馬洪霞，梁 彥

(中國人民解放軍92941部隊42分隊，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

掠海有源靶彈主要是模擬敵配裝末制導(dǎo)雷達(dá)的反艦導(dǎo)彈跟蹤攻擊被試艦艇，以考核裝配微波被動導(dǎo)引頭的艦空導(dǎo)彈反導(dǎo)能力的空中靶標(biāo)，其要求靶彈的微波輻射源穩(wěn)定照射被試艦艇。當(dāng)前使用的有源靶彈主要采用裝備時間較長的反艦導(dǎo)彈改裝，靶彈微波輻射源對被試艦艇的照射則利用原型彈的導(dǎo)引頭自動撲捉跟蹤被試艦艇。由于靶彈原型彈導(dǎo)引頭存在超出使用壽命、靈敏度較低等原因，而造成導(dǎo)引頭撲捉跟蹤被試艦艇不穩(wěn)定、旁瓣撲捉、錯撲其它目標(biāo)等問題，從而，大大降低了供靶成功率。因此，為解決裝備試驗的急需，提高供靶成功率，研制了在原掠海有源靶末制導(dǎo)雷達(dá)基礎(chǔ)上的微波源程序指向系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)要求

通過有源靶彈的對目標(biāo)艦的照射需求和不同供靶航路、靶彈原末制導(dǎo)雷達(dá)的關(guān)系，綜合論證了微波源程序指向系統(tǒng)的主要功能、改裝要求、主要技術(shù)指標(biāo)等技術(shù)要求。

1.1 功能要求

掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的主要功能是，當(dāng)靶彈原末制導(dǎo)雷達(dá)工作異常時，控制原型彈末制導(dǎo)雷達(dá)主波束穩(wěn)定的對準(zhǔn)被試艦艇，具體功能為:

1)輔助跟蹤功能。當(dāng)末制導(dǎo)雷達(dá)不能穩(wěn)定撲捉跟蹤被試艦艇時，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的供靶方案，自動對準(zhǔn)或程序指向，控制末制導(dǎo)雷達(dá)主波束準(zhǔn)確對準(zhǔn)被試艦艇;

2)自動切換功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測末制導(dǎo)雷達(dá)的工作狀態(tài)，當(dāng)工作異常時，自動切換到程序指向的輔助跟蹤狀態(tài);

3)射前裝訂功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)要求，通過射前裝訂方式，設(shè)置工作狀態(tài)。

4)狀態(tài)監(jiān)視功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄、自動判斷，并下傳末制導(dǎo)雷達(dá)的工作狀態(tài)及其主波束指向等到安控地面站并顯示。

1.2 改裝要求

由于該系統(tǒng)是在改裝成熟的原有源靶彈基礎(chǔ)上，為解決試驗急需而進(jìn)行的，因此，改裝具體要求為:

1)改動內(nèi)容盡可能少，應(yīng)滿足靶彈現(xiàn)有空間、供電等要求;

2)增加該系統(tǒng)后，不能影響原型靶彈的性能、指標(biāo);

3)系統(tǒng)應(yīng)盡可能簡化設(shè)計，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過論證，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):

指向精度: ＜3°(1σ);

指向計算時間:＜2 ms;

指向計算周期:＜100 ms;

指向延遲:雷達(dá)開機(jī)3.2 s識別雷達(dá)狀態(tài)，若狀態(tài)異常，0.3 s后自動切換程序指向狀態(tài);

有效時間:≥30 s。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

針對有源靶彈供靶保障中存在的問題和系統(tǒng)研制的技術(shù)要求，確定了將彈上安控系統(tǒng)與微波源程序指向系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計，并對地面站軟件進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)的研制思路。靶彈安控系統(tǒng)主要包括彈上安控系統(tǒng)，安控地面站組成，程序指向系統(tǒng)就是在原有彈上安控系統(tǒng)上進(jìn)行硬件擴(kuò)容，軟件升級。同時，對安控地面站的指令和指示傳輸顯示通道擴(kuò)充，該部分只涉及軟件升級工作。

1)立足現(xiàn)有安控器及主被動地面站體系，遵循向下兼容，進(jìn)行無縫升級;

2)拓展安控器功能，挖掘已有硬件資源潛力，滿足微波源程序指向功能需求;

3)維持安控器系統(tǒng)定型模式，增加控制微波源控制接口，維持原有數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，確保系統(tǒng)可靠性;

