中国指挥与控制学会会刊 
自1968年首枚激光制导炸弹投入战场以来,经过多年的发展,一个庞大的机载激光制导武器家族逐渐形成。近30年局部战争的经验,特别是纳卡冲突及俄乌冲突,已表明机载激光制导武器已经成为近程空对地打击的主要武器,是决定战争胜负的重要因素,更是各军事强国优先发展的机载武器装备。
1 军事需求催生机载激光制导武器
1911年11月1日,意大利飞行员在飞机上向土耳其地面军事目标投放了4枚2 kg的“西佩利”榴弹,开创了空对地攻击的先河[1],直接催生了航空炸弹武器的诞生,并在两次世界大战中发挥了重要的作用。二战后,随着轰炸精度、附带毁伤等军事需求的提出,机载激光制导武器得到了迅猛发展。
1.1 高精度轰炸的军事需求
早期航空弹药命中精度低,通常摧毁作战目标需要多架次、大批量弹药,如在二战中盟军共空投了420万吨弹药,在朝鲜战争中美军共空投了102万吨弹药,在越战中美军更是空投了高达755万吨炸弹,特别是美军为炸毁战略枢纽清化大桥,历时8年,出动飞机600多架次,投放了5 000多吨炸弹,但未能摧毁大桥,打击效果不理想。为提高命中精度,美军升级了“宝石路”半主动激光制导炸弹,1972年5月,美军出动4架F-4战斗机使用“宝石路”II型激光弹摧毁了清化大桥,标志着现代精确制导武器时代的到来[2]。
1.2 低附带毁伤的军事需求
航空炸弹有效载荷大,攻击威力大,但在现代作战中,友军、敌军和中立方之间的界限往往很小,航空炸弹大威力的战斗部往往会导致超出预期的毁伤,如二战后期美国对日本本土的大轰炸,导致东京约1/4被夷为平地,26.7万幢建筑被毁,10万人死亡,其中多数为平民,在国际上引起极大的争议[3]。在现代反恐怖作战和城市作战中,需要对爆炸毁伤范围进行控制,特别是对散布在居民区附近的军事目标实施定点清除时,为避免误伤平民和殃及周围的民用设施,减小舆论压力,控制战争规模,需要事前进行严格的毁伤评估,因此,低附带毁伤的需求愈来愈强。2020年1月,美军在击杀伊朗将军苏莱曼尼的行动中,考虑当时苏莱曼尼人在机场附近,人员密集,如果武器毁伤太大,极易造成附带毁伤,造成恶劣的社会影响和国际舆论压力,最后,美军使用号称刀片导弹的AGM-114R9X将苏莱曼尼砍死,附带毁伤极小。
1.3 战场实时评估的军事需求
OODA理论是由美国空军军官约翰·博伊德提出的,他将一次作战行动分为“观察”“定位”“决策”和“行动”四个阶段,而作战进程就是这四个阶段的不断迭代。获得战场主动权的一方往往能快速观察、快速定位、快速决策和立即行动,并在行动过程中,通过对作战效果的快速评估,再次实现OODA环的闭合[4]。
现代战争中,为了提高己方的生存能力,首轮打击通常采用防区外打击方式,但是当战场情报保障能力不足时,评估时效性往往较差,严重影响作战进程,拉长了OODA闭合时间。在使用机载激光制导武器的过程中,虽然需要凌空攻击,生存能力受到一定程度的威胁,但武器使用过程中的机载目标指示系统或地面目标指示系统可作为战场实时评估的手段,实现作战效果的快速评估,从而压缩OODA闭环时间,加快作战进程。纳卡冲突中,阿塞拜疆的作战指挥员在指挥所能在第一时间看到无人机携带激光制导武器攻击地面装甲部队的效果,并在第一时间进行补充打击或进行下一阶段部署,这对阿方取得最后的胜利起到至关重要的作用。
2 机载激光制导武器的发展现状
机载激光制导武器从首次投入战场以来,经历了不同的发展阶段,形成了不同导引方式、定位用途、发射平台的激光制导武器家族,谱系齐全,型号众多。
2.1 风标导引速度追踪式激光制导炸弹
速度追踪式制导炸弹的典型特征是炸弹头部装有二自由度风标导引头,在炸弹的运动过程中,风标的迎风特性使其轴线始终与弹的运动方向即空速方向保持一致,利用安装在风标内的正交四象限光电探测器接收目标散射的激光,并在光电探测器上形成光斑,光斑落在光电探测器的不同象限反映了目标线相对炸弹运动方向的横向偏差和纵向偏差[5],将此偏差作为控制量形成“Bang-Bang”控制指令,控制炸弹舵面偏转进而控制弹的运动方向,直到风标导引头的光轴与弹的空速方向基本重合,此时炸弹运动方向指向目标,即实现了对目标的速度追踪。
