摘 要：針對(duì)無人裝備，設(shè)計(jì)了艇載反無人系統(tǒng)發(fā)控單元，包含70 mm、40 mm便攜式防空單元和反裝甲單元，借助艇載探測(cè)設(shè)備，能夠?qū)? 000 m以下空域中小型無人機(jī)、無人直升機(jī)、自殺式無人艇等進(jìn)行有效威懾與打擊。共配備了11個(gè)發(fā)射控制接口，能夠?qū)ΤＲ?guī)無人裝備進(jìn)行多批次打擊，護(hù)航基地、港口和海上高價(jià)值目標(biāo)。發(fā)控單元采用ARM+FPGA主從控制結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了兩種不同芯片的優(yōu)點(diǎn)，并在硬件電路中對(duì)發(fā)射流程的硬件執(zhí)行順序進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在嚴(yán)格按照發(fā)射流程順序執(zhí)行的同時(shí)，能夠確保不因元器件損壞而造成誤擊發(fā)，進(jìn)一步確保了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：艇載;ARM+FPGA;反無人系統(tǒng);電路執(zhí)行順序;安全性與可靠性

中圖分類號(hào)：U674．77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.005

Design of a launch and control unit for anti-unmanned system on a boat

LI Erlei， ZHANG Fazhi

（Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222061，China）

Abstract：The boat based on anti-unmanned system launch and control designed in this article integrates 70 mm unit， 40 mm unit and anti-armor unit. With the help of detection equipment， it can effectively deter and strike small and medium-sized UAVs， unmanned helicopters， suicide USVs， etc. in the airspace below 5 000 meters. The control unit adopts ARM+FPGA master-slave control structure， which fully plays the advantages of two different chips， and innovatively designs the hardware execution sequence of the launch process in the hardware circuit. While executing in strict accordance with the launch process sequence， it can ensure that no misfiring is caused by damage to any component， further ensuring the safety and reliability of the system.

Key words：boat-borne; ARM+FPGA; anti-unmanned system; circuit execution sequence; safety and reliability

近年來發(fā)生的多場(chǎng)地區(qū)沖突與局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人裝備的實(shí)戰(zhàn)化程度不斷提升，其在智能化戰(zhàn)場(chǎng)中逐漸展現(xiàn)出不容小覷的作戰(zhàn)實(shí)力［1］。俄烏沖突中，俄羅斯塞瓦斯托波爾港、黑海艦隊(duì)、克里米亞大橋陸續(xù)遭到烏克蘭海軍無人艇襲擊，俄羅斯也使用無人艇攻擊了敖德薩的扎多卡鐵路橋［2］。目前，世界各國都在尋求發(fā)展反無人系統(tǒng)作戰(zhàn)技術(shù)，以形成對(duì)無人作戰(zhàn)屬性相克、跨域制衡的非對(duì)稱作戰(zhàn)能力［3］。

反無人系統(tǒng)作戰(zhàn)技術(shù)中，為了讓敵方無人情報(bào)偵察機(jī)徹底癱瘓，最有效、直接的措施是使用打擊毀傷類反制技術(shù)，徹底摧毀敵無人情報(bào)偵察機(jī)存儲(chǔ)的情報(bào)信息［4］。目前，國內(nèi)外反無人系統(tǒng)打擊毀傷類技術(shù)多見于陸基或車載系統(tǒng)，對(duì)沿海軍事基地、港口的向?？v深防御能力不足［5-7］。針對(duì)海上特殊環(huán)境，有人／無人艇平臺(tái)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、速度快、搭載載荷能力突出的特點(diǎn)，且在向?？v深防御方面具有先天優(yōu)勢(shì)，非常適合作為重要軍事基地、港口以及演習(xí)區(qū)域的反無人系統(tǒng)搭載平臺(tái)［8］。本文針對(duì)敵方無人機(jī)、自殺式無人艇的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種集某型40 mm、70 mm便攜式防空導(dǎo)彈以及某型反裝甲導(dǎo)彈發(fā)射與控制于一體的艇載反無人系統(tǒng)發(fā)控單元，能夠同時(shí)反制小型、中型無人機(jī)、無人直升機(jī)和自殺式無人艇，該發(fā)控單元采用ARM+FPGA主從控制結(jié)構(gòu)，并在硬件電路中對(duì)發(fā)射流程的硬件執(zhí)行順序進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，能夠確保不因元器件損壞而造成導(dǎo)彈誤擊發(fā)，保證了系統(tǒng)的安全性。本文設(shè)計(jì)的艇載反無人系統(tǒng)組成如圖1所示。

