某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)訓(xùn)練保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

，

(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著國際戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)的發(fā)展，對(duì)海軍艦艇作戰(zhàn)能力的要求也越來越高，需要高素質(zhì)的作戰(zhàn)指揮員和操作手，才能充分發(fā)揮武器裝備的優(yōu)良性能。針對(duì)新的作戰(zhàn)要求，艦艇部隊(duì)需要進(jìn)行高強(qiáng)度、接近實(shí)戰(zhàn)的常態(tài)化訓(xùn)練，以檢驗(yàn)和提高艦艇的實(shí)際作戰(zhàn)能力[1]。為解決部隊(duì)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練中沒有空中目標(biāo)配合，導(dǎo)致某型艦空導(dǎo)彈武器裝備防空反導(dǎo)不能構(gòu)成閉環(huán)，無法實(shí)現(xiàn)全過程訓(xùn)練的難題，研制一種新型電子靶標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠真實(shí)模擬具有作戰(zhàn)背景的多種運(yùn)動(dòng)速度、多批次運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)，使某型艦空導(dǎo)彈武器裝備完成整個(gè)防空反導(dǎo)訓(xùn)練全過程，滿足當(dāng)前部隊(duì)軍事訓(xùn)練的迫切急需，開創(chuàng)了部隊(duì)訓(xùn)練新模式。

1 總體方案

該系統(tǒng)采用便攜式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行操作控制，通過人機(jī)交互的方式，可以完成目標(biāo)速度、間隔距離(以時(shí)間方式)和目標(biāo)批次等參數(shù)，提供不同的戰(zhàn)術(shù)背景和環(huán)境。顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況和導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)情況及彈目交會(huì)等內(nèi)容，通過接口總線控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

采用3個(gè)天線和高頻組合，接收3個(gè)波段的電磁信號(hào)(雷達(dá)信號(hào))，通過研制的中頻信號(hào)處理組合，對(duì)接收的電磁信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和延時(shí)等處理，發(fā)射輸出與3個(gè)電磁信號(hào)相參的雷達(dá)信號(hào)，并給出各階段的控制信號(hào)，點(diǎn)亮目標(biāo)和導(dǎo)彈紅外信號(hào)燈，為武器系統(tǒng)提供紅外信號(hào)。導(dǎo)彈紅外信號(hào)采用紅外燈帶，提供控制各個(gè)紅外燈的亮、滅，模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，或采用滑軌方式，滑塊上安裝紅外燈，利用滑塊的運(yùn)動(dòng)模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)可最大保障四批目標(biāo)的武器系統(tǒng)訓(xùn)練工作。

考慮到武器系統(tǒng)發(fā)射裝置的發(fā)射安全射界要求，采用氣動(dòng)桅桿升降設(shè)備，將3個(gè)雷達(dá)天線提升到5～10米的高度。為了保證安全，氣動(dòng)桅桿升降設(shè)備要求具有較高的安全系數(shù)。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)用于某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)防空系統(tǒng)訓(xùn)練中的信號(hào)保障。系統(tǒng)按時(shí)序接收、模擬、延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)雷達(dá)信號(hào)及模擬紅外信號(hào)源，配合武器系統(tǒng)完成完整作戰(zhàn)過程[2]。其主要功能包括：

1) 接收搜索雷達(dá)脈沖信號(hào)，按目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬目標(biāo)回波信號(hào)；

2) 接收火控雷達(dá)脈沖信號(hào)，按已設(shè)置的搜索雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬回波信號(hào)；

3) 接收制導(dǎo)指令信號(hào)，按導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程，產(chǎn)生導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)；

4) 產(chǎn)生目標(biāo)、導(dǎo)彈紅外信號(hào)，模擬導(dǎo)彈與目標(biāo)交會(huì)過程；

5) 設(shè)置目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

6) 系統(tǒng)自檢及故障檢測(cè)功能。

3 關(guān)鍵指標(biāo)確定

在研究分析某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)裝備使用要求的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，保證該系統(tǒng)具備配合完成該艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的防空反導(dǎo)訓(xùn)練任務(wù)。其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)包括：設(shè)備工作頻率、脈沖寬度、回波信號(hào)強(qiáng)度、模擬回波數(shù)量及參數(shù)、紅外信號(hào)源強(qiáng)度、測(cè)距范圍、工作環(huán)境、電源特性、可靠性、維修性、測(cè)試性、電磁兼容性和三防性能等方面。