4)沿用原有主被動地面站體制，通過擴(kuò)展輸入輸出開關(guān)量通道及升級軟件，完成程序指向功能擴(kuò)展;

5)共用靶載安控器計算機(jī)，實現(xiàn)供靶飛行中指向信息實時解算，控制微波源完成指向功能。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)是在原靶彈安控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行一體化設(shè)計，對靶彈彈上安控系統(tǒng)進(jìn)行硬件D/A接口擴(kuò)充，在原安控器基礎(chǔ)上，擴(kuò)展4路輸出，用于程序指向電壓、程序指向標(biāo)志電壓控制;利用原指令輸出擴(kuò)展微波輔助控制指令，控制微波輔助繼電器，實現(xiàn)對輻射方向的控制，見圖1虛線部分。

2.3 程序指向角計算模型

圖1 系統(tǒng)一體化設(shè)計框圖

對于靶彈雷達(dá)機(jī)械軸與彈軸有一個固定夾角為α，靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角記為β［1］。以靶彈發(fā)射點(diǎn)O為原點(diǎn)，以理論射向為x軸，按右手定則水平方向垂直x軸為z軸建立發(fā)射坐標(biāo)系，t時刻靶彈位置為B(x1，z1)，被試艦位置為A(x2，z2)，如圖2所示，直線OB與直線BA夾角即為靶彈與目標(biāo)構(gòu)成的視線角β［2］，計算公式為:

式中，k1為直線OB斜率，k2為直線BA斜率。

圖2 發(fā)射坐標(biāo)系靶彈、被試艦與雷達(dá)視線關(guān)系

靶彈位置B(x1，z1)來自靶彈安控GPS數(shù)據(jù)，發(fā)射艦位置A(x2，z2)根據(jù)協(xié)同程序推算，B點(diǎn)、A點(diǎn)坐標(biāo)均為大地坐標(biāo) (B緯度，L經(jīng)度，H高度)，實際使用時先把大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo) (x，y，z)再將地心直角坐標(biāo)(x，y，z) 轉(zhuǎn)換為靶彈發(fā)射坐標(biāo)系［3］。

轉(zhuǎn)換矩陣為:

式中，αF為靶彈射向，靶彈在發(fā)射坐標(biāo)系坐標(biāo)為:

被試艦位置使用理論航路進(jìn)行推算，首先將靶彈發(fā)射時被試艦的位置 (大地坐標(biāo)，高度用0)計算出在靶彈發(fā)射坐標(biāo)系的位置，在XOZ平面上根據(jù)被試艦的航向和航速，確定一條射線，根據(jù)靶彈飛行時間來確定其位置［4］。

設(shè)靶彈發(fā)射時刻為T0，T0時刻被試艦在XOZ平面上的位置是XS0、ZS0，航向為ψ(單位為°，真北方位角)，航速為VS(單位是m/s)，則其航路可用直線方程來表示。

靶彈的發(fā)射系坐標(biāo)已知，被試艦的發(fā)射系坐標(biāo)已知，天線機(jī)械偏角已知，即可根據(jù)反正切函數(shù)計算角度。

2.4 程序指向系統(tǒng)的工作模式設(shè)計

2.4.1 程序指向系統(tǒng)工作模式

程序指向系統(tǒng)設(shè)計了三種工作模式，各工作模式間可以相互切換，使系統(tǒng)工作靈活。

1)工作模式1:雷達(dá)模式。

該模式為原型彈末制導(dǎo)雷達(dá)的工作模式，其能較為真實地模擬彈載和機(jī)載雷達(dá)對目標(biāo)搜索、捕捉、跟蹤的全過程，不依賴外部提供靶標(biāo)位置和姿態(tài)信息，獨(dú)立性強(qiáng)，天線對準(zhǔn)精度高［5］。

2)工作模式2:自動控制模式。

該模式是靶彈末制導(dǎo)雷達(dá)工作異常時的主要工作模式，其實時解算靶載微波源天線軸線與目標(biāo)之間的夾角［6］，與天線當(dāng)前角度相比較形成解算方位誤差信號代替來自信號接收及處理系統(tǒng)真實角誤差信號，驅(qū)動天線對準(zhǔn)預(yù)定目標(biāo)的工作模式。該模式簡化了原配末制導(dǎo)雷達(dá)功能，輻射微波源只需要微波發(fā)射組合、天線伺服機(jī)構(gòu)等少數(shù)部件正常工作即可實現(xiàn)定向輻射，對原末制導(dǎo)雷達(dá)的要求降低，可靠性提高。

