便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)研究

梅志偉,顧浩卿,凌 麗,劉鄭州,陳 志

（上海機(jī)電工程研究所，上海，201109）

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便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)研究

梅志偉,顧浩卿,凌 麗,劉鄭州,陳 志

（上海機(jī)電工程研究所，上海，201109）

摘要：本文從作戰(zhàn)實(shí)際需求出發(fā)，分析了便攜式防空導(dǎo)彈在使用過程中存在的不足，提出了開發(fā)便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)必要性，并介紹了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，最后指出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：便攜式防空導(dǎo)彈；作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

0　引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，隨著以巡航導(dǎo)彈為代表的現(xiàn)代空襲兵器快速發(fā)展，作為承擔(dān)低空、超低空防空任務(wù)的便攜式防空導(dǎo)彈，所面臨的作戰(zhàn)任務(wù)越來越嚴(yán)峻，如何在現(xiàn)有條件下進(jìn)一步提升便攜式防空武器的作戰(zhàn)效能成為廣泛研究的熱點(diǎn)。

1　便攜式防空導(dǎo)彈的優(yōu)勢(shì)與不足

便攜式防空導(dǎo)彈與其它防空武器相比，具有較多優(yōu)勢(shì)：體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性好、操作使用簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。但是，在單兵肩射條件下，便攜式防空導(dǎo)彈在作戰(zhàn)使用中也暴露出諸多不足，包括：

射手發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離近，捕獲目標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)。目前便攜式防空導(dǎo)彈射手搜索目標(biāo)主要采取上級(jí)概略指示或射手自我搜索的模式，受能見度等天氣因素影響，觀測(cè)距離受到很大限制，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)需要較長(zhǎng)時(shí)間。而若想對(duì)高速目標(biāo)形成有效射擊，射手需要在8～10km的距離就要開始發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，這對(duì)于依靠目視搜索的射手來說，很難做到。由于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離近，最佳攔截時(shí)機(jī)容易錯(cuò)過，甚至出現(xiàn)目標(biāo)飛出殺傷區(qū)的情況。觀測(cè)距離嚴(yán)重限制了便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)性能的提升，傳統(tǒng)的光學(xué)瞄準(zhǔn)具和紅外夜視瞄準(zhǔn)具雖然在一定程度上提升了射手發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，但仍無法及時(shí)準(zhǔn)確判斷來襲目標(biāo)的種類、速度和方位等信息。

圖1　便攜式防空導(dǎo)彈目標(biāo)導(dǎo)引指揮系統(tǒng)組成圖

難以協(xié)同作戰(zhàn)，火力指揮難度大。作為末端防御武器，便攜式防空導(dǎo)彈承擔(dān)了整個(gè)防空體系中對(duì)目標(biāo)的最后攔截任務(wù)，必須保證有較高的攔截概率。組織和指揮便攜式防空導(dǎo)彈各單元火力進(jìn)行集火射擊、轉(zhuǎn)火射擊（單目標(biāo)多次攔截、多目標(biāo)分配攔截）是作戰(zhàn)任務(wù)完成的重要保障。而單兵分散作戰(zhàn)的方式，彼此間很難協(xié)同，與其他防空武器更無法統(tǒng)一指揮，對(duì)指揮帶來了不便，不易根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行火力分配，會(huì)導(dǎo)致攔截效率的降低。

2　便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)

為了克服便攜式防空導(dǎo)彈使用過程中存在的不足，充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，需要為單兵射手提供目標(biāo)的信息指示、目標(biāo)搜索導(dǎo)引、射擊目標(biāo)分配等必要信息，以便于射手快速鎖定目標(biāo)并把握最佳發(fā)射時(shí)機(jī)。更進(jìn)一步，將探測(cè)到的目標(biāo)飛行諸元與防空導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)信息共享，導(dǎo)彈發(fā)射前對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行融合處理，并形成相應(yīng)的控制策略，有利于提高導(dǎo)彈命中概率和命中精度。

2.1總體方案

要實(shí)現(xiàn)為單兵射手提供目標(biāo)指示、導(dǎo)引、分配及信息共享等功能，需要解決空勤信息接收（或自主探測(cè)）、目標(biāo)分配、信息交互、射手位置信息測(cè)量、裝筒彈當(dāng)前姿態(tài)角度測(cè)量、空勤提供的目標(biāo)信息與射手坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、裝筒彈指向誤差計(jì)算及導(dǎo)引指示等問題。