1 發(fā)控單元總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)控單元對(duì)外通過以太網(wǎng)接口接收上層計(jì)算機(jī)控制指令，并反饋相應(yīng)狀態(tài)信息，接收外部時(shí)統(tǒng)信號(hào)作為觸發(fā)時(shí)鐘，確保系統(tǒng)信息保持同步［8-9］。發(fā)控單元內(nèi)部主要包括供電單元、ARM+FPGA主控單元、70 mm控制單元、40 mm控制單元、反裝甲單元、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)單元，如圖2所示。

2 發(fā)控單元內(nèi)部單元模塊設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的發(fā)控單元主要包括ARM+FPGA主控單元、70 mm控制單元、40 mm控制單元、反裝甲控制單元等，除了主控單元外，還包含6單元70 mm、3單元40 mm和2單元反裝甲導(dǎo)彈的發(fā)射控制，所針對(duì)的目標(biāo)類型如表1所示。

2．1 ARM+FPGA主控單元

本文采用ARM+FPGA形式的主從控制架構(gòu)，如圖3所示，其中ARM為主控制芯片，F(xiàn)PGA為從控制芯片，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，通過ARM自帶的網(wǎng)絡(luò)接口與上層控制計(jì)算機(jī)通信［10］，通過UART0-UART2接口與40 mm單元進(jìn)行信息交互，通過UART3接口與反裝甲單元進(jìn)行信息交互，通過CAN通信接口與70 mm單元進(jìn)行通信，并利用ARM串行控制機(jī)制，分別對(duì)70 mm單元、40 mm單元和反裝甲單元的發(fā)射流程的各種模擬量進(jìn)行控制[11];通過FPGA并行處理機(jī)制，分別對(duì)70 mm單元中各種頻率檢測(cè)任務(wù)進(jìn)行處理，具體包括捕獲頻率檢測(cè)、角位移頻率檢測(cè)，并對(duì)起轉(zhuǎn)線圈輸出電路進(jìn)行控制;ARM與FPGA之間通過地址線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送控制指令并返回狀態(tài)信息。在熱電池激活、點(diǎn)火等關(guān)鍵電路控制中，采用ARM+FPGA冗余控制的方式，確保電路的安全和可靠。

2．2 70 mm控制單元

70 mm單元主要針對(duì)無人直升機(jī)類目標(biāo)，負(fù)責(zé)對(duì)某型70 mm導(dǎo)彈進(jìn)行發(fā)射控制，根據(jù)主控單元的控制指令，執(zhí)行供電供氣、起轉(zhuǎn)線圈加電、頻率檢測(cè)、解鎖、電池激活、電源轉(zhuǎn)換、氣源轉(zhuǎn)換、點(diǎn)火等操作，在70 mm導(dǎo)彈發(fā)控過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定流程順序執(zhí)行，發(fā)控單元執(zhí)行點(diǎn)火程序時(shí)，不僅僅依賴按鍵指令，還應(yīng)當(dāng)判斷已解鎖且發(fā)控單元在熱電池激活、氣源激活、電源轉(zhuǎn)換已按順序執(zhí)行完畢，才允許執(zhí)行點(diǎn)火動(dòng)作。70 mm導(dǎo)彈發(fā)控流程如圖4所示。

