馮鵬鵬，殷希梅

(陸軍軍官學(xué)院， 合肥 230031)

隨著裝甲防護水平的不斷提高，各國一直致力于研制一種射程遠、精度高、威力大、作戰(zhàn)效率高的精確打擊反裝甲彈藥。精確打擊彈藥如美國“銅斑蛇”末制導(dǎo)炮彈、“薩達姆”末敏彈等應(yīng)運而生，這些新型彈藥為部隊打擊集群式的坦克裝甲目標提供了必要條件。在眾多精確打擊反裝甲彈藥中，末敏彈脫穎而出。它技術(shù)復(fù)雜度低，沒有精密復(fù)雜的制導(dǎo)系統(tǒng)，抗干擾能力強，效費比高，是一種真正實現(xiàn)了“發(fā)射后不用管”的信息化智能炮彈，專門攻擊坦克、裝甲車輛的頂部防護最薄弱的地方，對坦克裝甲目標造成了很大的威脅[1-4]。

反末敏彈武器系統(tǒng)是專門應(yīng)對末敏彈這類攻頂彈藥的武器系統(tǒng)，其武器效能直接關(guān)系到被保護裝甲車輛的生存，而中央控制器是整個武器系統(tǒng)的控制大腦，為保證系統(tǒng)功能的發(fā)揮，設(shè)計先進的高性能的中央控制器是關(guān)鍵。為此，本研究開展反末敏彈武器系統(tǒng)中央控制器的研究設(shè)計，提高系統(tǒng)防護能力，為裝甲車輛提供堅實的保護傘。

1 系統(tǒng)原理

1.1 反末敏彈武器系統(tǒng)組成及工作過程

反末敏彈武器系統(tǒng)屬于主動防護系統(tǒng)，主要用于防御末敏彈這類攻頂彈藥的打擊，對于增強坦克裝甲車輛的防護能力、提高作戰(zhàn)效能意義重大。系統(tǒng)主要由目標探測與跟蹤系統(tǒng)、中央控制器、隨動控制系統(tǒng)、攔截彈丸、毫米波干擾系統(tǒng)等部分組成，工作過程如圖1所示。

系統(tǒng)供電，雷達開始搜索探測工作，判斷其有效探測區(qū)域內(nèi)有無末敏彈目標。當探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)末敏彈時，雷達迅速發(fā)現(xiàn)并定位目標，然后將探測的末敏子彈位置信息傳送給中央控制器，中央控制器根據(jù)雷達提供的信息對末敏子彈的運動軌跡進行實時預(yù)測，并實時解算射擊諸元引導(dǎo)隨動控制系統(tǒng)跟蹤、瞄準目標。當末敏子彈進入穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)，距地面約200 m，子彈落速降至約10 m/s，此時，中央控制器再次根據(jù)雷達提供的末敏子彈信息對子彈的運動軌跡進行精確計算，引導(dǎo)隨動控制系統(tǒng)對準目標，并適時給出攔截彈的發(fā)射點火信號。當攔截彈發(fā)射后，雷達同時追蹤攔截彈和末敏子彈，中央控制器實時計算彈目距離，在最佳炸點處給出攔截彈丸引爆指令。引爆指令通過雷達傳輸?shù)綇椵d指令引信，引爆攔截彈戰(zhàn)斗部，從而對末敏子彈造成毀傷，使其喪失作戰(zhàn)能力。之后，雷達再次探測目標，對毀傷效果做出評估，如果目標未被擊中，則重復(fù)上述射擊過程。在此過程中，毫米波干擾系統(tǒng)持續(xù)發(fā)射干擾信號對末敏子彈的毫米波探測裝置實施干擾。

1.2 中央控制器設(shè)計原理

中央控制器是反末敏彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，通過以上對武器系統(tǒng)的組成及工作過程分析，將中央控制器的功能概括如下：

1) 完成與目標探測跟蹤雷達之間的通信，能夠正確向雷達發(fā)送控制指令，并準確接收雷達測量數(shù)據(jù)；

2) 完成與隨動姿態(tài)測量模塊之間的通信，得到隨動控制系統(tǒng)的實時姿態(tài)角信息；

3) 完成與隨動控制系統(tǒng)之間的通信，驅(qū)動隨動控制系統(tǒng)按照角度調(diào)整指令轉(zhuǎn)動到正確方位；

4) 通過數(shù)字I/O口與顯示模塊傳送數(shù)據(jù)，實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、毀傷情況等信息；

