一種反末敏彈武器系統(tǒng)中央控制器設(shè)計(jì)

馮鵬鵬，殷希梅

(陸軍軍官學(xué)院， 合肥 230031)

隨著裝甲防護(hù)水平的不斷提高，各國一直致力于研制一種射程遠(yuǎn)、精度高、威力大、作戰(zhàn)效率高的精確打擊反裝甲彈藥。精確打擊彈藥如美國“銅斑蛇”末制導(dǎo)炮彈、“薩達(dá)姆”末敏彈等應(yīng)運(yùn)而生，這些新型彈藥為部隊(duì)打擊集群式的坦克裝甲目標(biāo)提供了必要條件。在眾多精確打擊反裝甲彈藥中，末敏彈脫穎而出。它技術(shù)復(fù)雜度低，沒有精密復(fù)雜的制導(dǎo)系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，效費(fèi)比高，是一種真正實(shí)現(xiàn)了“發(fā)射后不用管”的信息化智能炮彈，專門攻擊坦克、裝甲車輛的頂部防護(hù)最薄弱的地方，對(duì)坦克裝甲目標(biāo)造成了很大的威脅[1-4]。

反末敏彈武器系統(tǒng)是專門應(yīng)對(duì)末敏彈這類攻頂彈藥的武器系統(tǒng)，其武器效能直接關(guān)系到被保護(hù)裝甲車輛的生存，而中央控制器是整個(gè)武器系統(tǒng)的控制大腦，為保證系統(tǒng)功能的發(fā)揮，設(shè)計(jì)先進(jìn)的高性能的中央控制器是關(guān)鍵。為此，本研究開展反末敏彈武器系統(tǒng)中央控制器的研究設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)防護(hù)能力，為裝甲車輛提供堅(jiān)實(shí)的保護(hù)傘。

1 系統(tǒng)原理

1.1 反末敏彈武器系統(tǒng)組成及工作過程

反末敏彈武器系統(tǒng)屬于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，主要用于防御末敏彈這類攻頂彈藥的打擊，對(duì)于增強(qiáng)坦克裝甲車輛的防護(hù)能力、提高作戰(zhàn)效能意義重大。系統(tǒng)主要由目標(biāo)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)、中央控制器、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、攔截彈丸、毫米波干擾系統(tǒng)等部分組成，工作過程如圖1所示。

系統(tǒng)供電，雷達(dá)開始搜索探測(cè)工作，判斷其有效探測(cè)區(qū)域內(nèi)有無末敏彈目標(biāo)。當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)末敏彈時(shí)，雷達(dá)迅速發(fā)現(xiàn)并定位目標(biāo)，然后將探測(cè)的末敏子彈位置信息傳送給中央控制器，中央控制器根據(jù)雷達(dá)提供的信息對(duì)末敏子彈的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并實(shí)時(shí)解算射擊諸元引導(dǎo)隨動(dòng)控制系統(tǒng)跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)末敏子彈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)，距地面約200 m，子彈落速降至約10 m/s，此時(shí)，中央控制器再次根據(jù)雷達(dá)提供的末敏子彈信息對(duì)子彈的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確計(jì)算，引導(dǎo)隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并適時(shí)給出攔截彈的發(fā)射點(diǎn)火信號(hào)。當(dāng)攔截彈發(fā)射后，雷達(dá)同時(shí)追蹤攔截彈和末敏子彈，中央控制器實(shí)時(shí)計(jì)算彈目距離，在最佳炸點(diǎn)處給出攔截彈丸引爆指令。引爆指令通過雷達(dá)傳輸?shù)綇椵d指令引信，引爆攔截彈戰(zhàn)斗部，從而對(duì)末敏子彈造成毀傷，使其喪失作戰(zhàn)能力。之后，雷達(dá)再次探測(cè)目標(biāo)，對(duì)毀傷效果做出評(píng)估，如果目標(biāo)未被擊中，則重復(fù)上述射擊過程。在此過程中，毫米波干擾系統(tǒng)持續(xù)發(fā)射干擾信號(hào)對(duì)末敏子彈的毫米波探測(cè)裝置實(shí)施干擾。

1.2 中央控制器設(shè)計(jì)原理

中央控制器是反末敏彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，通過以上對(duì)武器系統(tǒng)的組成及工作過程分析，將中央控制器的功能概括如下：

1) 完成與目標(biāo)探測(cè)跟蹤雷達(dá)之間的通信，能夠正確向雷達(dá)發(fā)送控制指令，并準(zhǔn)確接收雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)；