4 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由天線組(包括搜索雷達(dá)、火控雷達(dá)和制導(dǎo)指令的3個(gè)工作波段天線)、信號(hào)處理機(jī)箱(包括：雷達(dá)收發(fā)組件、信號(hào)處理單元、接口單元、電源組)、主控計(jì)算機(jī)、紅外信號(hào)燈(目標(biāo)和導(dǎo)彈)、滑架和氣動(dòng)桅桿組合等組成。系統(tǒng)通過天線組接收艦載搜索雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，經(jīng)混頻、檢波后分離、提取出雷達(dá)信號(hào)特征和同步信號(hào)等信息，在同步信號(hào)的控制下與目標(biāo)生成模塊產(chǎn)生的相參的導(dǎo)彈型和飛機(jī)型目標(biāo)的反射回波相調(diào)制，由天線發(fā)射給艦載雷達(dá)，艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤該信號(hào)后為艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供目標(biāo)指示信息。同樣過程處理火控雷達(dá)信號(hào)，產(chǎn)生與搜索雷達(dá)相同參數(shù)和狀態(tài)的目標(biāo)信號(hào)，使火控雷達(dá)跟蹤目標(biāo)?？刂平M件控制紅外信號(hào)燈在滑架上下運(yùn)動(dòng)，模擬導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，系統(tǒng)電纜連接如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖2 系統(tǒng)電纜連接圖

4.1 雷達(dá)天線組

天線是該系統(tǒng)中重要組成部分，天線的結(jié)構(gòu)、尺寸和功率等是天線設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的幾大因素；該系統(tǒng)要求天線有較小的尺寸，以適應(yīng)裝備整體的便捷性；選擇相應(yīng)的天線類型和極化特性，高效接收雷達(dá)信號(hào)；增加天線波束的寬度，滿足天線對(duì)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單、快捷等要求。

4.2 信號(hào)處理機(jī)箱

該部分主要完成變頻和信號(hào)處理工作。

變頻處理是把天線接收到的3個(gè)工作波段的信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大、變頻、濾波等環(huán)節(jié)，把微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，其主要技術(shù)指標(biāo)包括靈敏度、阻塞和雜散響應(yīng)抑制、互調(diào)響應(yīng)抑制、輸出中頻特性等。為減小天線和變頻組件之間的損耗和干擾，將3個(gè)波段的器件設(shè)計(jì)在一個(gè)金屬外殼中，并加以密封。變頻原理如圖3所示。

圖3 變頻原理框圖

信號(hào)處理完成對(duì)雷達(dá)中頻信號(hào)的存儲(chǔ)、重構(gòu)，是產(chǎn)生相參的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)回波的基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

1)對(duì)搜索雷達(dá)目標(biāo)回波中頻信號(hào)的模擬；

2)對(duì)火控雷達(dá)目標(biāo)回波中頻信號(hào)的模擬；

3)對(duì)導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)的模擬；

4)對(duì)滑軌和紅外燈的控制。

按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)理念，將信號(hào)處理模塊按接口單元、中頻接收單元、數(shù)字射頻存儲(chǔ)單元和中頻調(diào)制單元進(jìn)行功能劃分。功能組成如圖4所示。

圖4 功能組成框圖

4.3 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過軟件控制雷達(dá)收發(fā)組件、中頻信號(hào)處理單元接收和發(fā)送3個(gè)工作波段的電磁信號(hào)?？刂颇M目標(biāo)和導(dǎo)彈的紅外信號(hào)燈點(diǎn)亮，控制滑塊按照導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，模擬導(dǎo)彈和目標(biāo)交會(huì)過程。

硬件上選用目前市場(chǎng)上主流CPU和主板，外形結(jié)構(gòu)采用Lp-55靈屏工控機(jī)。采用RS232通信接口與信號(hào)處理機(jī)箱連接，相互發(fā)送的主要信息報(bào)文見表1。

