超声速燃料发动机技术 ; 新 概念无弹翼自适应超声速导弹技术等 。
精确制导技术的发展使精确制导武器的发展朝 着系列化 、智能化 、提高射程与制导精度 、隐身 、 多功能战斗部 、超声速 、降低成本等方向发展 , 以 适应未来战场的需要 [ 14, 5, 16 ] 。

3 结束语 精确制导武器经过半个世纪的发展和战火检
验 , 已成为武器王国中的撒手锏 。精确制导武器在 战争中的广泛应用 , 必将引起作战形态的巨大变 革 。同时 , 作战形态的变革也必然对精确制导武器 的发展提出更新 、更高的要求 , 推动着精确制导武 器向精度更高 、威力更大 、突防能力更强的方向发 展。
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