在實(shí)現(xiàn)方式上將以上功能需求分為四大模塊，分別為指揮控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、位置及姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和目標(biāo)信息融合處理終端。

2.2指揮控制系統(tǒng)

指揮控制系統(tǒng)是整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的控制中樞，可通過以太網(wǎng)接入上級(jí)空情網(wǎng)或友鄰部隊(duì)空情網(wǎng)，也可外接低空搜索雷達(dá)，接收來襲的目標(biāo)信息；同時(shí)，還可以通過無線數(shù)傳電臺(tái)接收各射手終端回傳的位置信息、目標(biāo)指向信息及裝備工作狀態(tài)。

指揮控制系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行敵我識(shí)別和威脅判斷，根據(jù)威脅程度和射手實(shí)際位置，按照最優(yōu)原則（或手動(dòng)操作）給不同位置射手進(jìn)行目標(biāo)分配/撤銷/更換，并且可以根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況下達(dá)目標(biāo)禁射/恢復(fù)射擊等命令。

指揮控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示控制臺(tái)、信息處理軟件和無線收發(fā)電臺(tái)組成，考慮作戰(zhàn)使用便攜性要求，將該三部分集成為一臺(tái)體積適中、重量不大于10kg的便攜式設(shè)備。指揮控制系統(tǒng)一般裝備于便攜式防空導(dǎo)彈排，最多可同時(shí)給16個(gè)射手單元提供目標(biāo)導(dǎo)引。

2.3無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)用于連接指揮控制系統(tǒng)與各射手終端，無線通信系統(tǒng)支持TDMA組網(wǎng)方式，支持?jǐn)?shù)話同傳，數(shù)傳通信距離不小于5km。

指揮控制系統(tǒng)采用通播的方式每間隔0.5s向各射手終端發(fā)送一次數(shù)據(jù)報(bào)文，內(nèi)容包括：源地址、目的地址、流水號(hào)、目標(biāo)批號(hào)、敵我屬性、目標(biāo)控制指令和目標(biāo)位置（含目標(biāo)斜距、方位角和俯仰角）等信息。

各射手終端每間隔1s向指揮控制系統(tǒng)回傳一次數(shù)據(jù)報(bào)文，內(nèi)容包括：源地址、目的地址、流水號(hào)、當(dāng)前位置信息、當(dāng)前指向信息（含方位和俯仰方向）、當(dāng)前工作狀態(tài)。

2.4位置及姿態(tài)測(cè)量

位置測(cè)量裝置用于測(cè)量射手所在的大地坐標(biāo)位置，包括經(jīng)度、緯度和海拔高度信息，并通過無線通信方式上傳至指揮控制系統(tǒng)。

姿態(tài)測(cè)量裝置與發(fā)射筒固連，在使用之前需要對(duì)姿態(tài)測(cè)量裝置進(jìn)行指北標(biāo)定，確定方位方向零位；內(nèi)置的姿態(tài)傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量裝筒彈相對(duì)于水平方向的俯仰角和與北向的方位角。位置測(cè)量裝置和姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)得的位置和姿態(tài)信息統(tǒng)一發(fā)送至目標(biāo)信息融合處理終端。

射手位置和裝筒彈指向姿態(tài)測(cè)量是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器測(cè)量誤差直接影響到射手對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)精度。

2.5目標(biāo)信息融合處理終端

目標(biāo)信息融合處理終端接收指揮控制系統(tǒng)給出的目標(biāo)位置信息，并根據(jù)射手的位置信息進(jìn)行解算，將目標(biāo)位置信息轉(zhuǎn)換到射手坐標(biāo)系；同時(shí)，根據(jù)姿態(tài)傳感器輸出的裝筒彈實(shí)際高低、方位指向，進(jìn)行求差計(jì)算，并將得到的誤差信號(hào)Δx，Δy顯示在終端屏幕上，用于提示和輔助射手轉(zhuǎn)動(dòng)裝筒彈瞄準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，目標(biāo)信息融合處理終端還可以顯示上級(jí)指揮控制系統(tǒng)下達(dá)的目標(biāo)禁射/恢復(fù)射擊指令。

