复杂广域战场下灵巧引信精准起爆控制问题

张合，于航，戴可人，刘鹏，杨宇鑫，马翔

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

引信是弹药起爆控制的“大脑”，是保证弹药安全与完成毁伤的核心部件。引信伴随弹药的全寿命周期并一次使用，能够使弹药的毁伤能力大幅提高，因此引信技术属于先进国家对他国保密与封锁的“卡脖子”核心技术[1-4]。

从机械引信、机电引信发展至今，引信随技术的进步出现过多个定义。从历史发展的过程来看，最初的机械引信可通俗或肤浅理解为“开关”，是受时间、安全性与可靠性约束下的开关。随着机电引信与近炸引信的出现，引信的定义上升为起爆控制装置，即引信是利用目标信息和环境信息，在预定条件下引爆或引燃战斗部装药的控制装置或系统。把引信与控制关联起来是武器系统发展对引信要求的必然，也是技术进步的推动[5]。对于目前正在发展的灵巧引信，是对发射前或发射过程中通过武器系统与引信进行信息交联，采用单一或复合探测手段获取环境与目标信息，具备全寿命安全控制功能，通过单片机、可编程控制器或DSP处理器等完成起爆控制的引信，具体可表述为：具有可装定(获取初始任务状态信息)、可探测(对初始任务状态信息进行补充和修正)、可处理(在全寿命安全阶段，根据任务状态信息解算最佳毁伤控制时机)和可控制(根据最佳毁伤控制时机输出起爆控制信号以及灵巧引信全寿命安全控制)4个能力，具有这4个能力的引信被称为灵巧引信[4,6-7]。在大数据、网络化的发展助推下，根据弹药组网的需求，引信作为控制系统的概念有进一步定义的必要，即：引信是指在多约束与多任务条件下，按预定策略和规划起爆或引燃战斗部或多个战斗部装药，可进行瞬态时空识别与短时延过程控制的动态起爆系统。引信动态开环控制系统是一种动态选择对象观测时机和控制输入时机的开环控制系统。而传统机械、机电引信的控制为动态开环控制，引信只能在特定的时刻或特定的时间段内对弹丸、目标和环境进行观测，存在观测时机与控制输出在时间上的约束[8]。这类引信系统的主要特征是：在系统的整个演变过程中，观测和控制仅在某一时刻或某一时间段进行，即观测/控制输入和观测/控制时机分别存在边界约束，控制算法除了需要解算观测/控制输入外，还需要选择观测/控制时机，控制效率低下，起爆控制精度偏低。日益复杂的战场环境需要引信进行全过程的观测与多时刻的控制输出，而引信动态开环控制已经难以满足当前引信发展的需求，需进一步提升引信精确起爆控制能力，急需构建新的引信控制体系。

为满足灵巧引信发展的控制需要，本文在分析了时空识别与过程控制作为引信起爆控制的基础上，提出了灵巧引信精确起爆控制面临的三个科学问题，即：强多物理场环境干扰对引信探测的影响、短时延对引信控制适时性的影响以及多样化目标对引信最优起爆控制的影响。为解决上述科学问题对引信精准起爆控制的影响，分别建立了环境自适应探测控制器、自触发时延补偿状态控制器以及虚拟闭环起爆控制器，形成引信控制“三元”控制器，进而构建了灵巧引信用“三元”级联控制器的设计方法，实现了引信精准起爆控制的灵巧化，提升了引信的起爆控制精度，确保了弹药高效毁伤的能力。

引信的时空识别与过程控制，是引信控制的重要过程，包括引信的探测、识别、信息处理、状态判断、姿态调节以及核心变量控制等重要环节。图1所示为引信时空识别与过程控制部分变量示意图。图1中，α为飞行角，γ为弹目视线角，v为弹丸速度。

1.1 引信时空识别

引信时空识别是指从引信随弹药发射直至遭遇目标的过程中，对时域和空域相关参量进行识别[6]。上述过程包括膛内运动、空中或水中飞行、遭遇目标以及侵彻目标等阶段。时域参量包括出炮口时间、弹道顶点时间、飞行时间、目标前某一距离的时间以及起爆时延控制量等；
空域参量包括飞行过程位移、速度、角度、距离误差以及起爆距离与误差控制量等。若引信具有与武器系统信息交联的功能，则部分控制量可在发射前装定获取，如起爆时延控制量、起爆距离等，这些变量可直接控制调整。因此，引信获取时空识别的信息分为预先装定信息、环境与目标探测信息，预先装定信息由武器系统与引信信息交联获取，环境与目标探测信息由引信专用传感器获取。

引信随弹药发射时经历的环境、空间、目标的种类是引信设计的边值函数，为便于设计者使用时空识别，需进行引信设计。针对不同引信的功能建立时空识别函数，函数的基本形式[5]如下：