本文設(shè)計(jì)的70 mm導(dǎo)彈發(fā)射電路，除通過軟件判斷外，還在硬件設(shè)計(jì)上保證點(diǎn)火程序各個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行順序，不因軟件指令錯(cuò)誤或個(gè)別硬件失效導(dǎo)致導(dǎo)彈誤點(diǎn)火。如圖5所示，當(dāng)接收到執(zhí)行點(diǎn)火指令后，熱電池控制信號(hào)UDC_IO由高變低，熱電池激活信號(hào)由接地狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V，XQ_5V接通+20 V;DD_JD_IO同時(shí)有效時(shí)，電源轉(zhuǎn)換才能完成，即完成三組電源從有到無的轉(zhuǎn)換;此時(shí)K4的1腳為+20 V，當(dāng)UB1_IO同時(shí)有效時(shí)，開氣指令由接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻?20 V，同時(shí)使得K3的1腳連接+20 V;此時(shí)當(dāng)點(diǎn)火控制信號(hào)FIR_SGN_IO有效時(shí)，點(diǎn)火信號(hào)FIR_SGN和點(diǎn)火地信號(hào)FIR_SGN_GND同時(shí)有效，此時(shí)點(diǎn)火信號(hào)有效，中間任一信號(hào)不滿足要求都會(huì)造成點(diǎn)火失敗，從而確保電路的安全和可靠。

2．3 40 mm控制單元

40 mm單元主要針對(duì)低空中小型無人機(jī)類目標(biāo)，負(fù)責(zé)對(duì)某型40 mm導(dǎo)彈進(jìn)行發(fā)射控制，根據(jù)主控單元的控制指令，與導(dǎo)彈端進(jìn)行1路RS422串口通信，一路PAL制式視頻、安保信號(hào)、分離信號(hào)、開機(jī)信號(hào)、電池電壓檢測(cè)、插座電源等模擬信號(hào)的檢測(cè)與控制。在本文設(shè)計(jì)的發(fā)控單元中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定流程順序執(zhí)行，對(duì)于不符合發(fā)控流程的指令或不滿足發(fā)射條件的導(dǎo)彈發(fā)射指令，發(fā)控單元均應(yīng)當(dāng)對(duì)其屏蔽，拒絕發(fā)送指令或拒絕執(zhí)行。其中，插座電源控制電路如圖6所示。

2．4 反裝甲控制單元

反裝甲單元主要針對(duì)中小型自殺式無人艇類目標(biāo)，負(fù)責(zé)對(duì)某型反裝甲導(dǎo)彈進(jìn)行發(fā)射控制，根據(jù)主控單元的控制指令，與反裝甲導(dǎo)彈端通過1路RS422串口進(jìn)行通信。反裝甲導(dǎo)彈端擁有自帶的發(fā)控單元，在本單元的設(shè)計(jì)中只需將上層控制計(jì)算機(jī)的控制指令依照相關(guān)協(xié)議通過RS422串口發(fā)送至導(dǎo)彈端發(fā)控單元即可，另外需要將PAL制式差分視頻轉(zhuǎn)換為單端視頻送入導(dǎo)彈端，如圖7所示。

3 發(fā)控單元樣機(jī)及試驗(yàn)情況

發(fā)控單元樣機(jī)如圖8所示，尺寸為260*270*260（長(zhǎng)*高*深，單位mm），其中，X1—X6為70 mm單元控制接口，X8—X10為40 mm單元控制接口，X11為兩路反裝甲單元控制接口，KG為開蓋模塊接口。

目前，該發(fā)控單元已在碼頭靜止環(huán)境下進(jìn)行了兩次70 mm單元和一次反裝甲單元反無人系統(tǒng)試驗(yàn)，均命中目標(biāo)，下一步將開展有人／無人艇載機(jī)動(dòng)環(huán)境下對(duì)

海上無人系統(tǒng)目標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步提升海上反無人系統(tǒng)的能力。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的艇載反無人系統(tǒng)發(fā)控單元充分發(fā)揮了ARM和FPGA芯片的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)射流程控制電路的執(zhí)行順序上進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，具有非常好的安全性和可靠性。此外，該發(fā)控單元還具備對(duì)無人機(jī)、無人艇等目標(biāo)同時(shí)、多批次打擊的能力，是重要基地、港口、貨船等高價(jià)值目標(biāo)護(hù)航任務(wù)的優(yōu)質(zhì)選擇。

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（責(zé)任編輯：張培培）