弹道学报投稿格式参考范文：基于空间域特征的引信安全控制方法

　　现代战争中武器系统正经历从机械化向信息化、智能化和一体化方向发展的阶段。随着技术的发展，战场的环境愈加恶劣，为实现精确打击和高效毁伤的目的，弹药研究从无控弹过渡到有控弹，精确制导武器、弹道修正弹和巡飞弹等新型武器平台应运而生。

　　引信是武器系统中弹药毁伤的关键子系统，其利用环境信息、目标信息或平台信息，确保弹药勤务和弹道上的安全，并按预定策略对弹药实施起爆控制。引信的安全性至关重要，在有控弹发展的背景下，弹药会发生变轨行为，使得弹道不再是单调抛物线特征。在这种情况下，后坐力和离心力等传统环境激励将难以满足引信全寿命安全性要求，因上述原因导致的安全性事故并非小概率事件，如 2013 年印度无畏型巡航弹在某次试验过程中，飞行至 4500m 高度、飞行马赫数达到 0.7 且全弹已飞行 15min 有余时，偏离预定轨迹，不得不终止任务;2022 年 6 月俄军 “萨姆” 防空导弹发生了失控调头并撞向地面的严重安全性事故。

　　保障的引信安全性的关键在于对弹药时空关系的把控，指的是引信随弹药发射后经历的各阶段时间与空间范围内对控制量的识别，并根据上述信息进行的控制。在引信中这种研究通常是致力于提高毁伤效果的研究，如普承恩等研究了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)落点预测的二维弹道修正制导方法;贺强等研究了基于比例因子的改进落点预测修正算法;黎海清等研究了落点预测制导率的旋转稳定弹修正控制和制导火箭弹落点预测导引控制。上述研究都对提高弹药命中精度和毁伤效果做出了重要的贡献。

　　在安全与解除保险方面鲜有对空间信息特征的直接利用的研究。近年来，高智安利用弹炮距离信息设计了引信安全起爆系统;秦禹通过激光测距方法利用弹炮距离信息进行了系统设计与实现;徐建国提出了基于弹炮间距和相对弹道高信息的引信软件化设计;在电子安全系统上，李少卿设计了一种将弹目距离作为第三级解除保险激励的电子安全系统。上述方法可以满足传统弹药引信单次解保的安全性要求，但若应用于可变弹道轨迹的弹药中，仅依靠距离标量作为解保依据，且以设定阈值的思想判断距离信息，可能会出现将非正常弹道误判为正确弹道的情况，利用空间信息解保不能保证时空关系的准确对应，难以满足引信未来高性能、全寿命安全性乃至全域安全性的控制需求。

　　针对未来引信全寿命安全控制需求，本文提出一种基于空间域信息的引信解除保险方法，明确了引信空间域的内涵，设计了基于马氏距离的空间域特征逻辑判别方法，为安全系统解保设计提供一种新的途径。

　　1 引信中的空间域

　　1.1 引信空间域概念及与引信安全的关系

　　空间域概念在数字图像处理中，指由图像像元组成的空间，但在引信中，空间域应从时空的角度思考，在引信概念范围中，指弹药在某一阶段，尤其是发射后的阶段中经过时间与空间位置的对应关系。弹药时空对应关系是引信保障安全性的依据，引信空间域的概念可从引信安全性概念入手。此处的 “域” 指的是所有区域，是指在新型弹药出现的背景下引信在所能经历的所有环境下的安全性要求，这是一个基于发射平台和目标建立的坐标系，由引信传统安全性要求和新型弹药的特点相结合得来，横轴代表不同的区域，实线表示在传统安全性中已要求的内容，虚线代表全域安全性特有的内容。

　　传统安全性的要求可以概括为引信勤务处理阶段作用率小于百万分之一、膛内时小于万分之一、发射后及安全距离前小于千分之一以下的作用概率及未爆弹处理阶段的 “三自” 要求，可以发现，全域安全囊括了各引信可能经历的各种工作模式，将引信全寿命期间经历分为了多个区域，不再像传统安全系统要求只关注安全距离以内的安全性，而是拓展为勤务处理阶段、发射阶段、安全距离区域内、弹道飞行区域、任务中止阶段、巡飞区域、回收弹药阶段、目标区域和使用后(未爆弹处理阶段)区域。