2) 完成與隨動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊之間的通信，得到隨動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角信息；

3) 完成與隨動(dòng)控制系統(tǒng)之間的通信，驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)按照角度調(diào)整指令轉(zhuǎn)動(dòng)到正確方位；

4) 通過數(shù)字I/O口與顯示模塊傳送數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、毀傷情況等信息；

5) 進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算，包括對(duì)目標(biāo)的飛行軌跡進(jìn)行濾波和預(yù)測(cè)、計(jì)算攔截點(diǎn)、解算射擊諸元等。

中央控制器工作過程(圖2)為：首先，中央控制器與目標(biāo)探測(cè)跟蹤雷達(dá)進(jìn)行通信，接收雷達(dá)測(cè)得的末敏彈位置信息，對(duì)此末敏彈位置進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)坐標(biāo)系到武器平臺(tái)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，得到末敏彈的當(dāng)前位置坐標(biāo)；其次，根據(jù)末敏彈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)計(jì)算末敏彈的提前點(diǎn)位置坐標(biāo)；再次，根據(jù)末敏彈提前點(diǎn)位置，解算攔截彈的射擊諸元；然后，與隨動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊進(jìn)行通信，得到隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，從而根據(jù)射擊諸元驅(qū)動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度，發(fā)射攔截彈丸；最后，與目標(biāo)探測(cè)跟蹤雷達(dá)進(jìn)行通信，傳送攔截彈引爆指令，實(shí)現(xiàn)毀傷目的。在此過程中，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、通信狀況、戰(zhàn)場(chǎng)情況、目標(biāo)實(shí)時(shí)位置、毀傷效果等信息。

2 中央控制器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)1.2節(jié)的中央控制器設(shè)計(jì)原理分析可知，中央控制器硬件電路可分為5個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，即主控制器部分，隨動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊，通信模塊，顯示模塊和電源模塊。中央控制器硬件總體框圖如圖3所示，其中主控制器部分以STM32F407VGT6控制器為主體，是整個(gè)中央控制器的大腦，負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體的運(yùn)行控制與任務(wù)調(diào)度，運(yùn)行速度可高達(dá)168 MHz，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；隨動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊以STM32F103C8T6芯片為處理核心，外圍由兩個(gè)姿態(tài)測(cè)量傳感器LSM303DLHC和MPU6050組成，通過IIC接口讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)系統(tǒng)發(fā)射身管實(shí)時(shí)姿態(tài)角的解算，解算角度符合系統(tǒng)精度要求；通信模塊主要包含RS232和RS422串口以及CAN通信接口，實(shí)現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)的傳輸，RS422通信速率最高達(dá)35 Mbps，CAN通信可達(dá)1 Mbps，符合系統(tǒng)通信要求；顯示模塊通過I/O口與主控制器通信，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息；電源模塊主要負(fù)責(zé)提供5 V和3.3 V的電壓，通過電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)[5-7]。

3 中央控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體流程圖

軟件總體流程如圖4所示，中央控制器上電后，首先完成系統(tǒng)初始化，而后通過響應(yīng)中斷接收來自雷達(dá)的數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議，判斷是否接收正確，如果接收正確，則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，判斷是否構(gòu)成威脅，并解算火炮的射擊諸元，發(fā)送調(diào)整指令，發(fā)射攔截彈丸，滿足引爆條件則發(fā)送引爆指令，最后評(píng)估毀傷效果，一次攔截過程結(jié)束。

3.2 火控解算

火控解算是軟件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)的末敏彈位置信息，經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，求解末敏彈提前點(diǎn)坐標(biāo)，最終計(jì)算并向攔截彈發(fā)射身管輸出射擊諸元，引爆攔截彈丸，對(duì)末敏彈進(jìn)行毀傷。

末敏彈運(yùn)動(dòng)分為母彈拋射段，子母彈分離段，減速減旋段和穩(wěn)態(tài)掃描段，由于前3個(gè)階段末敏彈的落速、轉(zhuǎn)速急劇變化，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化很大，對(duì)其攔截打擊難度比較大，當(dāng)末敏彈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)時(shí)，下落高度在200 m左右，轉(zhuǎn)速約3.5 r/s，末敏子彈的傘彈系統(tǒng)速度主要是垂直方向的落速，在10 m/s左右，由于橫風(fēng)的影響，也存在水平方向的速度，但不會(huì)對(duì)其彈道運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生很大的影響，可近似認(rèn)定末敏彈在此階段做小擾動(dòng)的勻速下落運(yùn)動(dòng)，因此該段是對(duì)其進(jìn)行攔截打擊的最佳階段，該系統(tǒng)主要用于在穩(wěn)態(tài)掃描段對(duì)末敏彈位置信息精確解算定位并進(jìn)行攔截打擊，達(dá)到毀傷效果[8-12]。

