一種用于無(wú)人靶機(jī)的紅外干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng)

張正成，王軍林，李凡聰，王棟梁，王曉慶

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院,陜西 華陰 714200)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)要取得優(yōu)勢(shì),在很大程度上取決于制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能。強(qiáng)對(duì)抗是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的顯著特征,因此,在制導(dǎo)控制技術(shù)非常成熟的當(dāng)下,抗干擾設(shè)計(jì)是制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。對(duì)于不同制導(dǎo)體制的制導(dǎo)系統(tǒng),會(huì)有相應(yīng)的對(duì)抗干擾手段，如紅外制導(dǎo)體制的導(dǎo)彈工作原理是根據(jù)熱輻射分布情況實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自主搜索、捕獲、識(shí)別和跟蹤,滿足抗紅外干擾性能,準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)和背景間微小的輻射是其總體性能的核心指標(biāo),也是提高和改善武器系統(tǒng)性能的重要保證。因此,通過(guò)不同抗干擾程度的實(shí)彈飛行試驗(yàn),測(cè)試評(píng)估紅外抗干擾措施有效性,是紅外制導(dǎo)體制導(dǎo)彈試驗(yàn)的重要內(nèi)容。

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)中包含導(dǎo)彈抗紅外干擾性能指標(biāo)的考核科目,試驗(yàn)流程為:在無(wú)人靶機(jī)起飛后,按照預(yù)先規(guī)劃的航跡和模式,以一定高度平飛至進(jìn)入點(diǎn)、曳光管點(diǎn)燃點(diǎn)(滿足紅外輻射強(qiáng)度)后,導(dǎo)彈擇機(jī)進(jìn)行發(fā)射,此時(shí)，靶機(jī)上的紅外投放裝置按一定的時(shí)間延遲和投放間隔,投放紅外干擾彈,在靶機(jī)周?chē)欢臻g范圍內(nèi)形成紅外干擾源,構(gòu)成抗干擾試驗(yàn)條件。在彈靶遭遇后,計(jì)算脫靶量,對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。導(dǎo)彈擇機(jī)發(fā)射時(shí),干擾彈的投放則是由發(fā)射車(chē)的發(fā)控系統(tǒng)提供導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)，啟動(dòng)干擾投放裝置，進(jìn)行干擾彈投放。但是，對(duì)于不同設(shè)計(jì)理念的發(fā)射系統(tǒng),發(fā)控時(shí)序設(shè)計(jì)千差萬(wàn)別,甚至有的發(fā)射系統(tǒng)未設(shè)計(jì)發(fā)控信號(hào)輸出接口,對(duì)于這些情況，只在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)人工觸發(fā)干擾彈投放,抗干擾程度不統(tǒng)一,考核強(qiáng)度降低。并且，此種人工觸發(fā)方式較為固定,只能在靶機(jī)起飛前固化在裝置內(nèi),通過(guò)一次性全部投放或以固定時(shí)間間隔進(jìn)行投放,當(dāng)靶機(jī)起飛后發(fā)現(xiàn)投放模式設(shè)置有誤或試驗(yàn)條件變化需要對(duì)投放參數(shù)進(jìn)行修改時(shí),無(wú)法進(jìn)行重新加載。

為形成相對(duì)統(tǒng)一的試驗(yàn)條件,以充分驗(yàn)證導(dǎo)彈的抗干擾性能指標(biāo)，本文根據(jù)干擾彈機(jī)理,結(jié)合投放具體參數(shù),設(shè)計(jì)了一套干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng),將常見(jiàn)的試驗(yàn)方案由發(fā)控信號(hào)內(nèi)部觸發(fā)模式改為導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)觸發(fā)模式,即由系統(tǒng)自動(dòng)采集導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào),完成控制投放系統(tǒng)進(jìn)行紅外干擾彈自動(dòng)投放。