风标导引速度追踪原理相对简单,工程实现比较容易,最早应用于美国Paveway-I“宝石路”激光制导炸弹,通过在普通航空炸弹上加装激光导引组件和控制机构改装而成,命中精度达到10 m,射程近4 km,适用于攻击地面静止目标,主要型号有GBU-6、GBU-7等。美国Paveway-II“宝石路”炸弹增大了探测器视场,使得投放距离更远,命中精度也提高到3 m,主要型号有GBU-10、GBU-12、GBU-16等。俄罗斯的KAB500L和KAB1500L以及法国的BGL-250、BGL-400和BGL-1000都属于这一类型的激光制导炸弹。
风标导引速度追踪式激光制导炸弹采用的是风标式导引头和“Bang-Bang”式制导方式,因此,其抗风能力弱,在侧风较大时命中精度低,同时因缺乏攻击快速移动目标的能力,限制了此类激光制导炸弹的应用。
2.2 陀螺比例导引式激光制导武器
陀螺比例导引式激光制导炸弹采用的是陀螺稳定平台和比例导引式制导律,在炸弹飞行过程中,由稳定在陀螺仪上的探测器接收目标散射的激光,测量目标视线角速度,形成制导指令控制舵面偏转,使炸弹的速度矢量转动角速度与目标线的转动角速度成正比,同时驱动光学系统跟踪目标,直到炸弹的绝对速度对准目标[6]。
相比于风标导引速度追踪方式,陀螺比例导引制导炸弹尾翼的可操纵性和空气动力效率更高,实现了渐进式轨道控制,使炸弹运动轨迹更加平滑和高效,具有抗风能力强、制导精度高等特点。比如,美国的Paveway-III“宝石路”系列激光制导炸弹在风速接近25 m/s时,攻击精度仍能达到1 m,低空投放时有效射程超过18 km、高空10 000 m时超过30 km,典型型号有GBU-24/B、GBU-27/B、GBU-28/B。此外,俄罗斯研制的500 kg级的KAB-500LG,1 500 kg级的KAB-1500LG-F-E、KAB-1500LG-Pr-E和KAB-1500LG-OD-E;以色列研制的“断头台”均属于这一类型的激光制导武器[7]。
虽然陀螺比例导引式激光制导炸弹精度高,抗风能力强,但其对能见度等气象条件要求也较高,通常要求能见度大于6 km,对目标表面材质的激光散射能力有一定要求,比如不能攻击玻璃幕墙和大理石墙面的建筑。
2.3 多模制导式激光联合攻击弹药
多模制导是指在同一制导段上同时采用多种制导体制的一种并行制导方式[8],可分时或融合利用不同制导体制以精确捕获和跟踪目标,其目标探测能力、战场适应能力、精确攻击能力和抗干扰能力显著提升。
美国于2004年在联合直接攻击弹药(JDAM)的基础上加装激光导引头,形成了增强型“宝石路”系列激光联合攻击弹药,如将GBU-38/B加装DSU-38/B激光导引头形成GBU-54/B,将GBU-32/B加装DSU-39/B激光导引头形成GBU-55/B,将GBU-31/B加装DSU-40/B激光导引头形成GBU-56/B,由于该弹药不仅可以在恶劣天气下实现全天候作战,还可以在正常天气情况下通过激光制导实现对运动目标的高精度打击,飞行员可根据战场制空权、天气、电磁环境以及攻击目标的精度要求等具体情况,灵活选择制导方式,从而更高效地完成作战任务,发射平台主要有隐形轰炸机、轰炸机、战斗机、攻击机等,在2005年激光JDAM系列弹药实弹打靶测试中,脱靶量仅1.524 m[9]。
激光联合攻击弹药虽然攻击精度高,但由于该系列弹药采用的是Mk82、Mk83、Mk84等弹头,装药量较大,存在附带毁伤的风险。
2.4 低附带毁伤激光制导武器
伊拉克战争后,世界各国争相发展具备精确点杀伤能力的动力型低附带毁伤武器,并在多场局部战争和地区冲突中应用,特别是在执行斩首行动中,控制附带毁伤发挥了重要作用。如2017年2月26日,美军使用AGM-114R9X刺杀埃及基地组织领导人艾哈迈德·阿桑阿布·马斯里时,后座上的马斯里及其随从被“精确命中”,一击致命,但司机却没有严重受伤,附带毁伤之小可见一斑。除了AGM-114R9X外,美国研制的“短柄斧”微型炸弹、销钉微型导弹和GBU-51/B增强型制导炸弹等均属于低附带毁伤激光制导武器,其中GBU-51/B的主装药炸药有13.6 kg,“短柄斧”主装药炸药有1.8 kg,销钉导弹主装药炸药只有0.45 kg。
