某有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬洪霞，梁 彥

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)42分隊(duì)，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

掠海有源靶彈主要是模擬敵配裝末制導(dǎo)雷達(dá)的反艦導(dǎo)彈跟蹤攻擊被試艦艇，以考核裝配微波被動(dòng)導(dǎo)引頭的艦空導(dǎo)彈反導(dǎo)能力的空中靶標(biāo)，其要求靶彈的微波輻射源穩(wěn)定照射被試艦艇。當(dāng)前使用的有源靶彈主要采用裝備時(shí)間較長(zhǎng)的反艦導(dǎo)彈改裝，靶彈微波輻射源對(duì)被試艦艇的照射則利用原型彈的導(dǎo)引頭自動(dòng)撲捉跟蹤被試艦艇。由于靶彈原型彈導(dǎo)引頭存在超出使用壽命、靈敏度較低等原因，而造成導(dǎo)引頭撲捉跟蹤被試艦艇不穩(wěn)定、旁瓣撲捉、錯(cuò)撲其它目標(biāo)等問(wèn)題，從而，大大降低了供靶成功率。因此，為解決裝備試驗(yàn)的急需，提高供靶成功率，研制了在原掠海有源靶末制導(dǎo)雷達(dá)基礎(chǔ)上的微波源程序指向系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)要求

通過(guò)有源靶彈的對(duì)目標(biāo)艦的照射需求和不同供靶航路、靶彈原末制導(dǎo)雷達(dá)的關(guān)系，綜合論證了微波源程序指向系統(tǒng)的主要功能、改裝要求、主要技術(shù)指標(biāo)等技術(shù)要求。

1.1 功能要求

掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的主要功能是，當(dāng)靶彈原末制導(dǎo)雷達(dá)工作異常時(shí)，控制原型彈末制導(dǎo)雷達(dá)主波束穩(wěn)定的對(duì)準(zhǔn)被試艦艇，具體功能為:

1)輔助跟蹤功能。當(dāng)末制導(dǎo)雷達(dá)不能穩(wěn)定撲捉跟蹤被試艦艇時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的供靶方案，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)或程序指向，控制末制導(dǎo)雷達(dá)主波束準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)被試艦艇;

2)自動(dòng)切換功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)末制導(dǎo)雷達(dá)的工作狀態(tài)，當(dāng)工作異常時(shí)，自動(dòng)切換到程序指向的輔助跟蹤狀態(tài);

3)射前裝訂功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)要求，通過(guò)射前裝訂方式，設(shè)置工作狀態(tài)。

4)狀態(tài)監(jiān)視功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄、自動(dòng)判斷，并下傳末制導(dǎo)雷達(dá)的工作狀態(tài)及其主波束指向等到安控地面站并顯示。

1.2 改裝要求

由于該系統(tǒng)是在改裝成熟的原有源靶彈基礎(chǔ)上，為解決試驗(yàn)急需而進(jìn)行的，因此，改裝具體要求為:

1)改動(dòng)內(nèi)容盡可能少，應(yīng)滿足靶彈現(xiàn)有空間、供電等要求;

2)增加該系統(tǒng)后，不能影響原型靶彈的性能、指標(biāo);

3)系統(tǒng)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)論證，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):

指向精度: ＜3°(1σ);

指向計(jì)算時(shí)間:＜2 ms;

指向計(jì)算周期:＜100 ms;

指向延遲:雷達(dá)開機(jī)3.2 s識(shí)別雷達(dá)狀態(tài)，若狀態(tài)異常，0.3 s后自動(dòng)切換程序指向狀態(tài);

有效時(shí)間:≥30 s。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)有源靶彈供靶保障中存在的問(wèn)題和系統(tǒng)研制的技術(shù)要求，確定了將彈上安控系統(tǒng)與微波源程序指向系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)地面站軟件進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)的研制思路。靶彈安控系統(tǒng)主要包括彈上安控系統(tǒng)，安控地面站組成，程序指向系統(tǒng)就是在原有彈上安控系統(tǒng)上進(jìn)行硬件擴(kuò)容，軟件升級(jí)。同時(shí)，對(duì)安控地面站的指令和指示傳輸顯示通道擴(kuò)充，該部分只涉及軟件升級(jí)工作。

1)立足現(xiàn)有安控器及主被動(dòng)地面站體系，遵循向下兼容，進(jìn)行無(wú)縫升級(jí);

2)拓展安控器功能，挖掘已有硬件資源潛力，滿足微波源程序指向功能需求;

3)維持安控器系統(tǒng)定型模式，增加控制微波源控制接口，維持原有數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，確保系統(tǒng)可靠性;