1 干擾彈投放原理

紅外干擾彈通過(guò)燃燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射模擬虛假目標(biāo),以誘騙紅外導(dǎo)引頭的跟蹤點(diǎn)移動(dòng)到干擾彈目標(biāo)上,使得導(dǎo)引頭丟失真實(shí)目標(biāo),錯(cuò)誤地跟蹤并攻擊干擾彈目標(biāo)。而誘騙能否成功,與干擾彈的釋放時(shí)機(jī)和釋放方式有密切的關(guān)系。如圖1所示的飛行航路,待靶機(jī)進(jìn)入點(diǎn)后,武器系統(tǒng)進(jìn)行搜索、跟蹤;在點(diǎn)時(shí),點(diǎn)燃曳光管,當(dāng)武器系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤后,導(dǎo)彈即刻發(fā)射;在點(diǎn)遭遇,若未遭遇,靶機(jī)進(jìn)入退出點(diǎn),飛離試驗(yàn)區(qū)域。若紅外干擾投放點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)早、投放間隔過(guò)短、投放數(shù)量少時(shí),會(huì)出現(xiàn)干擾彈燃盡后,目標(biāo)還沒(méi)有飛出導(dǎo)引頭視場(chǎng),此時(shí)，導(dǎo)彈還能跟蹤并攻擊目標(biāo),未能充分干擾考核導(dǎo)彈攻擊性能;若干擾投放點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)晚時(shí),未能誘騙導(dǎo)彈飛離目標(biāo),此時(shí)，目標(biāo)若還在導(dǎo)彈殺傷半徑內(nèi),沒(méi)有起到干擾的效果。通過(guò)以上分析可知,在紅外制導(dǎo)防空導(dǎo)彈的抗干擾性試驗(yàn)過(guò)程中,為有效測(cè)試評(píng)估抗干擾措施有效性,必須能夠按照試驗(yàn)要求對(duì)投放時(shí)刻、投放數(shù)量、投放間隔等投放參數(shù)進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)置。

圖1 靶機(jī)飛行航路示意圖

在機(jī)載紅外誘餌作戰(zhàn)時(shí),干擾投放時(shí)刻根據(jù)飛機(jī)進(jìn)入敵方導(dǎo)彈攻擊區(qū)時(shí)刻得出,投放數(shù)量則是先根據(jù)干擾概率，求得飛機(jī)和誘餌彈的輻射強(qiáng)度比,再依據(jù)誘餌彈輻射強(qiáng)度計(jì)算得出。時(shí)間間隔需根據(jù)誘餌彈投放時(shí)刻和飛機(jī)即將移出導(dǎo)引頭視場(chǎng)時(shí)刻的時(shí)間間隔計(jì)算得出。而作為防空武器系統(tǒng)的性能試驗(yàn),由于產(chǎn)品參數(shù)不一致,通過(guò)以上方法計(jì)算得到的投放控制參數(shù)不一致,導(dǎo)致試驗(yàn)條件不統(tǒng)一。為建立統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),按照靶機(jī)預(yù)先規(guī)劃的航路,干擾投放定義為彈動(dòng)后的固定時(shí)間開(kāi)始投放,將抗干擾程度劃分為中等抗干擾和全程抗干擾,投放數(shù)量按照抗干擾程度計(jì)算得出,投放間隔按照投放時(shí)刻及投放數(shù)量計(jì)算得出,使得導(dǎo)彈在最遠(yuǎn)遭遇點(diǎn)處還能進(jìn)行干擾。

2 干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)防空武器的紅外抗干擾試驗(yàn)需求,為實(shí)現(xiàn)無(wú)人靶機(jī)按照投放控制參數(shù)對(duì)紅外干擾彈準(zhǔn)確投放,避免由人工觸發(fā)干擾彈投放時(shí)產(chǎn)生的抗干擾程度不統(tǒng)一,考核強(qiáng)度降低,參數(shù)固化無(wú)法更改等現(xiàn)象,對(duì)干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)分系統(tǒng)、地面站控制分系統(tǒng)、干擾彈拋撒分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多用途干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的工作原理為:由火焰觸發(fā)器瞄準(zhǔn)導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)尾部完成導(dǎo)彈發(fā)火信號(hào)采集后,信號(hào)處理器輸出兩路觸發(fā)信號(hào),第一路信號(hào)觸發(fā)時(shí)統(tǒng)儀器記錄發(fā)射零時(shí),第二路信號(hào)傳輸給地面控制分系統(tǒng);地面站控制分系統(tǒng)完成投放延時(shí)、投放間隔等投放參數(shù)設(shè)置,待接收到第二路觸發(fā)信號(hào)后,干擾彈投放指令通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送給投放控制終端機(jī),通過(guò)干擾彈投放器完成紅外干擾彈投放。

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)分系統(tǒng)

