杜 江,王 鑫,王 剛,付京來
(中國人民解放軍91851部隊,遼寧 葫蘆島 125001)
靶彈是模擬敵方來襲導(dǎo)彈技戰(zhàn)術(shù)特性的實體空中靶標。高性能的靶彈系統(tǒng),是試驗鑒定部門考核防空兵器系統(tǒng)不可或缺的重要裝備,為防空兵器的某些極限戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能考核及驗證提供條件,為防空兵器系統(tǒng)的完善與升級以及部隊防空反導(dǎo)訓(xùn)練水平的提升提供重要試驗保證[1-2]。靶彈系統(tǒng)在具備較高技術(shù)性能的同時,還應(yīng)具有較好的經(jīng)濟性,便于在實彈訓(xùn)練中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮作用[3-4]。
本文創(chuàng)新了靶彈制導(dǎo)控制方式,研制了集電氣改裝、接口轉(zhuǎn)換、目標導(dǎo)引、安全控制功能于一體的靶彈多功能控制器(以下簡稱靶彈控制器),實現(xiàn)了退役導(dǎo)彈到多用途靶彈的通用化、標準化改裝,探索了一種經(jīng)濟而有效的靶彈開發(fā)方法。
在當前退役飛航導(dǎo)彈改裝靶彈工程實踐中,存在著以下急需解決的問題:
1)導(dǎo)彈系統(tǒng)是一個時序邏輯嚴格、相互配合緊密的統(tǒng)一整體,彈載設(shè)備高度集成、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜且信號相互交聯(lián),對導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)和工作時序的任何改動都可能牽一發(fā)而動全身,對全彈其他系統(tǒng)的工作造成影響。如何從全局出發(fā),精確調(diào)整導(dǎo)彈原有技術(shù)狀態(tài),實現(xiàn)導(dǎo)彈到靶彈的功能轉(zhuǎn)變,是靶彈改裝需要解決的首要問題。
2)靶彈用于武器裝備試驗與部隊訓(xùn)練演練,既要模擬敵方來襲導(dǎo)彈的攻擊態(tài)勢,又要保證絕不能誤傷目標(被試防空武器平臺)。在對運動目標供靶時,如何精確控制飛行航路,實現(xiàn)供靶逼真性和安全性的統(tǒng)一,是靶彈改裝需要解決的第二個問題。
3)退役導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)和使用流程較為固化,而國外現(xiàn)役飛航導(dǎo)彈信號繁多、技戰(zhàn)術(shù)特點各異,如何使一型靶彈具備多種功能,使靶彈適應(yīng)性更強,是靶彈改裝需要解決的第三個問題。
導(dǎo)彈是一種能夠?qū)δ繕诉M行自動尋的跟蹤和攻擊的無人飛行器,某型退役導(dǎo)彈系統(tǒng)存在兩種控制回路,一是末制導(dǎo)雷達自身搜索跟蹤目標的(小)控制回路[5-8];另一種是末制導(dǎo)雷達開機并捕獲目標后存在的末制導(dǎo)雷達-飛行控制系統(tǒng)-目標等組成的飛行(大)控制回路[9-10]。其中飛行(大)控制回路一般包括導(dǎo)彈轉(zhuǎn)向控制和降高控制兩種控制功能。某型退役導(dǎo)彈自動控制回路具體工作過程如下:
在導(dǎo)彈發(fā)射后,彈上末制導(dǎo)雷達在裝訂的開機時刻接通高壓發(fā)射電磁波,在預(yù)定區(qū)域搜索目標,完成自身小控制回路的穩(wěn)定捕獲跟蹤。然后向彈上自動駕駛儀發(fā)送航向制導(dǎo)指令和表征目標偏離彈軸角度的航向制導(dǎo)控制電壓信號,接通導(dǎo)彈制導(dǎo)大控制回路,彈上自動駕駛儀接收到航向制導(dǎo)指令后操縱航向舵機轉(zhuǎn)動,控制導(dǎo)彈航向?qū)誓繕朔较?。當距離目標若干位置點時,末制導(dǎo)雷達向彈上自動駕駛儀發(fā)送高度制導(dǎo)指令,彈上自動駕駛儀接收到高度戰(zhàn)斗指令后控制俯仰舵機開始降高飛行,直至擊中目標。
在導(dǎo)彈發(fā)射前的射前檢查階段,地面/艦面射檢發(fā)控設(shè)備向彈上發(fā)出射前檢查指令,末制導(dǎo)雷達模擬產(chǎn)生目標回波并完成穩(wěn)定捕獲,然后向自動駕駛儀發(fā)出航向制導(dǎo)指令、航向制導(dǎo)控制電壓信號和高度制導(dǎo)指令,驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動,在地面/艦面完成導(dǎo)彈兩種控制回路的聯(lián)動和檢查。某型退役導(dǎo)彈制導(dǎo)控制鏈路如圖1所示。
圖1 某型退役導(dǎo)彈制導(dǎo)控制鏈路示意圖
與導(dǎo)彈不同,靶彈是模擬敵方來襲導(dǎo)彈技戰(zhàn)術(shù)特性的空中實體靶標,靶彈的供靶目標是防空武備載體平臺,靶彈在逼真模擬敵方導(dǎo)彈攻擊態(tài)勢的同時,絕對不能對目標進行攻擊,以確保反導(dǎo)試驗訓(xùn)練的安全。因此除特殊需要外,在靶彈飛行時必須切斷制導(dǎo)控制回路,絕不允許靶彈在對目標進行精確跟蹤和攻擊。同時靶彈在地面/艦面發(fā)射前的射前檢查階段,需要保持導(dǎo)引頭和自動駕駛儀之間的正常聯(lián)系,以確保靶彈能夠通過射前檢查正常發(fā)射。對導(dǎo)彈控制回路特性的改變是導(dǎo)彈改裝靶彈的首要任務(wù)。
針對導(dǎo)彈設(shè)備高度集成、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜的實際情況,斷開末制導(dǎo)雷達和彈上自動駕駛儀之間的連接關(guān)系,新研靶彈控制器串聯(lián)于彈上末制導(dǎo)雷達和自動駕駛儀之間,作為兩者連接的紐帶。在射前檢查等需要接通制導(dǎo)控制回路的時候,靶彈控制器保持兩者之間的正常聯(lián)系;在靶彈飛行時,自動斷開制導(dǎo)控制回路或修改制導(dǎo)控制規(guī)律以確保供靶安全。改裝后靶彈主要控制信號連接關(guān)系如圖2所示。
圖2 改裝后靶彈主要控制信號連接關(guān)系
通過靶彈控制器改變末制導(dǎo)雷達與飛行控制系統(tǒng)的接口關(guān)系,實現(xiàn)退役導(dǎo)彈到多功能靶彈的改裝,不需改變彈上導(dǎo)引頭、飛行控制系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài),不需對艦面射檢設(shè)備進行改裝,具有操作簡便、靈活、通用性好等優(yōu)點。同時改裝操作可逆性好,如果有需要,可恢復(fù)原電纜連接關(guān)系將靶彈改裝回導(dǎo)彈狀態(tài)。
在靶彈發(fā)射后,防空武器載體平臺在探測到靶彈進行模擬攻擊后,會在實施攔截的同時,遂行各種戰(zhàn)術(shù)機動動作以規(guī)避靶彈。若完全切斷制導(dǎo)控制回路,在防空武器平臺實施機動時,不能實時感知攔截平臺動態(tài)位置和運動情況來調(diào)整供靶彈道,導(dǎo)致實際的航路捷徑過大或過小。當航路捷徑過大時,靶彈模擬敵方來襲導(dǎo)彈彈道的逼真性不足,達不到考核目的;若航路捷徑過小,則試驗安全風(fēng)險加大,一旦攔截失敗,存在誤傷防空武器載體平臺的重大安全隱患。