F=f(T,H(t),R(t),M(t))，

(1)

式中：T为引信飞行的时间，实际飞行时间与弹丸飞行速度相关；
H(t)为引信所经历的环境量，t为引信当前工作时刻；
R(t)为引信当前状态信息；
M(t)为目标参量。

为便于理解和分析时空识别函数(1)式，以激光引信为例，分别对环境量H(t)、状态信息R(t)以及目标参量M(t)进行解释：

激光引信所经历的尘环境H(t)模型[9]为

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

式中：ρ为气体密度；
xi、xj为坐标，i≠j；
ui、uj为不同坐标点处的流体速度；
μ为层流的黏性系数；
μt为湍流黏性系数；
σε、σk分别为湍动能耗散率ε和湍流动能k对应的普朗特数；
Gk为由层流速度梯度产生的湍动能；
Gb为由浮力产生的湍动能；
YM为可压缩湍流中由过度扩散产生的波动；
Sε、Sk定义的湍流动能；
C1ε、C2ε以及C3ε为经验常数，分别取1.44、1.92和1。

(2)式和(3)式构成了有限空间内尘浓度的计算标准k-ε模型，此模型具有计算精度高且计算量小的特点，模拟流体流动，因此可用于烟尘的仿真试验。

利用脉冲激光同步扫描周视探测进行弹目相对距离状态量的计算，其激光回波方程[8]为

(4)

式中：Pr为激光回波功率；
Pt为脉冲激光发射功率；
Gt为发射天线增益；
Rt为激光发射系统与目标之间的距离；
σs为雷达散射截面；
Rr为发射系统与目标之间的距离；
D为接受系统直径；
ηatm为大气透过系数；
ηsys为系统光学通过率。

在激光引信周向探测过程中，将回波功率与设定阈值不断进行时刻鉴别，判断弹目之间相对距离，直至满足起爆条件。

激光探测系统对目标进行探测时，激光束与目标相互作用关系[11]为

(5)

h(x,y,t)=4πρb(x,y,β)δ(t-2z(x,y)/c)

(6)

δ(·)为狄拉克函数；
z(x,y)为目标表面纵深距离；
c为光速；
ρb为双向反射分布函数，

(7)

等式右侧第1项和第2项分别为入射角β的镜面反射分量和漫反射分量，A为镜面反射幅度，B为漫反射幅度，s为表面斜率，m为漫反射系数；
激光脉冲形状函数Ss(x,y,t)定义为

(8)

g(x，y)为光束的空间形状，n为激光脉冲的时间形状，τ为时间常数。

受篇幅影响，其他参数定义可分别参考文献[9-11]。在上述过程中，以激光引信为例分别就经历的环境、自身状态以及目标参量进行举例说明，不同引信类型最终形成的时空识别函数形式不同。

1.2 引信过程控制

引信过程控制是指引信到达目标前或侵入目标后完成指定的精准起爆或引燃控制，实现爆轰、开仓和分离等。

无论是遭遇目标，还是侵彻目标，整个过程的时间量级在毫秒级甚至亚毫秒级，而引信配合弹药作战环境涵盖多维、多域空间；
不同武器平台、环境与目标信息要求引信进行多域信息处理，而此过程具有极强的时间敏感性。因此，引信必须根据瞬态时空识别信息，完成短时延的过程控制，使弹药毁伤效能最大化。

例如，根据毁伤不同目标类型约束可选用不同的输出控制量，如对付空中目标，可选用探测到目标的距离与方位实时起爆；
对地面运动车辆与有生力量，输出量可选用合理的地面炸高；
对地下硬目标内的人与设施，侵彻靶后给出合理的起爆距离与时间等。针对多样化目标，灵巧引信需选择合理的起爆时机，使战斗部的毁伤效能最大化。由此，时空识别与过程控制对引信的发展尤为重要，应是引信控制理论发展的主要方向[6]。

对于引信的动态过程控制，在弹丸飞行过程中受环境与目标信息约束，引信的数学模型可表述为

y=R(S(m,e,o,ls),De(ld,us),Do(ld,us),lr,t)，

(9)

式中：y为引信的输出结果；
R(·)为过程控制函数；
S(·)为引信与武器平台信息交联函数；
De(·)和Do(·)分别为环境与目标探测函数；
us=S(·)为武器平台发送来的装定信息函数；
m、e和o分别为装定输入的作战任务信息、环境信息以及目标信息；
ls、ld以及lr分别为信息交联、探测与识别以及引信动态过程控制的状态边界约束条件，其约束函数如下：

(10)

式中：h1(·)为引信位置约束函数；
p(x,y,z)为引信当前位置，pt为目标位置；
h2(·)为引信方位角约束函数，θ为引信起爆方位角，θt为目标易损方位；
Ω1为引信位置约束误差域；
Ω2为引信方位角约束误差域；
td为引信动态时延；
t0为时延边界值。