導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)分系統(tǒng)主要完成導(dǎo)彈發(fā)火零時(shí)測(cè)試、導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)信號(hào)輸出等功能,主要由火焰觸發(fā)器、時(shí)統(tǒng)等組成。其中，火焰觸發(fā)器工作原理如圖3所示,導(dǎo)彈發(fā)射瞬間,針對(duì)導(dǎo)彈尾焰特有的光譜特性,首先，通過(guò)紅外濾波片過(guò)濾可見(jiàn)光,去除部分干擾,確?；鹧嬗|發(fā)器可靠觸發(fā);然后，根據(jù)光電二極管探測(cè)到的尾焰光能量,輸出正比于該火光信號(hào)光能量的電流信號(hào),將電流信號(hào)經(jīng)流壓轉(zhuǎn)換電路輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),電壓信號(hào)再經(jīng)前級(jí)交流放大電路、后級(jí)信號(hào)處理電路輸出一定幅值的模擬信號(hào),模擬信號(hào)與比較器閾值相比較,輸出兩路TTL觸發(fā)信號(hào),其中一路TTL觸發(fā)信號(hào)接入時(shí)統(tǒng),記錄導(dǎo)彈點(diǎn)火零時(shí)。

圖3 導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)分系統(tǒng)工作原理

為提高系統(tǒng)的可靠性,防止出現(xiàn)漏觸發(fā)、誤觸發(fā)現(xiàn)象,本文采用兩臺(tái)火焰觸發(fā)器對(duì)導(dǎo)彈尾部進(jìn)行瞄準(zhǔn),探測(cè)火光信號(hào),輸出的觸發(fā)信號(hào)同步輸入地面站控制分系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 火焰觸發(fā)器中的光電探測(cè)器

2.2.2 地面站控制分系統(tǒng)

地面站控制分系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示,由PC端控制臺(tái)、投放控制發(fā)射機(jī)等組成,主要完成干擾彈投放控制。工作原理為利用投放控制發(fā)射機(jī),實(shí)現(xiàn)PC控制臺(tái)和投放控制終端之間的通信。投放控制終端接收來(lái)自PC控制臺(tái)的指令,對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、接收和存儲(chǔ),并完成投放模式的設(shè)置及點(diǎn)火指令的接收。

圖5 地面站控制分系統(tǒng)組成

1)PC端控制臺(tái)

在地面站控制分系統(tǒng)中，PC端控制臺(tái)由I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換盒和投放控制軟件組成。I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換盒如圖6所示,通過(guò)以太網(wǎng)控制8路開(kāi)關(guān)量的輸入輸出,集成硬件TCP/IP協(xié)議棧,作為聯(lián)網(wǎng)控制端。開(kāi)關(guān)量輸入采用光電隔離,分為2組,每組共用1個(gè)公共端,可分別設(shè)置為干節(jié)點(diǎn)或濕節(jié)點(diǎn)。濕節(jié)點(diǎn)時(shí),0～2.8 V為低電平,3.7～28 V為高電平。

圖6 I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換盒

投放控制軟件采用VisualStudio2015編譯器中C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā),控制軟件系統(tǒng)界面如圖7所示，主要分為服務(wù)器信息、輸入狀態(tài)、輸出狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)欄四大模塊。服務(wù)器信息功能為：將控制主機(jī)與I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換盒用網(wǎng)線連接,并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。其中：斷通信號(hào)由I/O轉(zhuǎn)換盒輸出,常斷開(kāi)為等待投放,常開(kāi)為正常投放;網(wǎng)絡(luò)信號(hào)由控制軟件輸出,在等待投放的過(guò)程中，向固定IP地址發(fā)送“0xEB,0x90,0x00,0x7b”,在接收到導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)檢測(cè)分系統(tǒng)的TTL信號(hào)時(shí),進(jìn)入投放模式,并向固定IP發(fā)送“0xEB,0x90,0x11,0x8c”。服務(wù)器信息功能模塊中投放參數(shù)設(shè)置完成干擾彈投放時(shí)的投放參數(shù),如起投時(shí)間、投放時(shí)間間隔等參數(shù)設(shè)置。

圖7 控制軟件系統(tǒng)界面

輸入狀態(tài)欄為8路開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)指示燈,可輸入通斷或斷通信號(hào)。輸出狀態(tài)欄為8路開(kāi)關(guān)量輸出狀態(tài)指示燈,可輸出通斷或斷通信號(hào)。系統(tǒng)狀態(tài)欄完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)投放模式數(shù)據(jù)、投放指令、點(diǎn)火電壓與工作電壓的采集和終端工作狀態(tài)的反饋等功能。為防止火焰探測(cè)器未探測(cè)出尾焰點(diǎn)火,出現(xiàn)干擾彈投放漏觸發(fā),在該系統(tǒng)中還加入手工發(fā)送投放信號(hào),作為應(yīng)急措施，確保干擾彈準(zhǔn)確無(wú)誤投放。