表1 主控計(jì)算機(jī)與信號(hào)處理機(jī)箱間信息報(bào)文

4.4 紅外信號(hào)燈

紅外信號(hào)燈用于為武器系統(tǒng)紅外跟蹤器產(chǎn)生目標(biāo)、導(dǎo)彈紅外信號(hào)。根據(jù)紅外跟蹤器工作波段選取適用的紅外信號(hào)光源，為了保證紅外跟蹤器穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，將16個(gè)光源組成一個(gè)方陣[3]，增加紅外光源的能量，如圖5所示。

圖5 光源方陣圖

4.5 滑架

為了實(shí)現(xiàn)紅外燈模擬導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在滑軌底部安裝模擬目標(biāo)的紅外燈，滑塊上安裝模擬導(dǎo)彈的紅外燈，在滑軌兩端安裝兩個(gè)漸近開關(guān)，滑塊在步進(jìn)電機(jī)和傳輸帶的控制下，沿導(dǎo)向桿進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，模擬導(dǎo)彈在紅外跟蹤器視場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況。機(jī)械設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 機(jī)械設(shè)計(jì)圖

4.6 氣動(dòng)桅桿

該便攜式桅桿可以在不同高度上升降，以配合不同艦型武器裝備的高度，利用固定鋼纜進(jìn)行三角形方式固定桅桿。也可將便攜式桅桿依靠到艦上固定支架上，用繩子固定好。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件組成

軟件由系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用軟件和共用的標(biāo)準(zhǔn)化軟件模塊組成；系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用軟件包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置應(yīng)用軟件、運(yùn)動(dòng)特性處理應(yīng)用軟件、彈目交會(huì)處理應(yīng)用軟件、運(yùn)動(dòng)部件控制應(yīng)用軟件、設(shè)備自檢應(yīng)用軟件等，分別用于完成各分系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)化軟件模塊由RTX時(shí)間同步支持、數(shù)據(jù)監(jiān)聽服務(wù)、態(tài)勢(shì)顯示、表頁顯示、曲線顯示、狀態(tài)顯示等功能模塊和時(shí)間同步軟件組成，是各分系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)或運(yùn)行的基礎(chǔ)[4]。

系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)框圖

5.2 軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)目標(biāo)保障系統(tǒng)的工作要求，更好地達(dá)到海軍艦艇部隊(duì)訓(xùn)練目的，對(duì)軟件流程設(shè)計(jì)如下：

1)提取搜索雷達(dá)脈沖信號(hào)，并以此作為啟動(dòng)信號(hào)。根據(jù)設(shè)置目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要求，由信號(hào)處理模塊按所需目標(biāo)距離、速度等特征產(chǎn)生搜索雷達(dá)的回波信號(hào)。

2)接收到跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)后，按設(shè)置的搜索雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征，產(chǎn)生火控雷達(dá)回波信號(hào)，并由天線發(fā)射回波信號(hào)，保證模擬的兩個(gè)雷達(dá)信號(hào)同步，運(yùn)動(dòng)特征相同。

3)接收到制導(dǎo)指令的信號(hào)，作為導(dǎo)彈的零位信號(hào)，送給指令波段信號(hào)處理模塊，指令波段信號(hào)處理模塊按導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程，產(chǎn)生導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模擬信號(hào)，通過天線發(fā)射。

4)系統(tǒng)通過計(jì)算導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)位置，模擬導(dǎo)彈與目標(biāo)交會(huì)過程。當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)距離小于100 m時(shí)，則停止發(fā)射各回波信號(hào)，模擬彈目交會(huì)，完成攔截訓(xùn)練過程。

5)所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離都到1 km時(shí)，該題結(jié)束、全系統(tǒng)復(fù)位，進(jìn)入下一循環(huán)。

6)所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)都與導(dǎo)彈交匯后，該題結(jié)束、全系統(tǒng)復(fù)位，進(jìn)入下一循環(huán)。

7)彈目交匯后，停發(fā)導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)，導(dǎo)彈紅外燈復(fù)位，被交匯目標(biāo)復(fù)位到m1km(靜止)，其它模擬目標(biāo)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