4)沿用原有主被動(dòng)地面站體制，通過(guò)擴(kuò)展輸入輸出開關(guān)量通道及升級(jí)軟件，完成程序指向功能擴(kuò)展;

5)共用靶載安控器計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)供靶飛行中指向信息實(shí)時(shí)解算，控制微波源完成指向功能。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是在原靶彈安控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，對(duì)靶彈彈上安控系統(tǒng)進(jìn)行硬件D/A接口擴(kuò)充，在原安控器基礎(chǔ)上，擴(kuò)展4路輸出，用于程序指向電壓、程序指向標(biāo)志電壓控制;利用原指令輸出擴(kuò)展微波輔助控制指令，控制微波輔助繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射方向的控制，見(jiàn)圖1虛線部分。

2.3 程序指向角計(jì)算模型

圖1 系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)框圖

對(duì)于靶彈雷達(dá)機(jī)械軸與彈軸有一個(gè)固定夾角為α，靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角記為β［1］。以靶彈發(fā)射點(diǎn)O為原點(diǎn)，以理論射向?yàn)閤軸，按右手定則水平方向垂直x軸為z軸建立發(fā)射坐標(biāo)系，t時(shí)刻靶彈位置為B(x1，z1)，被試艦位置為A(x2，z2)，如圖2所示，直線OB與直線BA夾角即為靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角β［2］，計(jì)算公式為:

式中，k1為直線OB斜率，k2為直線BA斜率。

圖2 發(fā)射坐標(biāo)系靶彈、被試艦與雷達(dá)視線關(guān)系

靶彈位置B(x1，z1)來(lái)自靶彈安控GPS數(shù)據(jù)，發(fā)射艦位置A(x2，z2)根據(jù)協(xié)同程序推算，B點(diǎn)、A點(diǎn)坐標(biāo)均為大地坐標(biāo) (B緯度，L經(jīng)度，H高度)，實(shí)際使用時(shí)先把大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo) (x，y，z)再將地心直角坐標(biāo)(x，y，z) 轉(zhuǎn)換為靶彈發(fā)射坐標(biāo)系［3］。

轉(zhuǎn)換矩陣為:

式中，αF為靶彈射向，靶彈在發(fā)射坐標(biāo)系坐標(biāo)為:

被試艦位置使用理論航路進(jìn)行推算，首先將靶彈發(fā)射時(shí)被試艦的位置 (大地坐標(biāo)，高度用0)計(jì)算出在靶彈發(fā)射坐標(biāo)系的位置，在XOZ平面上根據(jù)被試艦的航向和航速，確定一條射線，根據(jù)靶彈飛行時(shí)間來(lái)確定其位置［4］。

設(shè)靶彈發(fā)射時(shí)刻為T0，T0時(shí)刻被試艦在XOZ平面上的位置是XS0、ZS0，航向?yàn)棣?單位為°，真北方位角)，航速為VS(單位是m/s)，則其航路可用直線方程來(lái)表示。

靶彈的發(fā)射系坐標(biāo)已知，被試艦的發(fā)射系坐標(biāo)已知，天線機(jī)械偏角已知，即可根據(jù)反正切函數(shù)計(jì)算角度。

2.4 程序指向系統(tǒng)的工作模式設(shè)計(jì)

2.4.1 程序指向系統(tǒng)工作模式

程序指向系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種工作模式，各工作模式間可以相互切換，使系統(tǒng)工作靈活。

1)工作模式1:雷達(dá)模式。

該模式為原型彈末制導(dǎo)雷達(dá)的工作模式，其能較為真實(shí)地模擬彈載和機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)搜索、捕捉、跟蹤的全過(guò)程，不依賴外部提供靶標(biāo)位置和姿態(tài)信息，獨(dú)立性強(qiáng)，天線對(duì)準(zhǔn)精度高［5］。

2)工作模式2:自動(dòng)控制模式。

該模式是靶彈末制導(dǎo)雷達(dá)工作異常時(shí)的主要工作模式，其實(shí)時(shí)解算靶載微波源天線軸線與目標(biāo)之間的夾角［6］，與天線當(dāng)前角度相比較形成解算方位誤差信號(hào)代替來(lái)自信號(hào)接收及處理系統(tǒng)真實(shí)角誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)天線對(duì)準(zhǔn)預(yù)定目標(biāo)的工作模式。該模式簡(jiǎn)化了原配末制導(dǎo)雷達(dá)功能，輻射微波源只需要微波發(fā)射組合、天線伺服機(jī)構(gòu)等少數(shù)部件正常工作即可實(shí)現(xiàn)定向輻射，對(duì)原末制導(dǎo)雷達(dá)的要求降低，可靠性提高。

