某型超近程主動防護攔截系統(tǒng)設(shè)計*

姜逢宇，熊自明，劉一鳴，楊智謙

(陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

0 引言

島礁工程、單機隱蔽庫、雷達陣地等大型地面或半地下固定目標是敵空中精確打擊的重點對象。面對定位準確、速度快、破壞力大的來襲彈藥，采用干擾、引偏、擊爆等防護手段的綜合防護技術(shù)是未來的發(fā)展方向[1]。為保護重要經(jīng)濟目標，世界各國都重點研發(fā)了不同規(guī)格的地面防空系統(tǒng)，如美國研制的“復(fù)仇者”[2]，俄羅斯研制的的“鎧甲”[3]，以及我國研制的“倚天”[4]等。但是這些防空系統(tǒng)均未將網(wǎng)彈攔截作為攔截來襲彈藥的方式。超近程防護是避免防護目標遭受來襲彈藥直接打擊的最后一個屏障[5]。超近程防護技術(shù)一般指來襲彈藥在臨近防護目標時使其失去破壞效能的硬殺傷性技術(shù)，具有有效攔截距離近、反應(yīng)時間短、提前預(yù)瞄和靈活組配的特點，是主動防護技術(shù)的一種重要形式[6]。超近程防護仍然屬于非接觸防護的一種。某型超近程主動攔截防護系統(tǒng)作為一種新概念主動防護系統(tǒng)，通過實時探測較近距離范圍內(nèi)來襲彈藥的速度和方位，隨動發(fā)射攔截網(wǎng)彈，在距離防護目標幾十米范圍內(nèi)擊爆來襲彈藥，使防護目標可能受到的侵徹損傷變?yōu)槠破蜎_擊波損傷，大大降低來襲彈藥對防護目標防護層的破壞，有效提高防護目標的生存能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計理念

結(jié)合系統(tǒng)防御對象的實際特征和系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)應(yīng)具有反應(yīng)速度快、可靠性高、安全性好、抗干擾能力強等特點。

1.1 反應(yīng)速度快

高速飛行的目標被探測到時已在僅僅幾公里之外，留給系統(tǒng)做出攔截反應(yīng)的時間只有幾秒，因此需要系統(tǒng)的控制部分在探測到目標后快速判斷是否需要攔截，而后快速做出反應(yīng)。

1.2 可靠性高、安全性好

超近程攔截防護通常沒有防護失敗后再進行二次攔截的機會，因此要求系統(tǒng)使用的算法能夠準確預(yù)測來襲目標的運動路線并進行有效攔截。

1.3 抗干擾能力強

復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，系統(tǒng)在硬件設(shè)計上需要采用安全穩(wěn)定、抗干擾能力強的組件，確保在任何條件下系統(tǒng)能夠正常工作。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由雷達探測系統(tǒng)、攔截網(wǎng)彈系統(tǒng)、隨動/發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)各部分協(xié)同作用以完成對來襲目標的探測、軌跡預(yù)測和攔截。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2.1 雷達探測系統(tǒng)

雷達探測系統(tǒng)是主動防護系統(tǒng)的“眼睛”，在較近距離范圍內(nèi)，探測、跟蹤和識別來襲彈藥，獲取來襲彈藥距離、速度和方位角等信息，并將數(shù)據(jù)實時傳輸給控制系統(tǒng)進行航跡預(yù)測和火控指令生成。探測系統(tǒng)使用的連續(xù)波雷達具有峰值功率低、測距測速精度高、無近距離盲區(qū)、反應(yīng)時間快、虛警漏警低、抗干擾能力強、體積小、易實現(xiàn)等特點。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)功能和作用原理，選取STM32F407為主控制芯片，負責觸摸屏、報警、起爆等功能的控制；TMS320F28335為協(xié)控芯片，負責接收雷達探測數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)算法處理，包括彈道擬合、航跡預(yù)測和火控解算等；TMS320F28335芯片還負責轉(zhuǎn)臺兩個電機的控制以及碼盤速度反饋控制；電源模塊負責為控制系統(tǒng)各個部分提供所需電壓。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2.3 隨動/發(fā)射系統(tǒng)

系統(tǒng)作用距離非常近，作用時間非常短，這就要求配套的隨動系統(tǒng)提供很高的角速度，同時發(fā)射系統(tǒng)提供很高的發(fā)射初速度。一體化設(shè)計的隨動/發(fā)射系統(tǒng)包括二維轉(zhuǎn)臺和一套對稱放置的多管發(fā)射系統(tǒng)。

2.4 攔截網(wǎng)彈系統(tǒng)

2.4.1網(wǎng)彈總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)彈總體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時充分考慮了雷達探測系統(tǒng)探測誤差、目標落點散布、風(fēng)速影響等主要誤差因素，確保網(wǎng)彈在最佳交匯距離范圍內(nèi)實現(xiàn)對目標的完全覆蓋。