為此,以導(dǎo)彈導(dǎo)引控制規(guī)律為基礎(chǔ),結(jié)合靶彈供靶使用特點,創(chuàng)新設(shè)計了一種靶彈導(dǎo)引供靶方法,可實現(xiàn)靶彈對運動目標供靶時航路捷徑精確可控。在導(dǎo)彈制導(dǎo)控制回路中,導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達向自動駕駛儀輸出的航向制導(dǎo)控制電壓信號,和目標與導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達天線軸向的方位偏差角度信號φct成正比,其大小表征目標偏離天線軸向角度的大小,其正負表征目標偏離天線軸線的方向[14-15],以引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標。與導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律不同,在靶彈導(dǎo)引供靶飛行模式下,靶彈末制導(dǎo)雷達向自動駕駛儀輸出的信號為綜合誤差信號ψzt,是目標方位差信號φct與目標偏離角信號φst之差。其中目標偏離角信號φst是目標靶彈航路捷徑R0(目標到靶彈航路的最小距離,由射前裝訂)與目標距離Dt(由靶彈末制導(dǎo)雷達實時測得)之商的反正切函數(shù),其正負與目標方位差信號φct一致,保證目標運動時靶彈航路捷徑始終不變。計算公式如下:
ψzt=φct-φst
(1)
φst=sgn(φct)*tan-1(R0/Dt)
(2)
φct保證靶彈能夠跟蹤運動目標,φst保證不論目標如何運動,靶彈航向始終偏離目標一個誤差角度,在保持航路捷徑不變的情況下進行跟蹤但不完全對準目標。有源導(dǎo)引供靶飛行模式下靶彈彈道如圖3所示。從圖3中可見,靶彈從O點發(fā)射后,目標從M0隨機運動到M1時,靶彈航路捷徑仍為R0,保持不變。
圖3 有源導(dǎo)引供靶飛行模式下靶彈彈道示意圖
由于退役導(dǎo)彈控制系統(tǒng)狀態(tài)固化功能單一,難以滿足多樣化供靶需求。為此,靶彈控制器設(shè)計采用高性能計算機和標準化的靶載設(shè)備操控模塊,可完成靶彈狀態(tài)管理和資源的統(tǒng)一調(diào)度,成為全彈的控制核心。在靶彈控制器的綜合管控下,退役導(dǎo)彈在改裝后,可具備有源供靶、無源供靶、動目標精確供靶、電子對抗等多種功能組合。
1)有源供靶:
有源靶彈是指靶彈在供靶過程中發(fā)射電磁波跟蹤、輻射防空武器載體平臺,模擬敵方主動雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈的電磁輻射特性和攻擊方式,是導(dǎo)彈類靶標體系中的一個重要分支[11-13]。在有源靶彈供靶時,靶彈控制器控制末制導(dǎo)雷達保持自身捕捉跟蹤的小控制回路的正常工作,但切斷其制導(dǎo)控制鏈路,不會向自動駕駛儀輸出制導(dǎo)控制指令和制導(dǎo)控制電壓,末制導(dǎo)雷達-飛行控制系統(tǒng)-目標等組成的飛行(大)控制回路不工作,靶彈按自控彈道飛行。
2)無源供靶:
無源靶彈在供靶過程中不輻射雷達信號,不模擬主動雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈的電磁輻射特性。在退役導(dǎo)彈改裝為無源靶彈時,通常末制導(dǎo)雷達不通電工作,可作為配重或者拆掉導(dǎo)引頭整機安裝脫靶量測量等靶載任務(wù)設(shè)備。此時靶彈控制器需代替拆除的末制導(dǎo)雷達完成與全彈其他系統(tǒng)的電氣信號協(xié)調(diào),確保射前檢查和發(fā)射流程的順利進行。