3)工作模式3:程序指向模式。

該模式為工作模式2的備用模式，其利用射前裝定的理論彈道數(shù)據(jù)代替靶標(biāo)的位置及運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行指向角解算［7］，驅(qū)動(dòng)天線定向輻射的工作模式。該模式同樣簡(jiǎn)化了原配末制導(dǎo)雷達(dá)功能，對(duì)雷達(dá)要求降低。

2.4.2 程序指向系統(tǒng)三種工作模式的切換

靶彈發(fā)射后，靶載微波源首先進(jìn)入雷達(dá)模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索與跟蹤以實(shí)現(xiàn)定向輻射;當(dāng)雷達(dá)不能正常捕獲目標(biāo)時(shí)，利用靶標(biāo)位置及姿態(tài)等信息自動(dòng)解算天線指向角轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制模式;當(dāng)靶標(biāo)位置等數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí) (如出現(xiàn)慣導(dǎo)故障、GPS失捕或信號(hào)傳輸故障等情況)，則自動(dòng)進(jìn)入天線程序控制模式，引入理論彈道數(shù)據(jù)控制天線按程序轉(zhuǎn)動(dòng)照射預(yù)定目標(biāo)。

2.5 程序指向系統(tǒng)接入末制導(dǎo)雷達(dá)控制回路設(shè)計(jì)

雷達(dá)方位控制電壓和程序指向電壓切換電路如圖3所示。彈上安控PC－104計(jì)算機(jī)發(fā)出輔控指令，繼電器J1吸合，常開點(diǎn)接到運(yùn)算放大器輸出端，計(jì)算機(jī)依據(jù)靶彈當(dāng)前位置和攔截艦位置計(jì)算出程序指向角，通過(guò)D/A1通道輸出到運(yùn)算放大器輸入端，這時(shí)雷達(dá)電軸在程序指向電壓作用下指向攔截艦;同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)出輔控標(biāo)志置位指令，繼電器J2吸合，輸出+27 V控制電壓到雷達(dá)伺服機(jī)構(gòu)使雷達(dá)天線接入程序指向回路。

圖3 雷達(dá)方位控制電壓和程序指向電壓切換電路

2.6 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在安控系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、自主式安控解算、被動(dòng)式安控接收、指令控制和輔助測(cè)試等軟件的基礎(chǔ)上，增加程序指向模塊，作為一個(gè)軟件模塊嵌入到原安控程序，軟件組成見(jiàn)圖4。該模塊利用GPS實(shí)時(shí)獲取靶彈飛行數(shù)據(jù)及發(fā)射點(diǎn)、攔截艦位置信息，通過(guò)PC－104計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序指向模塊，解算結(jié)果由D/A擴(kuò)展模塊輸出給微波源控制組合，控制輻射天線指向目標(biāo)艦艇。

圖4 軟件組成框圖

程序指向模塊與安控程序共享CPU等硬件資源，在軟件初始化階段讀入程序指向配置文件，在執(zhí)行原安控指令后，如果不需要執(zhí)行程序指向，則安控程序執(zhí)行原下傳信息編碼模塊;如果滿足程序執(zhí)行發(fā)出條件，或接受到被動(dòng)“輔控指令”，則執(zhí)行程序指向模塊。程序指向模塊先計(jì)算程序指向角，變換成控制電壓數(shù)據(jù)寫入D/A，再發(fā)出“輔控指令”、“輔控標(biāo)志”指令［8］，然后執(zhí)行下傳信息編碼模塊，軟件流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

程序指向模塊中計(jì)算程序指向角的原始數(shù)據(jù)為靶彈GPS經(jīng)緯度、攔截艦坐標(biāo)等都是離散數(shù)據(jù)，使得輸出指向角也是每2 ms更新一次的離散數(shù)字量，經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換形成微波源指向模擬量是不平滑的模擬電壓，從而引起微波源伺服系統(tǒng)工作不平穩(wěn)，為了平穩(wěn)控制微波源，須對(duì)指向角進(jìn)行數(shù)字濾波處理，而安控器PC104計(jì)算機(jī)中無(wú)硬件濾波通道，因此，設(shè)計(jì)了軟件數(shù)字濾波模塊完成指向角濾波功能。