2.4.2引信系統(tǒng)

引信系統(tǒng)布置于網(wǎng)彈總體結(jié)構(gòu)上，主要用于在極近距離上發(fā)現(xiàn)目標，通過引戰(zhàn)配合算法適時給出點火控制信號，并傳輸給多路起爆器進行發(fā)火控制。引信系統(tǒng)還具有一定的安保和自毀功能，引信內(nèi)布置有自毀電路，當引信未能在預(yù)定時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標或無目標與攔截網(wǎng)彈相碰撞時，系統(tǒng)將發(fā)出信號使整個攔截網(wǎng)彈爆炸自毀，以保證安全。引信系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 引信系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)工作原理

在系統(tǒng)各組成部分配合作用下，系統(tǒng)可以完成目標探測、攔截網(wǎng)彈發(fā)射、展開、EFP戰(zhàn)斗部起爆、毀傷等任務(wù)。

3.1 雷達探測系統(tǒng)工作原理

雷達探測系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警信號，在目標飛行軌跡末端一定空域范圍內(nèi)，探測并給出來襲目標的速度、距離、方位信息，實時傳送給控制系統(tǒng)。雷達接收數(shù)據(jù)后，通過差分方式傳輸給主控計算機。數(shù)據(jù)處理時，需要將十六進制補碼形式的雷達傳輸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，并乘以分辨率，得到對應(yīng)球坐標系中的俯仰角、方位角、徑向速度和徑向距離的值。同時需要將雷達數(shù)據(jù)中極坐標系下的目標位置信息轉(zhuǎn)換至笛卡爾坐標系下，便于后期的算法處理。在雷達探測數(shù)據(jù)濾波處理時，運用卡爾曼濾波算法[7]對雷達位置數(shù)據(jù)濾波，完成目標飛行軌跡的預(yù)測和平滑；運用最小二乘濾波算法[8]對雷達傳輸?shù)膹较蛩俣葹V波，便于減小噪聲誤差的影響。雷達探測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 雷達探測系統(tǒng)工作流程圖

3.2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)控制攔截動作時，首先進行交匯點的解算。通過建立數(shù)學(xué)模型，將是否需要攔截的問題轉(zhuǎn)變?yōu)閺椀篮头烙嫦嘟皇欠裼薪獾臄?shù)學(xué)問題，若無解，認定不構(gòu)成威脅，系統(tǒng)繼續(xù)轉(zhuǎn)入雷達監(jiān)視狀態(tài)；若有解，則認定來襲彈構(gòu)成威脅，根據(jù)濾波后的速度解算交匯時間，解算最佳交匯位置，并向隨動/發(fā)射系統(tǒng)傳遞指令。在求算攔截參數(shù)時，系統(tǒng)采用了改進的遺傳算法，在滿足對計算精度的要求及多參數(shù)計算條件下的穩(wěn)定性要求的前提下，提高了計算速度?？刂葡到y(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)工作流程圖

3.3 隨動/發(fā)射系統(tǒng)工作原理

隨動/發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)控制指令快速調(diào)整發(fā)射角度并將攔截網(wǎng)彈的牽引體同時發(fā)射出去。

3.4 攔截網(wǎng)彈系統(tǒng)工作原理

攔截網(wǎng)彈在牽引體的牽引下飛向預(yù)設(shè)交匯位置，引信系統(tǒng)在來襲目標足夠接近時給出起爆信號，網(wǎng)彈攜帶的戰(zhàn)斗部協(xié)同毀傷來襲目標。

4 創(chuàng)新點

本系統(tǒng)具有攔截理念新、攔截概率高、布置靈活、成本低等優(yōu)勢。在當前彈藥發(fā)展水平下，現(xiàn)有防護結(jié)構(gòu)難以有效抵抗導(dǎo)彈侵徹后造成的毀傷，本系統(tǒng)將應(yīng)用于坦克的網(wǎng)彈攔截防護理念發(fā)展到對大型固定目標的防護上，避免高速飛行的導(dǎo)彈直接接觸防護目標。本系統(tǒng)使用的攔截網(wǎng)彈系統(tǒng)在設(shè)計時對算法進行了深度優(yōu)化，且設(shè)計了多層保險措施，有效提高了攔截準確性。同時，系統(tǒng)可以依據(jù)防護目標的地理位置、尺寸、防護要求等靈活布置，實現(xiàn)對重點部位的重點防護。系統(tǒng)使用的硬件組件開發(fā)較為成熟，模塊化程度較高，有效降低了系統(tǒng)使用成本。

5 結(jié)論

系統(tǒng)組成完備，一體化程度高，能夠在極短時間內(nèi)完成目標探測、軌跡預(yù)測以及攔截坐標解算的任務(wù)。系統(tǒng)可行性已經(jīng)過計算機仿真方法驗證，其攔截命中概率已達到指標要求，能有效提高防護目標的生存能力。