3)動目標精確供靶:
在靶彈實施對動目標精確供靶時,靶彈控制器實時監(jiān)測末制導(dǎo)雷達工作狀態(tài)并根據(jù)目標運動情況自動修正制導(dǎo)控制規(guī)律,同時判斷修正后的靶彈彈道是否飛出安全管道,必要時實施自毀控制,確保試驗安全。
4)電子對抗型靶彈:
在電子對抗型靶彈中,靶彈控制器具備雙向控制功能,一方面根據(jù)供靶態(tài)勢確定干擾時機和干擾參數(shù),控制電子對抗設(shè)備工作實施干擾;另一方面根據(jù)電子對抗設(shè)備的偵查信息和干擾實施情況,控制靶彈實施機動等戰(zhàn)術(shù)動作。
靶彈控制器硬件由主控模塊、信號調(diào)理模塊和衛(wèi)星信號接收機模塊(含天線及饋線)等組成。主控模塊是靶彈控制器的控制核心,負責程序運算、數(shù)據(jù)存儲、模擬量采樣與輸出、串口通信和開關(guān)量采樣與輸出等功能。信號調(diào)理模塊由穩(wěn)壓電源模塊、接口控制電路、模擬信號調(diào)理電路、開關(guān)信號調(diào)理電路、指令輸出電路等構(gòu)成,主要用于完成靶彈控制器供電、靶彈與靶彈控制器之間模擬信號、開關(guān)信號的調(diào)理適配以及指令輸出等功能。衛(wèi)星信號接收機模塊負責GPS/北斗衛(wèi)星信號的接收和解析。
主控模塊以DSP芯片為處理核心,外部擴展ROM、D/A、A/D、FPGA串口緩存等器件。外部ROM為512 k×16位的Flash芯片,用于存儲任務(wù)參數(shù)等信息;D/A芯片具有4路(實際使用1路)12位的D/A通道,輸出電壓-10~+10 V;A/D芯片具有8路(實際使用5路)16位的A/D通道,采樣電壓10~+10 V;FPGA芯片具有4 608個邏輯單元,用于實現(xiàn)總線控制;3路64位串口緩存用于與衛(wèi)星信號接收機模塊、測試設(shè)備、遙測設(shè)備的通信。串口緩存與外部設(shè)備之間采用變壓器型串口通信隔離器件,以解決設(shè)備間串口通信的干擾及地隔離問題。主控模塊采用±15 V和+5 V電源供電,其中±15 V為A/D、D/A芯片供電,+5 V經(jīng)穩(wěn)壓芯片調(diào)整為+3.3 V、+1.8 V、+1.2 V后為其他芯片供電。+5 V地線為數(shù)字信號地,±15 V地線為模擬信號地。模擬地和數(shù)字地之間通過磁珠單點連接共地。
主控模塊基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 主控模塊基本結(jié)構(gòu)示意圖
系統(tǒng)軟件采用C語言編寫,由主控軟件模塊和功能軟件模塊組成。主控軟件模塊是系統(tǒng)的控制核心,其功能是合理配合芯片資源,完成硬件初始化、任務(wù)參數(shù)裝訂、工作模式轉(zhuǎn)換、基本輸入輸出等工作。系統(tǒng)加電后,首先完成系統(tǒng)初始化,然后讀取任務(wù)參數(shù),檢測起飛指令是否發(fā)出,若起飛指令未發(fā)出,則進入射前檢查模式;當起飛指令發(fā)出后,進入各飛行控制功能模式,同時啟動自毀檢測控制線程;飛行控制功能模塊包括射前檢查模塊、有源供靶模塊、無源供靶模塊、動目標精確供靶模塊、電子對抗供靶模塊等。各功能模塊均使用獨立函數(shù)設(shè)計,滿足系統(tǒng)快速升級和移植需求。
系統(tǒng)主控軟件模塊工作流程如圖5所示。
圖5 主控軟件模塊流程圖