3)工作模式3:程序指向模式。

該模式為工作模式2的備用模式，其利用射前裝定的理論彈道數(shù)據(jù)代替靶標(biāo)的位置及運(yùn)動信息進(jìn)行指向角解算［7］，驅(qū)動天線定向輻射的工作模式。該模式同樣簡化了原配末制導(dǎo)雷達(dá)功能，對雷達(dá)要求降低。

2.4.2 程序指向系統(tǒng)三種工作模式的切換

靶彈發(fā)射后，靶載微波源首先進(jìn)入雷達(dá)模式對目標(biāo)進(jìn)行搜索與跟蹤以實現(xiàn)定向輻射;當(dāng)雷達(dá)不能正常捕獲目標(biāo)時，利用靶標(biāo)位置及姿態(tài)等信息自動解算天線指向角轉(zhuǎn)入自動控制模式;當(dāng)靶標(biāo)位置等數(shù)據(jù)無效時 (如出現(xiàn)慣導(dǎo)故障、GPS失捕或信號傳輸故障等情況)，則自動進(jìn)入天線程序控制模式，引入理論彈道數(shù)據(jù)控制天線按程序轉(zhuǎn)動照射預(yù)定目標(biāo)。

2.5 程序指向系統(tǒng)接入末制導(dǎo)雷達(dá)控制回路設(shè)計

雷達(dá)方位控制電壓和程序指向電壓切換電路如圖3所示。彈上安控PC－104計算機(jī)發(fā)出輔控指令，繼電器J1吸合，常開點(diǎn)接到運(yùn)算放大器輸出端，計算機(jī)依據(jù)靶彈當(dāng)前位置和攔截艦位置計算出程序指向角，通過D/A1通道輸出到運(yùn)算放大器輸入端，這時雷達(dá)電軸在程序指向電壓作用下指向攔截艦;同時計算機(jī)發(fā)出輔控標(biāo)志置位指令，繼電器J2吸合，輸出+27 V控制電壓到雷達(dá)伺服機(jī)構(gòu)使雷達(dá)天線接入程序指向回路。

圖3 雷達(dá)方位控制電壓和程序指向電壓切換電路

2.6 程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件在安控系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、自主式安控解算、被動式安控接收、指令控制和輔助測試等軟件的基礎(chǔ)上，增加程序指向模塊，作為一個軟件模塊嵌入到原安控程序，軟件組成見圖4。該模塊利用GPS實時獲取靶彈飛行數(shù)據(jù)及發(fā)射點(diǎn)、攔截艦位置信息，通過PC－104計算機(jī)運(yùn)行程序指向模塊，解算結(jié)果由D/A擴(kuò)展模塊輸出給微波源控制組合，控制輻射天線指向目標(biāo)艦艇。

圖4 軟件組成框圖

程序指向模塊與安控程序共享CPU等硬件資源，在軟件初始化階段讀入程序指向配置文件，在執(zhí)行原安控指令后，如果不需要執(zhí)行程序指向，則安控程序執(zhí)行原下傳信息編碼模塊;如果滿足程序執(zhí)行發(fā)出條件，或接受到被動“輔控指令”，則執(zhí)行程序指向模塊。程序指向模塊先計算程序指向角，變換成控制電壓數(shù)據(jù)寫入D/A，再發(fā)出“輔控指令”、“輔控標(biāo)志”指令［8］，然后執(zhí)行下傳信息編碼模塊，軟件流程圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

程序指向模塊中計算程序指向角的原始數(shù)據(jù)為靶彈GPS經(jīng)緯度、攔截艦坐標(biāo)等都是離散數(shù)據(jù)，使得輸出指向角也是每2 ms更新一次的離散數(shù)字量，經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換形成微波源指向模擬量是不平滑的模擬電壓，從而引起微波源伺服系統(tǒng)工作不平穩(wěn)，為了平穩(wěn)控制微波源，須對指向角進(jìn)行數(shù)字濾波處理，而安控器PC104計算機(jī)中無硬件濾波通道，因此，設(shè)計了軟件數(shù)字濾波模塊完成指向角濾波功能。

