书城童书水中霹雳——鱼雷
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第12章 鱼雷定位与导引(3)

惯性导航技术随着核潜艇与航天器的发展而迅速发展。核潜艇可在水下潜航数十昼夜不露出水面,它必须随时知道自身艇位,避免触礁与碰撞岛屿,惯导精度要求较高,因此采用平台式惯导系统。然而,这种庞大的系统无法安装在体型较小的鱼雷等战术武器上,捷联式惯导的重量一般不超过5千克,成本也较低,便于大量使用。

当前,捷联式惯导系统在鱼雷兵器中已获得应用,这并非偶然。首先是战术的需要。

重型鱼雷航程较远,且有越来越远的发展趋势,现在虽然都具有线导的能力,但是发射舰艇的水声设备很难发现逐渐远离的鱼雷,只能利用推算法,其误差值必然随航程的增长而扩大,迫切需要惯导系统随时将雷位信息(地理坐标)通过导线报告给发射艇上的火控系统。轻型鱼雷用于空投反潜,对航程要求虽不会比重型鱼雷高,但是由于潜艇壳体结构抗炸措施有效,所以要求炸药量有限的轻型鱼雷能垂直命中潜艇上预定的要害部位并采用定向爆破技术,即鱼雷的控制精度要提高一个数量级。依靠传统方●美国海军轻型空投反潜鱼雷法,如不采用捷联式惯导,控制精度提高有限,无法获得定位信息。

现代鱼雷要求实现远程精确制导,其基础是获得精确的航姿信息和具有精确定位的功能,对于鱼雷远航程精确定位,惯导系统是最佳选择。捷联式惯导系统由于结构简单,工作可靠,体积小,质量轻,功耗低,使用维护方便,更适合于战术性精确制导武器。美国的MK50、法国的“海鳝”、意大利的A290等轻型鱼雷,英国的“旗鱼”、美国的MK48、意大利的BLACKSHARK等重型鱼雷都已采用了捷联式惯性导航装置或惯导系统,显示出广阔的应用前景。

捷联式惯导技术用于鱼雷具有以下特点:

(1)可以消除地球自转以及鱼雷运动造成的航姿误差,从而可提供精确的鱼雷位置和精确的航姿信息。

(2)可全姿态工作,克服二自由度框架陀螺应用的局限性,适应复杂弹道控制。

(3)输出无支架误差。

美国的MKS0鱼雷使用了LittonLP-80惯性测量单元,其制导精度远高于MK46鱼雷;法国的“海鳝”在控制系统中采用了捷联式惯导技术,可以提供精确的航姿角用于末弹道以实现垂直命中;英国的“旗鱼”鱼雷,在控制系统中采用捷联式惯导技术,可以实现远航程的精确定位和精确控制;这些鱼雷的惯性测量单元中采用的是挠性陀螺。

意大利的“黑鲨”采用光纤陀螺构成捷联测量单元,也实现了远航程的精确定位和精确控制。

俄罗斯的鱼雷也使用了捷联式惯导技术。使用捷联式惯导的目的是:

(1)用于作为航姿基准参考系统。

(2)作为捷联式航姿基准系统,由数学平台解算出的航姿信息用于控制,并提供3个速率信息用于控制。其捷联式惯导系统中的惯性测量组合采用了激光陀螺。激光陀螺具有启动快、动态测量范围大以及性能稳定的特点,而且无温控,但其中装有温度传感器和EPROM,用于温度补偿以保证其精度。

三、鱼雷组合导航技术

惯性导航系统根据惯性原理工作,而惯性是任何质量体的基本属性。所以惯性导航系统工作时,不需要任何外来信息,也不向外辐射任何信息,仅依靠系统本身就能在全天候条件下,在全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行连续的三维空间定位和三维空间定向,能够提供反映航行体运动状态的完整信息。并且惯导系统具有极宽的频带,能够跟踪和反映航行体的任何机动运动,输出又非常平稳。正是由于惯导系统的自主性、隐蔽性、信息的全面性和宽频带,所以,对于现代鱼雷来说,惯性导航系统是必不可少的导航设备。但是,惯导系统的导航误差随时间而积累,这对远程鱼雷来说,无疑是致命的缺陷。

为了提高导航定位精度,出现了多种组合导航的方式,即把各具特点的不同类型的导航系统匹配组合,使之相互取长补短,从而形成一种更为优良的新型导航系统——组合导航系统。组合导航技术是采用惯性导航以外的导航信息作为观测量,利用这些导航信息不随时间发散的特性,对惯性导航的导航参数与元器件误差特性等进行估计,并在线定时补偿,以提高系统的导航精度。如惯性导航与多普勒组合导航系统、惯性导航与测向/测距组合导航系统、惯性导航与罗兰或德卡或奥米加或康索尔或地面参照导航或地形特征匹配组合导航系统,以及惯性导航与全球定位系统组合导航系统。在上述组合导航系统中,以后者最为先进,应用最为广泛。

惯性导航与全球定位系统(INS/GPS)组合导航系统用于武器制导,能充分发挥两者各自优势并取长补短,利用GPS的长期稳定性与适中精度,来弥补INS的误差随时间传播或增大的缺点,利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点,进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、质量轻、造价低的优势,并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息,提高GPS接收机天线的定向操纵性能,使之快速捕获或重新捕获GPS卫星信号,同时借助GPS连续提供的高精度位置信息和速度信息,估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和系统其他误差参数,实现对其空中传递对准和标定,从而可放宽对其精度提出的要求,使得整个组合制导系统达到最优化,具有很高的效费比。