　　若广义地描述，即划分为安全域、待发域、使用后域和巡飞域，也就是引信空间域的内涵。安全域包括了弹药在膛内、出炮口、安全距离内及为满足全域安全要求的飞行弹道区域。在安全域内，安全系统可以发生解保动作，但要保障引信的安全性，不允许发生安全失效。在待发域内，引信可以允许进入待发状态，待发域的空间范围与弹药的种类与使命任务有关，待发域应是以目标为基准，若目标移动，则待发域也随之转移。使用后域就是弹药失去最佳起爆时机和位置后的区域，要求引信实现 “三自” 或允许的最大识别时间 tmax。在定采样频率下，设已采到第 i 个数据，则应满足 iδ

　　在对延时的判断上，关注的是自识别动作开始的某一时间 t，与第 i 个实际采样点中距离最接近的基准弹道曲线上的理论离散点，其相较于在此时间弹药本身应该在基准曲线中所处的位置点超前或落后的采样点个数 Δi，根据采样间隔求出延时时间 Δt=Δiδ，依据延时信息完成对时间对应性的判断。

　　在此判断过程中，数组中第一个元素的位数是 1 而非 0。假设在第 i 个实际弹道采样点 X (i) 处与第 I 个基准弹道离散点 X (I) 0 对应，此时基于基准弹道离散点打开一个前后各有 L 个元素的距离匹配窗口，这个窗口的长度为 2L+1，然后，计算出每一个距离 D={D (I-L),D (I-L+1),…,DI,…,D (I+L-1),D (I+L)}，找出在这个数组中最小的距离的位置并标记为 k，当不发生延时时，k 的标记应是 L+2，即当前基准弹道离散点 X (I) 0 的下一个点 X (I+1) 0，因此，k-(L+2) 表示了当前计算过程的延时，当结果小于 0 时代表位置落后于预期位置，反之代表超前，而 Δt 指的是总延时时间，当 |Δt|<Δtmax 时代表弹药位置处于规定 “通道” 内，同时计算当前总时间 t=iδ，并要求不得超过最大容许识别时间 tmax，若两种判断条件任一不满足，则给出不解保判决。

　　2 基于空间域特征的安全控制方法设计

　　2.1 控制方法原理

　　基于空间域特征的引信安全控制方法，其核心逻辑是构建一个以基准弹道为中心的 “安全通道”，通过实时判别实际飞行弹道是否处于该通道内，实现引信安全系统的解保控制。该通道的边界由距离判据及时效性判据共同界定，只有当实际弹道同时满足空间位置符合距离要求与飞行过程符合时间对应性要求时，安全系统才会执行解保动作，任一判据不满足则给出不解保判决。

　　2.2 距离测量方法

　　采用基于马氏距离的弹道距离测量方法，通过计算实际弹道采样坐标与基准弹道对应点的马氏距离，量化二者的空间位置差异。马氏距离能够综合考虑不同维度数据的方差及相关性，相较于欧氏距离更适合弹道多维度偏差的度量，可有效识别出多方向距离的差异性，为空间位置判断提供精准依据。

　　2.3 “距离 + 时序” 识别方法

　　该识别方法以实际弹道采样坐标与基准弹道的距离和圆概率误差数值为核心判断依据，结合飞行时序信息实现综合判别。首先通过马氏距离判断实际弹道与基准弹道的空间偏离是否在允许范围内，该范围由圆概率误差确定，使方法对修正弹道具备一定的误差容忍范围;同时结合时序信息把控弹道飞行的合理性，避免仅依据空间距离可能导致的误判。