以上约束的目的可使弹药毁伤效能最大化，即

(11)

式中：Φ(·)为起爆毁伤效能函数，p0(t)为毁伤效能最大起爆点，θ0(t)为毁伤效能最大起爆方位，td为期望作用时间；
t0为时延上界；
L(·)为由于时延引起的效能衰减。

在过去几十年主要发展以下几类引信：机械与定距引信、近炸引信与侵彻引信，主要起爆方式、打击目标类型与目标的毁伤能力如表1[12-13]所示。

根据表1可以看出，不同类型的引信，可针对不同种类的目标选择对应的起爆方式。当战斗部采用传统动态开环控制的引信时，毁伤效能偏低，难以满足战斗部高效毁伤的需求，因此急需建立新的引信控制设计方法。

表1 目标种类与毁伤

为研究引信精确起爆控制过程，将弹药毁伤效能与目标之间的毁伤边界分割为3个区域，如图 2所示，即：可实现对目标最大摧毁效果的区域—毁伤区；
对目标造成轻度毁伤的区域—模糊区；
对目标不能造成毁伤的区域—安全区。

对于传统机械或机电引信而言，通过点控制仅能实现部分弹药在毁伤区起爆，其炸点大多落于模糊区或安全区，起爆位置距目标偏差较大，弹药毁伤效能偏低；
为提升弹药毁伤能力，提出了具有起爆距离与时间二维约束的面控体制引信，可实现炸点大多落于毁伤区或模糊区边缘，相比于传统的机械或机电引信，其炸点分布范围已接近于目标，提升了战斗部对目标的毁伤效果。但面对未来强多物理场环境干扰下的战场，对弹药的精确起爆能力提出了更高要求，仅依靠现有的点控制或面控制已无法实现对目标的高效毁伤。因此，本文提出了具有抗强多物理场环境干扰信息解耦和多目标选择短时延起爆控制方法的灵巧引信，具有目标距离、时间与方位多维体控制能力，确保弹药在毁伤区内起爆，具有体控制能力的灵巧引信可提升弹药的毁伤效能。

在建立灵巧引信控制模型的基础上，引信时空识别与过程控制需完成以下步骤：多物理场环境探测、多样化目标识别与精准起爆控制。为此，需解决以下3个关键科学问题：

2.1 强干扰环境对引信多物理场探测的耦合影响机制

如图3所示，广域战场存在自然与人工环境下信息型与能量型的干扰，由于多物理场环境相互耦合[10,13-20]，诱发引信探测信号失真，使得探测模块获得的信息存在畸变与混叠，影响引信获取真实环境的准确度。因此必须实现环境信息的解耦与快速识别，确保探测模块信息真实可用。

针对多物理场环境干扰的问题，提出了多源融合探测抗干扰控制方法，通过建立多物理场环境干扰数据库，快速在线提取环境特征值并与当前环境探测信息值对比，并形成探测源权重因子，动态调节各探测源在总探测信息中的比重，实现对强多物理场环境干扰的有效快速解耦。

2.2 时延对引信控制系统适时性的影响机制

传统引信的动态开环控制存在观测时机与控制输出在时间上的约束，对全寿命多时间段存在强敏感性。特别当攻击超高速目标时，由于弹目交会过程的相对速度极大，极小的引信时延(探测时延、信息处理时延以及起爆输出时延等)将会造成几十米至几百米的起爆点误差散布，导致战斗部毁伤效能严重降低。因时延对炸点位置影响如图4所示。针对于此，为实现精确起爆控制，开展时延对引信控制系统影响机制的研究，重点突破扩展信息输入，引入武器平台装定的先验信息、多源探测模块和周边武器平台传输的探测信息，结合高精度时延估计算法，实现引信时延补偿。图4中，Tτ为计时周期，n为周期增益，τ1为周边平台传输时延，τ0为自身固有信息传输时延。

2.3 多样化目标与最优起爆控制器的匹配映射关系

对于不同目标，引信需采用不同的起爆方式，起爆控制器要求的最优工作参数也不同，因此必须要解决目标种类与最优起爆方式的匹配映射关系。如图5所示，不同类型的目标采用不同的起爆方式，方可达到最优的起爆效果。但是，引信的起爆控制过程仅为微秒级，只能采用开环控制结构，传统引信被迫采用大量实弹毁伤实验进行参数穷举、寻优。针对这一困境，本文提出将闭环控制环节前移到起爆控制器设计中。

通过线下虚拟闭环训练与在线快速决策相结合策略。离线状态通过大量数据训练获得毁伤效能最优起爆控制器，实战情况下，通过对不同目标编制不同的起爆控制策略软件，利用发射前装定信息与发射后不同平台传输的信息，实现最优起爆控制器与弹上数据信息相匹配，实现针对不同目标快速产生最优起爆方式。