1)起飛指令監(jiān)測:
起飛指令是靶彈起飛與否的重要標志信號,靶彈控制器必須準確判斷起飛指令以調(diào)整自身工作狀態(tài)。靶彈控制器采用光電隔離調(diào)理電路對來自靶彈平臺的靶彈起飛指令信號進行信號轉(zhuǎn)換和采集,D1光電隔離調(diào)理電路包括一組輸入端(1、2)和一組輸出端(3、4)。起飛指令串聯(lián)限流電阻R1連接D1的輸入1端,D1的輸入2端接靶彈地線;D1的輸出3端接靶彈主控模塊數(shù)字5 V,輸出4端串限流電阻R2接靶彈主控模塊數(shù)字地,同時接靶彈主控模塊數(shù)字I/O檢測端口,由主控模塊進行信號判別。如果信號為高電平,則判定靶彈起飛指令發(fā)出,如果信號為低電平,則判定靶彈起飛指令未發(fā)出。靶彈起飛指令信號的產(chǎn)生與采集電路如圖6所示。
圖6 靶彈起飛指令信號的產(chǎn)生與采集電路原理圖
2)電氣改裝與接口控制:
靶彈控制器采用接口控制電路作為末制導(dǎo)雷達與外部設(shè)備的聯(lián)系通道,由CZ1、CZ2、CZ3信號端口組成。CZ1端口是輸入端口,來自末制導(dǎo)雷達或主控模塊模擬產(chǎn)生的航向制導(dǎo)指令、高度制導(dǎo)指令、航向制導(dǎo)控制電壓信號等信號均由該通道輸入;CZ2是輸出端口,轉(zhuǎn)接后的制導(dǎo)控制電壓和制導(dǎo)控制指令由該端口輸出至自動駕駛儀;CZ3是射檢設(shè)備發(fā)出的射前檢查指令輸入端口,由雷達與射檢設(shè)備連接插座的對應(yīng)針腳引出,射前檢查指令輸出給雷達的同時,也輸出至本接口控制電路。電氣改裝原理如圖7所示。
圖7 電氣改裝原理圖
接口控制電路由繼電器J1、J2等組成。用靶彈射檢設(shè)備的“射前檢查指令”或主控模塊在動目標精確供靶模式下產(chǎn)生的“導(dǎo)引供靶指令”作為繼電器K1、K2的觸發(fā)信號,控制該聯(lián)系通道的通斷。只有“射前檢查指令”或“導(dǎo)引供靶指令”發(fā)出后,K1、K2繼電器動作,該接口通道才能導(dǎo)通,將末制導(dǎo)雷達的制導(dǎo)指令和制導(dǎo)控制電壓傳至自動駕駛儀,保證靶彈制導(dǎo)控制回路正常工作;若“射前檢查指令”或“導(dǎo)引供靶指令”均未發(fā)出,K1、K2 繼電器不動作,該接口通道處于斷開狀態(tài),末制導(dǎo)雷達不會引導(dǎo)靶彈攻擊目標,保證目標安全。接口控制電路原理如圖8所示。
圖8 接口控制電路原理圖
3)動目標精確供靶:
動目標精確供靶是靶彈控制器重要的控制功能。為確保試驗安全,在進行動目標精確供靶時,首先要檢查靶彈末制導(dǎo)雷達是否工作正常且已穩(wěn)定捕獲預(yù)定目標,當下列3種情況之一出現(xiàn)時:
①末制導(dǎo)雷達在距離上和方位上搜索若干時間而未捕捉目標;
②末制導(dǎo)雷達捕捉不穩(wěn)或旁瓣捕捉;
③末制導(dǎo)雷達捕捉的目標不是預(yù)定目標;
則表示末制導(dǎo)雷達工作狀態(tài)不穩(wěn)定或未能正常捕獲預(yù)定目標,需要及時退出動目標精確供靶模式,按靶彈原自控彈道飛行。
具體地,靶彈控制器采集制導(dǎo)指令、目標距離及目標角度等信息,同時對導(dǎo)引頭開機時間進行計時,完成雷達導(dǎo)引頭工作狀態(tài)實時監(jiān)測,判斷雷達捕獲的目標是否為射前裝訂的預(yù)定目標;然后實時解算綜合誤差信號并輸出,直到達到靶彈雷達導(dǎo)引頭跟蹤下限為止。動目標精確供靶流程如圖9所示。
圖9 動目標精確供靶軟件模塊流程圖
4)靶彈安全控制:
為確保靶彈供靶安全,靶彈控制器集成了靶彈安全控制功能。在發(fā)射前裝訂靶彈飛行安控管道,靶彈起飛后,采用衛(wèi)星信號接收機實時測量靶彈位置,判斷是否飛出射前裝訂的安控管道,判斷周期100 ms;若靶彈連續(xù)5次飛出安控管道,靶彈控制器可直接操舵實施靶彈自毀。
衛(wèi)星信號接收機模塊采用成熟貨架產(chǎn)品,其主要技術(shù)為:接收點頻:BDS-B1/B3、衛(wèi)星接收機-L1;定位信息更新率:10 Hz;動態(tài)單點定位精度:≤30 m;測速精度:≤0.5 m/s。靶彈自毀指令輸出電路由雙刀雙擲繼電器構(gòu)成。當靶彈實施自毀時,主控模塊通過固態(tài)繼電器發(fā)出“主動自毀指令”,雙刀雙擲繼電器動作,自動駕駛儀與舵機之間的聯(lián)系被斷開,同時主控模塊通過DA發(fā)出自毀控制信號,經(jīng)如圖10所示的信號調(diào)理電路隔離后,直接輸出到舵機,操縱舵機實施自毀。
圖10 自毀控制信號調(diào)理電路
為驗證對動目標供靶時的有源導(dǎo)引功能和性能,采用基于PXI總線的虛擬儀器構(gòu)建了一套靶彈仿真測試設(shè)備,采用程控雷達信號源和程控目標模擬器模擬目標航跡,對靶彈控制器進行半實物仿真測試。靶彈測試仿真設(shè)備可以采集靶彈控制器的制導(dǎo)指令和制導(dǎo)控制電壓,進行靶彈控制器性能檢測和靶彈運動軌跡解算,完成靶彈彈道仿真。
程控雷達信號源工作于外觸發(fā)狀態(tài),以雷達導(dǎo)引頭同步信號作為觸發(fā)源,產(chǎn)生大于1毫瓦的功率輸出,輸出信號與觸發(fā)信號之間的時延表征目標距離,并可根據(jù)目標距離對輸出射頻信號分檔衰減。程控目標模擬器的作用是模擬目標在不同方位上偏離雷達導(dǎo)引頭天線的等強信號線,程控目標模擬器天線與末制導(dǎo)雷達天線軸向夾角代表目標方位偏差角度。程控雷達信號源與喇叭天線采用同軸電纜連接。通過目標距離和目標方位偏差角度的不斷變化模擬目標的運動情況。靶彈仿真測試設(shè)備和程控雷達信號源之間采用RS422串口連接。靶彈控制器仿真測試系統(tǒng)組成與連接連接關(guān)系見圖11。
圖11 靶彈控制器仿真測試系統(tǒng)組成示意圖
半實物仿真過程如下:首先預(yù)設(shè)靶彈供靶理論彈道和理論航路捷徑,而后啟動靶彈測試仿真設(shè)備和靶彈控制器。靶彈測試仿真設(shè)備輸出+27 V的“起飛指令”,讓靶彈控制器進入對動目標精確供靶飛行模式,同時程控雷達信號源和程控目標模擬器模擬目標航跡;在靶彈模擬飛行過程中,靶彈控制器輸出制導(dǎo)控制指令、目標距離電壓、目標綜合誤差信號等制導(dǎo)信息,靶彈測試仿真設(shè)備對制導(dǎo)信息進行監(jiān)測采樣,實時解算靶彈彈道、彈目距離和位置關(guān)系以及航路捷徑,最后將航路捷徑計算結(jié)果與設(shè)定的航路捷徑與進行比較。經(jīng)試驗,航路捷徑仿真結(jié)果與理論航路捷徑之間誤差最大值為120米,該誤差為系統(tǒng)整體誤差,包括定位誤差、控制誤差、采樣誤差等,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
本文設(shè)計了一種靶彈多功能控制器,在不改變彈上末制導(dǎo)雷達、自動駕駛儀以及地面/艦面指揮儀等設(shè)備內(nèi)部的工作狀態(tài)的前提下實現(xiàn)導(dǎo)彈到多功能靶彈的標準化改裝,具備簡便可靠、工作量小、通用性好、彈道控制靈活等突出特點,較好地解決了靶彈改裝難題,滿足防空武器系統(tǒng)試驗訓(xùn)練的需要。