　　2.4 时间对应性评判方法

　　基于距离匹配窗口实现时间对应性的评判，在定采样频率下，设已采到第 i 个数据，则应满足 iδ

　　3 仿真验证

　　以某二维修正弹的弹道为例，将正常修正的实际弹道作为输入，验证通道识别方法的可行性与快速性，再以其他情况下弹道作为输入验证其安全性。

　　3.1 正常修正弹道仿真

　　在不同发射条件和环境下，误差导致的实际弹道情况各不相同，但可以肯定的是，无论实际弹道如何变化或采用何种制导与修正方式，这种有控弹药弹道始终是以贴近基准曲线或目标为目的，因此取文献 [7] 的数据进行研究，可以进行管道识别方法在弹道识别方面的共性问题的仿真验证。文献中数据来源于一种炮射卫星制导二维修正弹，仿真初速 v0=900m/s，初始射角 θ0=35°，射程约 25km，根据文献中的数据绘制出 3 种弹道：基准弹道、修正弹道和预测弹道。

　　其中，修正弹道的起始点取 (15000m,6000m,55m)，落点取 (24900m,0m,5m)，预测弹道为不修正时模拟无控弹的弹道，落点约为 (24600m,0m,90m)，起点取 (15000m,6400m,0m)。仿真中选择 50ms 的采样间隔，实际应用中要根据实际需求选取采样间隔。距离匹配窗口长度取 11，即 L=5。上述文献中圆概率误差数据 σx=20.681，σz=4.859，则判断依据为实际坐标代入式 (6) 计算实际马氏距离并要求结果小于 3.03 即可。

　　设判断 10 个采样点满足管道识别需求，即需要 t=500ms 内实际弹道均处在管道内，时延设置 Δtmax=1s。根据上列设置，加载管道识别方法，约在实际弹道 x=22300m,z=24.679m 处解除保险，每一次计算距离、匹配和判断的过程耗时 49.5μs，因此即使选择采样间隔更小，也具有足够好的实时性。基准和修正弹道采样点中间的虚线连线代表了在此采样点发生了时延，其中，加号 “+” 标记代表了在该采样点的时间尺度上实际位置超过了本应该在的位置，反之则用圆圈 “o” 标记，代表了位置上的落后。

　　此次仿真过程在约 50~100 采样点处有最大的时延：位置超前 3 个单位，时间上发生了 150ms 的超前。后直至识别结束时，由于发生了两次位置滞后，最终时空对应性数值结果为 + 50ms，符合设定的条件范围，证明管道识别方法具有足够的快速性，且能很好地监控弹道的时空对应性并输出解保命令。

　　3.2 其他弹道仿真

　　根据制导率的原理，可以通过对弹道坐标施加加速度产生的位移影响的方式来构建其他弹道模型，为验证通道方法的准确性和安全性，可得知序号 1,2 表示通道方法可以有效识别正常弹道信息;3,4 表明该种识别方法存在一定的误差容忍范围;1,3,5 表明了采用马氏距离的识别方法可以识别出两个方向偏差的差异性;6,7,8 表明该种识别方法在异常弹道情况下会因多种判别逻辑的存在而保证对异常弹道情况的准确剔除。经过验证表明，通道识别方法可以满足引信安全系统的快速性需求，参数设置合理时能够保证足够的安全性。

　　4 结束语

　　本文提出了一种基于空间域特征的引信安全控制方法，也称通道识别方法，该方法能够快速准确地识别出弹药飞行过程中的位置信息与基准弹道曲线的空间位置差异，同时具备对时效性的把握，利用空间与特征实现引信的安全控制。该方法利用马氏距离来度量空间位置差距，建立距离匹配窗口的方式来确定两弹道间最接近的采样点，并基于此过程记录下识别时间与时间对应性(时延)信息作为时效性依据之一，用马氏距离数值作为距离解保依据并判断是否小于最大容许距离差作为位置判断依据，再根据满足要求的采样点个数推算出满足距离条件的时间作为时效性判断依据之二，上述 3 种判断依据在逻辑上进行与运算构成了通道识别方法。经过仿真验证可知，本文的识别方法拥有足够的快速性与安全性，能够识别出多方向距离的差异性，对修正弹道有一定的误差容忍范围，对异常弹道能够通过逻辑判别准确筛出，证明了基于空间域特征的安全系统解保方法的可行性，为引信安全系统高性能安全控制提供了一种新的设计思路，并为解保策略的设计提供参考。

宫雪峰;李豪杰;陈志鹏;于 航,南京理工大学机械工程学院,202303