程序指向模塊仍然借助PC－104開發(fā)工具，采用Visual C++語言編寫運(yùn)算與控制軟件，編寫調(diào)試完成后，首先由模擬數(shù)據(jù)輸入模型，測試模型輸出數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)硬件輸出后，儀器監(jiān)測輸出模擬量，由數(shù)據(jù)分析軟件分析數(shù)據(jù)正確性;實驗室單機(jī)調(diào)試階段，主要進(jìn)行改進(jìn)后電路板與接口配置正確性檢查和通路檢查，以及一體化安控系統(tǒng)軟件運(yùn)行后輸出測試，軟件正確性驗證;與靶彈對接調(diào)試階段，主要進(jìn)行接口對接，檢查改進(jìn)正確性;仿真驗證階段，依據(jù)以往實際海上飛行數(shù)據(jù)，輸入真實的靶彈GPS、攔截艦、發(fā)射點(diǎn)信息，驗證指向角輸出正確性和指向精度。

主被動安控地面站軟件升級包括控制板軟件升級和地面站顯控軟件的升級改造?？刂瓢遘浖壉３衷胁季?，將備用“被動自毀”指令及按鈕更改為“程序指向”指令及按鈕，將航控電壓顯示時間由150 s壓縮到90 s以便觀察;地面站顯控軟件的升級為了監(jiān)控程序指向系統(tǒng)輔控效果，而增加地面站監(jiān)控功能，其需增加下傳數(shù)據(jù)容量，方法是在安控器系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)包由一幀64字節(jié)調(diào)整為72字節(jié)，新增數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)包最后，維持以往數(shù)據(jù)定義，不影響數(shù)據(jù)接收提取，僅微調(diào)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量。

3 工程應(yīng)用

3.1 裝配靶彈情況

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、工作可靠、指向精度高、通用性好等特點(diǎn)，已成功裝配于2個系列多型有源靶彈，解決了不同靶彈的不同型號、不同頻率、不同波束寬度微波源在不同供靶方案情況下的精準(zhǔn)指向問題，實現(xiàn)了不同型號靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的通用。

3.2 供靶試驗情況

該系統(tǒng)已7次成功應(yīng)用于靶場試驗供靶任務(wù)，其中，4次為雷達(dá)模式供靶，3次為自動模式供靶。在這3次自動模式供靶中，2次為末制導(dǎo)雷達(dá)副瓣撲捉、1次為錯誤撲捉其它目標(biāo)的異常情況，系統(tǒng)均能夠準(zhǔn)確判斷雷達(dá)情況，自動切換到自動控制模式，避免了3枚靶彈的無效供靶。

3.3 供靶精度分析

某次供靶任務(wù)中，系統(tǒng)首先進(jìn)入雷達(dá)模式，但雷達(dá)模式出現(xiàn)副瓣撲捉照射現(xiàn)象，系統(tǒng)判斷后，利用靶標(biāo)位置及姿態(tài)等信息自動解算天線指向角轉(zhuǎn)入自動控制模式，程序指向角與靶彈雷達(dá)航控電壓比對見圖6。

圖6 程序指向角與靶彈雷達(dá)航控電壓比對圖

可見前10 s，二者最大差值為0.44 V，換算成角度大約0.25°;10～15 s間，最大差值為2.88 V，換算成角度大約1.7°;15～30 s間，近似 2°［9］; 由于開環(huán)控制，雷達(dá)伺服控制誤差近似為 1°［10］。

經(jīng)分析，微波輔助控制產(chǎn)生的綜合誤差主要來源于算法誤差σ1，靶彈GPS定位誤差σ2、攔截艦艦位誤差σ3，靶彈雷達(dá)固定偏角誤差σ4、靶彈雷達(dá)伺服非線性誤差σ5及靶彈雷達(dá)伺服控制誤差σ6，則綜合誤差σ［11］可用下式表示:

經(jīng)計算得，程序指向綜合誤差σ為:σ＜2.3°。

因此，程序指向方法產(chǎn)生的綜合誤差小于指標(biāo)3°，滿足供靶要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于有源靶彈安控系統(tǒng)的微波源程序指向系統(tǒng)的一體化設(shè)計方案，論證了微波源程序指向系統(tǒng)的技術(shù)要求，建立了程序指向角計算模型，設(shè)計了程序指向系統(tǒng)的雷達(dá)模式、自動控制模式和程序指向模式等三種能夠自動切換的工作模式，研制了掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)，闡述了微波源程序指向系統(tǒng)的裝配靶彈情況和實際供靶飛行情況。掠海有源靶彈微波源程序指向系統(tǒng)的研制成功，解決了有源靶彈供靶過程中存在的微波源對攔截艦艇照射不穩(wěn)定，而導(dǎo)致供靶失敗的問題，本文對其它型號有源靶彈的研制也具有一定的借鑒作用。