3.1 灵巧引信“三元”级联控制方法概述

针对第2节所提出的引信灵巧化所面临的3个科学问题，需在传统引信动态开环控制的基础上，建立新的控制方法，以满足引信灵巧化的控制需求。而实现引信控制灵巧化的主要方式是实现瞬态时空识别与短时延过程控制。

本文所提灵巧引信“三元”级联控制方法相比于传统引信控制，其主要的控制特点是在线下通过大量试验、仿真以及数值计算等方式获得环境与目标数据库，并通过概率统计方法构建的环境与目标函数。在探测阶段通过多源探测融合方式与线下构建的环境与目标函数相匹配，可准确、快速地获得环境与目标特征值；
本文控制方法中，利用自触发时延补偿理论结合目标与环境特征值，可实现对时延补偿的同时，并且对各探测源权重进行动态调整，进而实现最佳的探测效率。最后，为实现弹药快速针对目标类型输出对应的最佳起爆方式，考虑了一种线下训练，线上使用的虚拟闭环起爆控制策略，最终实现对多类目标的精准毁伤。

从引信时空识别与过程控制方面来看，当灵巧引信进行时空识别时，为获得实际的弹丸炮口飞行速度，需进行炮口测速；
飞行一段时间后，为感知飞行环境或来袭目标状态信息，需进行主/被动探测；
接近目标时，为保证合理炸高，需进行高度测量。当灵巧引信进行过程控制时，控制合理的炸高对付地面运动车辆与有生力量或控制精确的起爆延期时间，对付地下硬目标内的人与设施。

3.2 灵巧引信“三元”级联控制方法设计

为满足灵巧引信在复杂战场中准确、适时地起爆战斗部，实现毁伤效能最大化的要求建立了图6所示灵巧引信用“三元”级联控制器的设计方法示意图。

在该灵巧引信“三元”级联控制系统中，首先以环境-目标两大数据库为依托，构建引信“三元”级联控制器，分别为环境自适应探测控制器、自触发时延补偿状态控制器以及虚拟闭环起爆控制器。其中探测控制器与状态控制器采用反馈控制，起爆控制器为虚拟闭环控制；
在探测阶段，灵巧引信采用多源探测器进行环境和目标的信息采集，并通过环境和目标函数转化为特征值；
将环境与目标的特征值输入到状态控制器与起爆控制器，并由状态控制器生成灵巧引信的当前状态量；
引信状态量输入到起爆控制器作为灵巧引信起爆时刻与起爆方式的重要参量。同时状态量也被反馈到探测控制器，进行动态探测权重因子反馈调节，优化探测模式，直到起爆控制器输出起爆指令。

在上述灵巧引信“三元”级联控制系统中，要实现精确的目标识别，首先通过实验室试验、靶场试验以及仿真试验建立环境与目标特征数据库。其中环境数据库主要包含各类常规弹药在发射和飞行过程中，所经历的发射环境与飞行环境的特征数据集合。例如，发射过程中的发射过载、强磁场、强电场以及温度场等。飞行过程中的地磁场、自然环境、敌方干扰环境等。目标数据库中，是对所攻击的目标进行特征分类，如太空/空中目标、水面舰艇目标、水下目标、近地面以及地下目标等。

在上述环境与目标两大数据库的支持下，通过数理统计方法形成对应的环境与目标特征函数。因此，当弹丸发射后，引信实际所探测的环境与目标信息，通过上述所建立的特征函数进行匹配映射，输出所探测的环境特征值与目标特征值。一方面，根据所获得的环境、目标特征值，输入至自触发时延补偿状态控制器，结合武器平台输入的先验目标、环境与自身状态信息，状态控制器生成动态调节参数，调整各探测源时延值权重，使总时延最小化；
并且动态调节参数可对多源探测信息权重进行动态调节，进而优化探测方式。

另一方面，目标特征值具有毁伤目标的特征数据，根据该数据可精确判断出目标的类型与对应的最佳毁伤方式。虚拟闭环起爆控制器依据引信状态量与目标特征值判断出当前针对该目标的最优起爆模式，并将起爆指令输出完成起爆。

本文在提出了强物理场环境干扰下瞬态时空识别与短时延过程控制方法的基础上，明晰了灵巧引信控制面临的三个科学问题，即强干扰对引信探测的影响、时延对引信控制适时性的影响以及多样化目标对引信最优起爆的影响，初步建立了灵巧引信设计方法基本架构。分别给出的环境自适应探测控制器、自触发时延补偿状态控制器以及虚拟闭环起爆控制器的设计原则，针对不同领域的应用可分别进行硬件与软件设计，该方法可为未来智能引信的发展提供理论指导。