由于激光制导的高精度特点,使其成为低附带毁伤武器的首选制导方式,使用低附带毁伤激光制导武器有利于控制作战规模,防止意外毁伤,应对国际舆论,在现代精确作战和城市巷战中发挥着越来越重要的作用。
3 机载激光制导武器的特点
半主动激光制导是目前机载激光制导武器的主要制导方式,在最近几次世界地区冲突及反恐作战中发挥了重要作用。机载激光制导武器具有显著的特点,主要包括:1)抗干扰能力强,由于激光的单色性好,光束的发散角较小,采用激光编码使得敌方很难对制导系统实施有效干扰;2)命中精度高,由于激光既可以测量角度,也可以测量距离,使用激光制导武器可以精准地选择目标,同时激光制导与其他制导方式复合使用,可在复杂的作战环境中对目标进行辨别与跟踪,使其具有更高的命中精度,随着技术的发展,机载激光制导武器命中目标的精度近程可达到0.1~1 m[12];3)使用灵活,高性能作战飞机利用先进电子战系统和火控系统可直接对点/面目标进行探测、识别和跟踪,并使用机载激光制导武器进行直接瞄准打击,或利用同一激光束与其他多个激光制导武器组网使用,进一步提高作战灵活性[13];4)通用性强,一种激光导引头能够适应多种型号、多种场合的制导武器,使得研制成本大大降低。
4 机载激光制导武器的关键技术
尽管机载激光制导武器家族有无可比拟的优点,但仍有一些关键技术需要重点关注,如多模制导技术、落角控制技术和抗激光干扰技术等。
4.1 多模制导技术
现代战争中战场环境越来越复杂,单一模式制导武器已难以有效完成攻击任务,多模制导武器具有更高的精度、更远的射程、更强的攻击能力,以及更好的抗电磁干扰和目标识别能力,可满足全天候、全时段攻击要求。
多模制导各模式组合方法及技术手段包括:1)各种模式之间工作频率相差越大越好,能够有效降低敌方的电磁干扰;2)制导方式尽量不同,如采用被动红外成像和半主动激光测距进行复合制导,被动红外成像可以准确搜索和捕获目标,半主动激光测距可以准确提供弹目距离信息;3)各种复合模式的探测器口径能够相互兼容,便于实现共孔径,达到减小导引头尺寸和重量的目的,还可以避免功耗的增加[14]。但多模复合制导仍存在一些关键性技术难题,如在结构设计方面,必须考虑多种导引模式在有限的空间内共存的问题,且各自能够独立工作且互不干扰; 在信息处理方面,不同模式导引信息要相互融合,才能更好地适应复杂战场环境并识别真假目标,此外,还要考虑导引头头罩材料的透过性和干扰状态下各种模式相互切换等问题[15]。
4.2 落角控制技术
林德福等[21]通过在导引律中添加重力补偿项,可以增大导弹的命中落角,但是落角提升的幅度有限,而且难以做到落角的精确控制。高峰等[18]提出了一种基于落角约束的偏置比例导引律,可以有效控制导弹的落角,命中精度较高。吴锟等[23]基于双圆弧原理设计了一种可以实现越顶迂回攻击的制导方法,飞行时间与偏置比例导引法相比有所改善,对地下军事目标以及反斜面固定军事目标具有很好的攻击效果,但其攻击移动目标的能力不足,且存在误差累积的问题。严鹏辉等[25]提出基于落角约束的变增益偏置比例导引律,具有较高的制导精度,同时过载变化和控制能量消耗均较小,但随着落角约束增大,导弹过载和控制能量消耗变化相应加剧,表明落角约束不是越大越好。
4.3 抗激光干扰技术