程序指向模塊仍然借助PC－104開發(fā)工具，采用Visual C++語(yǔ)言編寫運(yùn)算與控制軟件，編寫調(diào)試完成后，首先由模擬數(shù)據(jù)輸入模型，測(cè)試模型輸出數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)硬件輸出后，儀器監(jiān)測(cè)輸出模擬量，由數(shù)據(jù)分析軟件分析數(shù)據(jù)正確性;實(shí)驗(yàn)室單機(jī)調(diào)試階段，主要進(jìn)行改進(jìn)后電路板與接口配置正確性檢查和通路檢查，以及一體化安控系統(tǒng)軟件運(yùn)行后輸出測(cè)試，軟件正確性驗(yàn)證;與靶彈對(duì)接調(diào)試階段，主要進(jìn)行接口對(duì)接，檢查改進(jìn)正確性;仿真驗(yàn)證階段，依據(jù)以往實(shí)際海上飛行數(shù)據(jù)，輸入真實(shí)的靶彈GPS、攔截艦、發(fā)射點(diǎn)信息，驗(yàn)證指向角輸出正確性和指向精度。

主被動(dòng)安控地面站軟件升級(jí)包括控制板軟件升級(jí)和地面站顯控軟件的升級(jí)改造。控制板軟件升級(jí)保持原有布局，將備用“被動(dòng)自毀”指令及按鈕更改為“程序指向”指令及按鈕，將航控電壓顯示時(shí)間由150 s壓縮到90 s以便觀察;地面站顯控軟件的升級(jí)為了監(jiān)控程序指向系統(tǒng)輔控效果，而增加地面站監(jiān)控功能，其需增加下傳數(shù)據(jù)容量，方法是在安控器系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)包由一幀64字節(jié)調(diào)整為72字節(jié)，新增數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)包最后，維持以往數(shù)據(jù)定義，不影響數(shù)據(jù)接收提取，僅微調(diào)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量。

3 工程應(yīng)用

3.1 裝配靶彈情況

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備、工作可靠、指向精度高、通用性好等特點(diǎn)，已成功裝配于2個(gè)系列多型有源靶彈，解決了不同靶彈的不同型號(hào)、不同頻率、不同波束寬度微波源在不同供靶方案情況下的精準(zhǔn)指向問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的通用。

3.2 供靶試驗(yàn)情況

該系統(tǒng)已7次成功應(yīng)用于靶場(chǎng)試驗(yàn)供靶任務(wù)，其中，4次為雷達(dá)模式供靶，3次為自動(dòng)模式供靶。在這3次自動(dòng)模式供靶中，2次為末制導(dǎo)雷達(dá)副瓣撲捉、1次為錯(cuò)誤撲捉其它目標(biāo)的異常情況，系統(tǒng)均能夠準(zhǔn)確判斷雷達(dá)情況，自動(dòng)切換到自動(dòng)控制模式，避免了3枚靶彈的無(wú)效供靶。

3.3 供靶精度分析

某次供靶任務(wù)中，系統(tǒng)首先進(jìn)入雷達(dá)模式，但雷達(dá)模式出現(xiàn)副瓣撲捉照射現(xiàn)象，系統(tǒng)判斷后，利用靶標(biāo)位置及姿態(tài)等信息自動(dòng)解算天線指向角轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制模式，程序指向角與靶彈雷達(dá)航控電壓比對(duì)見(jiàn)圖6。

圖6 程序指向角與靶彈雷達(dá)航控電壓比對(duì)圖

可見(jiàn)前10 s，二者最大差值為0.44 V，換算成角度大約0.25°;10～15 s間，最大差值為2.88 V，換算成角度大約1.7°;15～30 s間，近似 2°［9］; 由于開環(huán)控制，雷達(dá)伺服控制誤差近似為 1°［10］。

經(jīng)分析，微波輔助控制產(chǎn)生的綜合誤差主要來(lái)源于算法誤差σ1，靶彈GPS定位誤差σ2、攔截艦艦位誤差σ3，靶彈雷達(dá)固定偏角誤差σ4、靶彈雷達(dá)伺服非線性誤差σ5及靶彈雷達(dá)伺服控制誤差σ6，則綜合誤差σ［11］可用下式表示:

經(jīng)計(jì)算得，程序指向綜合誤差σ為:σ＜2.3°。

因此，程序指向方法產(chǎn)生的綜合誤差小于指標(biāo)3°，滿足供靶要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于有源靶彈安控系統(tǒng)的微波源程序指向系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)方案，論證了微波源程序指向系統(tǒng)的技術(shù)要求，建立了程序指向角計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了程序指向系統(tǒng)的雷達(dá)模式、自動(dòng)控制模式和程序指向模式等三種能夠自動(dòng)切換的工作模式，研制了掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)，闡述了微波源程序指向系統(tǒng)的裝配靶彈情況和實(shí)際供靶飛行情況。掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的研制成功，解決了有源靶彈供靶過(guò)程中存在的微波源對(duì)攔截艦艇照射不穩(wěn)定，而導(dǎo)致供靶失敗的問(wèn)題，本文對(duì)其它型號(hào)有源靶彈的研制也具有一定的借鑒作用。