组合导航也是解决远程鱼雷精确定位的有效技术途径。由于惯导系统具有自主性、隐蔽性、信息的全面性和宽频带等特有优点,所以,一般以惯导系统作为组合导航系统的关键子系统。但是。由于GPS等无线电信号在水下无法使用,所以鱼雷所采用的组合导航方式与其他航行体有所不同。

线导导引弹道

线导导引大大扩大了鱼雷的攻击范围,而且线导导引鱼雷具有好的隐蔽性和强的抗干扰性,使国外远航程鱼雷几乎无不采用线导导引。线导导引是先把鱼雷引导到声自导或尾流自导发现目标的范围内,再让鱼雷自导装置发现目标,转自导导引去跟踪、攻击、命中目标。线导导引是发射艇对鱼雷的遥控导引。这个遥控导引过程由发射艇声呐系统,导航系统,火控系统,线导遥控、遥测及鱼雷内测系统共同完成。

一、概述

鱼雷发射后,发射艇声呐系统继续按周期测量目标方位,送到火控系统;导航系统把发射艇的航速、航向送到火控系统;鱼雷内测系统把鱼雷内测得到的鱼雷速度、航向、航深通过导线送到火控系统。火控系统根据得到的上述信息,解算出到目标的距离及目标运动要素(目标的方位、距离、速度、航向)、鱼雷位置、发射艇位置,并根据选择的线导导引方法,自动解算出要求的鱼雷航向或转角,通过线导导线,按周期发出遥控鱼雷转角、深度、速度等指令到鱼雷制导系统。鱼雷制导系统按遥控指令控制鱼雷航行,让鱼雷接近目标,直到鱼雷自导发现目标。

线导导引鱼雷的活动是在水平面从几千米到几十千米,在垂直平面从几十米到几百米的范围内,一般只设计水平面内的线导导引弹道。鱼雷在垂直平面上运动(即变深运动)的遥控往往是在发射艇上由人工发出指令完成的。线导导引弹道设计是在既定鱼雷性能的条件下,对线导导引方法、遥控鱼雷转角指令周期、遥测鱼雷信息周期的选择,以及对方位重合法、无干扰导引法及其他导引方法参数的选择和导引方法转换条件的确定。设计的依据是在给定的线导鱼雷的战术假定条件下,要有高的发现概率。

二、线导导引弹道设计

线导导引弹道设计的目标、内容和依据

线导导引弹道设计的目标是使鱼雷在遥控导引下尽快发现目标。其设计的主要内容是选择线导导引方法和遥控转角指令周期及遥测鱼雷信息周期,当选择无干扰导引法和方位重合法时,还要选择调整系数,以得到好的导引弹道品质。

线导导引弹道设计是在既定鱼雷性能,包括鱼雷速制、鱼雷速度、鱼雷航程、辐射噪声、声自导作用距离、声自导扇面张角、鱼雷机动性等情况下进行的。设计的依据是该线导鱼雷的战术假定,包括:

攻击目标类型:潜艇,或水面舰艇,或两者兼顾;目标性能:目标速度或目标速度范围,目标机动性,目标辐射噪声;攻击态势:射距,舷角;知道目标要素的情况:知道目标速度、目标航向及其解算误差;只知道目标方位及概略距离及其误差;或这两种情况都知道。

声自导导引弹道

声自导是装在鱼雷头部的声自导系统测量目标相对鱼雷的位置,将所测得的信息经过一系列处理之后变成操舵指令,操纵鱼雷自动导向目标。声自导鱼雷对潜艇目标的攻击,与空-空导弹对目标攻击一样,同属于对活动目标的攻击。因此,与空-空导弹一样,自动寻的的自导导引弹道设计成为鱼雷弹道设计的极重要部分,是确保鱼雷命中目标的关键。

一、概况

导导引弹道设计首先要选择自导的导引方法,当选择自导导引方法时,首先要考虑的是在所设计的鱼雷上能不能满足这些条件,而后通过对自导导引理论弹道的数学仿真,检验选择的导引弹道能否满足脱靶量、可攻击区、命中角和航程等要求。

导引方法是鱼雷在接近目标的过程中,鱼雷速度矢量的变化规律,它分古典导引法和现代导引法。常见的古典导引法有追踪法、固定提前角导引法、平行接近法、比例导引法和自动调整提前角导引法。现代导引法是建立在现代控制理论基础上的导引法,主要有最优导引法、变结构导引法等。

二、自导导引方法选择

目前,国内外自导鱼雷都是双平面自导鱼雷,水平面和垂直面的自导导引方法可以相同,也可以不同。由于目标在垂直面的活动范围一般在几十米到几百米之间,比水平面小得多,一般垂直面采用追踪法导引。因此,导引方法的选择,主要是指水平面的导引方法选择。

三、自导导引弹道和程序搜索弹道的评定

自导鱼雷按设计的程序搜索弹道和自导导引弹道完成发现、捕获目标、跟踪、攻击和命中目标的使命。对该程序搜索和自导导引弹道的评定,是在各种不同的战术态势,不同的水文、环境条件下,对鱼雷发现、捕获目标的能力和跟踪、攻击、命中目标的能力做出定量评估。这就是通常所说的对自导鱼雷的战术效果评定。

从实战出发,鱼雷攻击的目标是潜艇和水面舰船,都是有相当大尺寸的体目标。一般是用在鱼雷航程限制下的发现概率和命中概率来评定的,也可以用发现概率与命中概率的乘积作为战术效果的综合评定。