对于机载激光制导武器抗干扰技术的研究,主要是基于制导信号的识别与跟踪。目前所采用的抗干扰措施主要有两种[26]。1)激光编码技术,是由目标指示器发出的激光编码信息被导引头接收并进行解调变换,获取目标信息。激光编码方法主要有以下六种[27⇓-29]:精确频率码、脉冲间隔编码、二变间隔码、有限位脉冲宽度编码、等差序列码和伪随机码。王佗等[30]通过对伪随机码的编码最小周期的计算和识别研究,提出了当激光信号发射端采用多个移位寄存器分时工作时,不能有效识别出最小工作周期;程玉宝等[31]基于Walsh函数特性对多目标指示激光束编码进行研究,得出伪随机编码可以使多目标指示时相互间的干扰降到最低;黄峰等[32]通过在激光目标指示器端安装脉宽可调激光发射器,并在激光发射器中应用可编程控制装置对脉宽实施编码,实现激光脉冲编码技术。2)导引头波门选通技术,是通过对激光导引头波门的设置,确保导引头波门只接收制导信号,当干扰信号到达导引头时,波门已处于关闭状态。沈涛等[33]通过选取不同的解码脉冲宽度对激光制导武器导引头制导效果影响的研究,证实采用实时波门选通技术可以有效降低制导干扰。夏兴宇等[27]通过建立累计偏差的概率密度分布模型和超前转发干扰模型,分别得出了超过典型波门宽度的最大脉冲个数和实时波门宽度的设置原则,为机载激光制导武器波门宽度优化设置提供了理论依据。
5 机载激光制导武器的发展趋势
随着激光导引头和激光指示系统的不断发展和改进,机载激光制导武器正朝着多模化、系列化、通用化及激光主动寻的制导的方向发展。
5.1 采用多模制导,不断提高导引头的抗干扰能力
单一模式半主动激光制导体制受自身性能弱点的局限,越来越难以满足现代战场作战的需要,综合利用不同制导方式的优点,将多种制导方式同时应用于激光制导武器,可显著提高武器的抗干扰和目标识别能力,主要类型有INS/GPS/半主动激光、红外成像/半主动激光以及雷达成像/半主动激光等[34]。如美国在联合攻击弹药(JDAM)上加装激光导引头,形成了激光JDAM,具备高精度打击移动目标的能力,新型的JAGM空地导弹则同时使用了半主动制导和毫米波雷达制导两种方式,下一步还将在此基础上增加被动红外制导方式,形成三模制导。
5.2 研制高性能的目标识别及跟踪激光指示系统
随着电子元器件的小型化和集成化,激光指示系统也在向体型更小,稳定性更好,分辨率更高的方向发展。如美国研制的“狙击手”(Sniper)吊舱,采用了光学系统共孔径设计方案,所有传感器均共用一个孔径,有效减小了体型,另外还配备了第三代前视红外接收器和CCD电视摄像机,极大地改进了目标探测和识别能力,其目标确认距离是第一代吊舱的4倍。此外,美国研制的AAQ40型光电瞄准系统(EOTS),采用第三代红外焦平面阵列器件和模块化设计,集成了前视红外、红外搜索跟踪和激光指示瞄准等功能[35]。
5.3 武器研制系列化、标准化、模块化
根据作战任务和战术需求的不同,对既有武器进行部分改动形成新的武器型号,比如AGM-114系列导弹针对不同作战目标和用途共有10余种型号,既有半主动激光制导也有毫米波雷达制导,既有前置串联聚能破甲型也有高爆性、爆破型以及温压型等战斗部。另一方面,为了缩短新产品的研制周期,降低装备维修保障成本,提高武器装备可靠性,武器研制正朝着标准化和模块化的方向发展,比如美国JAGM导弹分别采用了AGM-114R导弹的半主动激光导引头、“长弓”导弹的主动毫米波导引头和“标枪”导弹的被动红外成像三种导引头,使导弹具有更高的可靠性。
5.4 采用主动激光制导技术
由于半主动激光制导不具备自动识别和抗激光主动干扰的能力,激光主动制导将成为未来激光制导的主要发展方向。激光主动制导是把激光目标指示器和寻的器安装在同一弹体上,通过主动向外发射激光来实现对目标的探测、识别及跟踪。目前,美国正在发展的主动激光导引头采用的是激光主动成像技术,通过激光扫描目标并获得三维图像,与预先装订的目标的激光成像特征进行匹配分析,进而自动识别和跟踪目标。激光成像稳定性高,便于图像识别算法的实现,是今后激光主动制导的发展方向[36]。美国研制的LOCAAS巡飞攻击导弹,装载自主目标识别装置和激光雷达导引头,当导弹采用“发射后不管”的巡飞攻击方式时,激光雷达导引头能以极高的分辨率探测目标。
6 结束语
经过半个多世纪的发展,机载激光制导武器已经成为近距空对地打击的主要武器装备,也必将在未来反恐作战、支援作战和压制作战中发挥更加重要的作用。