2)投放控制發(fā)射機(jī)

投放控制發(fā)射機(jī)可以發(fā)送、處理由控制系統(tǒng)處理的指令,并通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送指令,接收投放控制終端機(jī)返回的指令。

2.2.3 干擾彈拋撒分系統(tǒng)

干擾彈拋撒分系統(tǒng)由投放控制終端機(jī)和投放器組成,投放器是干擾彈的裝填以及點(diǎn)火投放裝置。工作原理如圖8所示,當(dāng)投放控制終端中無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)接收到來(lái)自地面測(cè)控站的控制指令時(shí),投放控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、接收和存儲(chǔ),完成投放模式的設(shè)置及點(diǎn)火指令的接收,利用控制單元的I/O口輸出信號(hào)，完成紅外干擾彈的點(diǎn)火控制,實(shí)現(xiàn)靶機(jī)上干擾彈的投放任務(wù),同時(shí)投放控制終端將所有的操作都返回至地面測(cè)控站。

圖8 投放控制終端機(jī)工作流程

2.3 系統(tǒng)工作流程

為保證試驗(yàn)條件的一致性,本文為干擾彈投放系統(tǒng)制定了統(tǒng)一的工作流程,具體如圖9所示。

圖9 干擾彈自動(dòng)投放系統(tǒng)工作流程

發(fā)射窗口前,按要求統(tǒng)一測(cè)試設(shè)備進(jìn)行布設(shè),連接完成各分系統(tǒng)設(shè)備后進(jìn)行上電,軟、硬件復(fù)位后,完成以下操作:1)地面控制站發(fā)送自檢指令,投放控制終端返回自檢結(jié)果至地面站;2)地面控制站發(fā)送投放參數(shù)設(shè)置,投放控制終端，返回設(shè)置結(jié)果;3)地面控制站發(fā)送點(diǎn)火指令,檢查地面控制站發(fā)送投放參數(shù)設(shè)置反饋的投放參數(shù)是否有誤。完成以上操作后,檢測(cè)地面站控制分系統(tǒng)與干擾彈拋撒分系統(tǒng)通信是否正常,若出現(xiàn)異常,對(duì)各模塊設(shè)備進(jìn)行檢查,直至通信正常。

然后,利用強(qiáng)光源對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。具體操作方式為：通過(guò)強(qiáng)光手電照射火焰觸發(fā)器的光電探測(cè)器鏡頭部位,模擬導(dǎo)彈點(diǎn)火狀態(tài),檢查時(shí)統(tǒng)、PC端控制臺(tái)、投放器是否正常工作。正常工作條件下，完成此項(xiàng)工作后,對(duì)干擾彈進(jìn)行裝填,然后，靶機(jī)起飛,待進(jìn)入航線后點(diǎn)燃曳光管,等待導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)，完成干擾彈投放。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)射2發(fā)防空導(dǎo)彈,投放裝置均按照試驗(yàn)要求準(zhǔn)確進(jìn)行投放,具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)和干擾彈投放零時(shí)

干擾彈投放過(guò)程如圖10所示。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集,達(dá)到無(wú)誤觸發(fā)信號(hào),可靠地輸出觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，能夠滿足導(dǎo)彈抗干擾試驗(yàn)的時(shí)延誤差要求,提高了試驗(yàn)條件的一致性。

圖10 靶機(jī)投放干擾彈瞬間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)的無(wú)人靶機(jī)紅外干擾彈投放系統(tǒng)。在導(dǎo)彈點(diǎn)火信號(hào)采集、干擾彈投放參數(shù)設(shè)計(jì)、干擾彈投放過(guò)程中大大減少了人為因素導(dǎo)致的試驗(yàn)條件不一致現(xiàn)象,成功解決了人工投放干擾彈帶來(lái)的誤差,充分驗(yàn)證了導(dǎo)彈的抗干擾性能指標(biāo)。未來(lái)該系統(tǒng)還可以運(yùn)用在箔條干擾彈等其他類(lèi)型的導(dǎo)彈抗干擾試驗(yàn)中。