8)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)到m2km后，停發(fā)導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)，導(dǎo)彈紅外燈復(fù)位。

9)導(dǎo)彈模擬發(fā)射后，若超過n秒沒有收到導(dǎo)彈指令信號(hào)，停發(fā)導(dǎo)彈應(yīng)答信號(hào)，導(dǎo)彈紅外燈復(fù)位，所有目標(biāo)的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

10)后續(xù)導(dǎo)彈發(fā)射后，導(dǎo)彈紅外燈點(diǎn)亮，開始往下走(默認(rèn)導(dǎo)彈紅外燈在滑到中央處)。

軟件流程設(shè)計(jì)詳如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程框圖

5.3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

為了保證該訓(xùn)練系統(tǒng)的保障真實(shí)性，以武器系統(tǒng)工作原理為基礎(chǔ)，對(duì)四方面關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[5]。

1)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置:通過操作界面可以設(shè)定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括：目標(biāo)批次、目標(biāo)間隔距離、目標(biāo)速度及目標(biāo)初始距離。

2)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性處理:按照設(shè)備設(shè)置要求，根據(jù)雷達(dá)脈沖信號(hào)的頻率信息，生成不同運(yùn)動(dòng)特性的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括：目標(biāo)距離、運(yùn)動(dòng)速度等。

3)信號(hào)處理:通過接收天線接收不同波段的雷達(dá)脈沖信號(hào)，提取雷達(dá)脈沖信號(hào)的相位、頻率信息，按設(shè)置可以產(chǎn)生不同間隔的多個(gè)啟始信號(hào)，作為多批目標(biāo)回波的啟始信號(hào)。

4)彈目交會(huì)處理:通過判決彈目交會(huì)情況，為信號(hào)模擬提供停止信號(hào)。

判斷彈目交會(huì)是中止導(dǎo)彈回波模擬、搜索雷達(dá)和火控雷達(dá)目標(biāo)回波模擬及停止紅外信號(hào)源的前提。即當(dāng)彈目交會(huì)后，武器系統(tǒng)將停止發(fā)送制導(dǎo)指令，結(jié)束作戰(zhàn)過程。因此要求模擬系統(tǒng)判斷彈目交會(huì)后，應(yīng)立即停止模擬導(dǎo)彈回波、搜索雷達(dá)和火控雷達(dá)目標(biāo)回波模擬，同時(shí)關(guān)閉目標(biāo)和導(dǎo)彈紅外信號(hào)燈電源。

6 保障實(shí)效

該訓(xùn)練保障系統(tǒng)研制完成后，先后在海軍不同艦隊(duì)配合作戰(zhàn)艦艇完成了某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的防空反導(dǎo)訓(xùn)練及演練工作，工作科目包括單目標(biāo)攔截、同向多目標(biāo)攔截、目標(biāo)二次攔截及轉(zhuǎn)火打擊等。

過程中，該訓(xùn)練目標(biāo)保障系統(tǒng)能為某型導(dǎo)彈防空系統(tǒng)提供3個(gè)工作波段的雷達(dá)信號(hào)，可以正常按時(shí)序接收、模擬、延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)雷達(dá)信號(hào)及模擬紅外信號(hào)源，配合武器系統(tǒng)完成完整作戰(zhàn)過程。

7 結(jié)束語

本文針對(duì)艦艇部隊(duì)開展實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的實(shí)際需求，給出了基于傳感器信號(hào)模擬的某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)訓(xùn)練保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)于其他作戰(zhàn)工作特點(diǎn)的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的訓(xùn)練保障系統(tǒng)建設(shè)有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，為部隊(duì)科研單位開展相應(yīng)的保障建設(shè)工作提供思路及經(jīng)驗(yàn)。

該訓(xùn)練保障系統(tǒng)研制交裝后，配合實(shí)裝艦艇完成防空反導(dǎo)訓(xùn)練、演練任務(wù)，對(duì)操作人員水平提高和武器系統(tǒng)性能發(fā)揮有顯著的幫輔作用，開創(chuàng)了部隊(duì)利用電子靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的新模式。

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