2.6目標(biāo)導(dǎo)引算法

目標(biāo)搜索雷達(dá)提供的空情信息包括：雷達(dá)當(dāng)前位置（經(jīng)度(LL)、緯度（BL）、高度(HL)）、目標(biāo)位置信息（斜距RL、方位角AL、俯仰角EL）；射手終端傳感器測(cè)得的位置及姿態(tài)信息包括：射手當(dāng)前位置（經(jīng)度(LSi)、緯度（BSi）、高度（HSi））、裝筒彈方位指向角()、裝筒彈俯仰指向角（）。

將雷達(dá)位置信息和射手位置信息按以下公式從大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系，分別得到雷達(dá)位置坐標(biāo)（XDL，ZDL），高度為HDL；射手位置坐標(biāo)（XDS，ZDS），高度為HDS。

轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，

地球橢球的長(zhǎng)半徑 a = 6378245.0000000000 m

地球橢球的短半徑 b = 6356863.0187730473 m

目標(biāo)位置在以搜索雷達(dá)天線陣面中心為原點(diǎn)的大地測(cè)量坐標(biāo)系下的位置用三個(gè)坐標(biāo)分量表示為：

則目標(biāo)位置在以射手肩部為原點(diǎn)的大地測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量（XSi，YSi，ZSi）表示如下：

目標(biāo)的斜距Rsi、方位角Ai、俯仰角Ei為：

射手對(duì)目標(biāo)的指向誤差為：

3　需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1裝筒彈方位指向測(cè)量

一般傳統(tǒng)的方位指向測(cè)量通常采用微機(jī)械慣組MEMS+GPS為核心的定位定向設(shè)備，MEMS為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供載體的靜態(tài)方位和姿態(tài)信息，雙GPS天線可以提供載體準(zhǔn)確的靜態(tài)方位信息，MEMS+GPS組合提供載體的動(dòng)態(tài)方位和姿態(tài)信息；由于射手在作戰(zhàn)準(zhǔn)備過程中位置并不固定，且背負(fù)裝備體積重量嚴(yán)格受限，雙GPS天線測(cè)量方位的方案并不適合本系統(tǒng)。

本文提出了采用指北標(biāo)定的方法，即射手首先通過輔助儀器確定大地坐標(biāo)系真北方向，然后將裝筒彈對(duì)準(zhǔn)北向，對(duì)傳感器進(jìn)行零位標(biāo)定。

3.2目標(biāo)導(dǎo)引精度

便攜式導(dǎo)彈導(dǎo)引頭視場(chǎng)一般都很小，要想準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)，系統(tǒng)的引導(dǎo)誤差應(yīng)控制在視場(chǎng)范圍內(nèi)。影響導(dǎo)引精度的誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差包括位置及姿態(tài)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)安裝誤差、位置解算誤差；隨機(jī)誤差包括上級(jí)空情信息測(cè)量誤差、指北零位標(biāo)定誤差、射手位置測(cè)量誤差、裝筒彈姿態(tài)測(cè)量誤差。受限于體積、重量及成本因素，指北零位標(biāo)定和姿態(tài)測(cè)量難以保證很高的精度，是主要的誤差源。

3.3便攜式小型化設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)狀態(tài)下，位置及姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和目標(biāo)信息融合終端與裝筒彈為固連狀態(tài)，需要射手肩扛，因此，應(yīng)充分考慮小型化、輕量化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)單兵攜帶的要求，一般不應(yīng)超過0.5～1kg?？紤]到野外作戰(zhàn)隱蔽性和機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，指揮控制系統(tǒng)由單兵攜帶，其重量設(shè)計(jì)也應(yīng)嚴(yán)格控制。

4　結(jié)束語

便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)作為便攜式導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，可以有效解決單兵肩射面臨的諸多使用方面的不足，提高了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。其輕量化、小型化的特點(diǎn)，符合單兵武器的實(shí)際要求；同時(shí)，較低的設(shè)計(jì)成本也很好的滿足了市場(chǎng)的需求。

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The research of man-portable air defense missile operation command systems

Mei Zhiwei，Gu Haoqing，Ling Li，Liu Zhengzhou，Chen Zhi
(Shanghai Institute of mechanical and electrical engineering, Shanghai, 201109)

Abstract：This article based on the actual requirement of war，analysis the defect of the operation manportable air defense missile，present the necessity of man-portable command systems，finally，give the technical solution and critical technologies.

Keywords：man-portable air defense missile;command systems;critical technologies