3.2.1 末敏彈當(dāng)前位置求取

末敏彈的位置信息由武器系統(tǒng)中的雷達(dá)探測(cè)得到，其初始位置參數(shù)是用球形坐標(biāo)系表示的，即t時(shí)刻末敏彈的位置為Mt(βt,εt,Dt)，通過球坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將末敏彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)用直角坐標(biāo)系的參量表示，得到雷達(dá)坐標(biāo)系下末敏彈坐標(biāo)Mr(xr,yr,hr,vrx,vry,vrh)：

(2)

(3)

末敏彈位置信息是雷達(dá)探測(cè)得到的，以雷達(dá)坐標(biāo)系為參考；攔截彈射擊諸元是以武器平臺(tái)坐標(biāo)系為參考的，因此要根據(jù)武器系統(tǒng)中雷達(dá)和武器平臺(tái)的實(shí)際位置關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。在反末敏彈武器系統(tǒng)中，攔截彈發(fā)射身管安裝于武器平臺(tái)上，在方位角和俯仰角方向都可轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)固定于發(fā)射身管中間靠上位置，根據(jù)此位置關(guān)系，建立雷達(dá)坐標(biāo)系與武器平臺(tái)坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖5中O-XYH為武器平臺(tái)坐標(biāo)系，OH為發(fā)射身管初始狀態(tài)，O1-X1Y1H1為雷達(dá)坐標(biāo)系的初始位置，位于武器平臺(tái)的正上方h處，h為雷達(dá)安裝高度；在t時(shí)刻，由于發(fā)射身管隨著隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)坐標(biāo)系變?yōu)镺2-X2Y2H2，此時(shí)，發(fā)射身管位置為方位角α，俯仰角θ，即雷達(dá)坐標(biāo)系相對(duì)于武器平臺(tái)坐標(biāo)系的方位角為α，俯仰角為θ，α和θ由隨動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊測(cè)得。

經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到武器平臺(tái)坐標(biāo)系下末敏彈坐標(biāo)Mw(xw,yw,hw)，即為t時(shí)刻末敏彈的當(dāng)前位置

(4)

3.2.2 末敏彈提前點(diǎn)位置求取

末敏彈的提前點(diǎn)位置與它自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、攔截系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、攔截彈的飛行時(shí)間以及系統(tǒng)火控計(jì)算機(jī)的計(jì)算周期有關(guān)。設(shè)提前點(diǎn)坐標(biāo)為Mp(xp,yp,hp)；攔截系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為(vlx,vly)，其中vlx為攔截系統(tǒng)在X軸方向的運(yùn)動(dòng)速度，vly為攔截系統(tǒng)在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)速度；攔截彈的飛行時(shí)間為tf；系統(tǒng)火控計(jì)算機(jī)的計(jì)算周期為T；則根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，可得提前點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算式

(5)

式中，除了攔截彈的飛行時(shí)間，其他參量都是已知的，因此要想求出末敏彈提前點(diǎn)的坐標(biāo)，需要知道飛行時(shí)間，而飛行時(shí)間又是根據(jù)提前點(diǎn)的位置確定的。顯然，tf是(xp,yp,hp)的函數(shù)，列彈道方程

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，用迭代法可求得飛行時(shí)間及提前點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.3 確定射擊諸元

在求出末敏彈的提前點(diǎn)位置之后，為了指引攔截彈精確到達(dá)提前點(diǎn)命中目標(biāo)，需要賦予武器系統(tǒng)準(zhǔn)確的射擊諸元，也就是發(fā)射炮管的方位角與俯仰角(β,ε)。將提前點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Mp(xp,yp,hp)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Mp(βp,εp,Dp)，其計(jì)算式為

(7)

已知提前點(diǎn)位置Mp，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行修正，最終得到攔截彈的射擊諸元[13-15]。

4 結(jié)論

反末敏彈武器系統(tǒng)的研究對(duì)于提高裝甲的防護(hù)水平意義重大，立足裝甲防護(hù)能力，本研究介紹了反末敏彈武器系統(tǒng)的組成及工作過程，立足中央控制器的功能需求，從硬件和軟件兩方面對(duì)反末敏彈武器系統(tǒng)中央控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)后續(xù)反末敏彈武器系統(tǒng)的研制具有借鑒意義。

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