5) 進行數(shù)據(jù)的解算，包括對目標的飛行軌跡進行濾波和預(yù)測、計算攔截點、解算射擊諸元等。

中央控制器工作過程(圖2)為：首先，中央控制器與目標探測跟蹤雷達進行通信，接收雷達測得的末敏彈位置信息，對此末敏彈位置進行坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)雷達坐標系到武器平臺坐標系的轉(zhuǎn)換，得到末敏彈的當前位置坐標；其次，根據(jù)末敏彈的運動特點計算末敏彈的提前點位置坐標；再次，根據(jù)末敏彈提前點位置，解算攔截彈的射擊諸元；然后，與隨動姿態(tài)測量模塊進行通信，得到隨動系統(tǒng)的實時姿態(tài)，從而根據(jù)射擊諸元驅(qū)動隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動到指定角度，發(fā)射攔截彈丸；最后，與目標探測跟蹤雷達進行通信，傳送攔截彈引爆指令，實現(xiàn)毀傷目的。在此過程中，顯示模塊實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、通信狀況、戰(zhàn)場情況、目標實時位置、毀傷效果等信息。

2 中央控制器硬件設(shè)計

根據(jù)1.2節(jié)的中央控制器設(shè)計原理分析可知，中央控制器硬件電路可分為5個模塊進行設(shè)計，即主控制器部分，隨動姿態(tài)測量模塊，通信模塊，顯示模塊和電源模塊。中央控制器硬件總體框圖如圖3所示，其中主控制器部分以STM32F407VGT6控制器為主體，是整個中央控制器的大腦，負責(zé)系統(tǒng)整體的運行控制與任務(wù)調(diào)度，運行速度可高達168 MHz，滿足系統(tǒng)的實時性要求；隨動姿態(tài)測量模塊以STM32F103C8T6芯片為處理核心，外圍由兩個姿態(tài)測量傳感器LSM303DLHC和MPU6050組成，通過IIC接口讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隨動系統(tǒng)發(fā)射身管實時姿態(tài)角的解算，解算角度符合系統(tǒng)精度要求；通信模塊主要包含RS232和RS422串口以及CAN通信接口，實現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)的傳輸，RS422通信速率最高達35 Mbps，CAN通信可達1 Mbps，符合系統(tǒng)通信要求；顯示模塊通過I/O口與主控制器通信，實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息；電源模塊主要負責(zé)提供5 V和3.3 V的電壓，通過電源轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)[5-7]。

3 中央控制器軟件設(shè)計

3.1 軟件總體流程圖

軟件總體流程如圖4所示，中央控制器上電后，首先完成系統(tǒng)初始化，而后通過響應(yīng)中斷接收來自雷達的數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議，判斷是否接收正確，如果接收正確，則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，判斷是否構(gòu)成威脅，并解算火炮的射擊諸元，發(fā)送調(diào)整指令，發(fā)射攔截彈丸，滿足引爆條件則發(fā)送引爆指令，最后評估毀傷效果，一次攔截過程結(jié)束。

3.2 火控解算

火控解算是軟件設(shè)計的核心任務(wù)，根據(jù)雷達探測的末敏彈位置信息，經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換，求解末敏彈提前點坐標，最終計算并向攔截彈發(fā)射身管輸出射擊諸元，引爆攔截彈丸，對末敏彈進行毀傷。

末敏彈運動分為母彈拋射段，子母彈分離段，減速減旋段和穩(wěn)態(tài)掃描段，由于前3個階段末敏彈的落速、轉(zhuǎn)速急劇變化，運動狀態(tài)變化很大，對其攔截打擊難度比較大，當末敏彈進入穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)時，下落高度在200 m左右，轉(zhuǎn)速約3.5 r/s，末敏子彈的傘彈系統(tǒng)速度主要是垂直方向的落速，在10 m/s左右，由于橫風(fēng)的影響，也存在水平方向的速度，但不會對其彈道運動軌跡產(chǎn)生很大的影響，可近似認定末敏彈在此階段做小擾動的勻速下落運動，因此該段是對其進行攔截打擊的最佳階段，該系統(tǒng)主要用于在穩(wěn)態(tài)掃描段對末敏彈位置信息精確解算定位并進行攔截打擊，達到毀傷效果[8-12]。

3.2.1 末敏彈當前位置求取

末敏彈的位置信息由武器系統(tǒng)中的雷達探測得到，其初始位置參數(shù)是用球形坐標系表示的，即t時刻末敏彈的位置為Mt(βt,εt,Dt)，通過球坐標系與直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將末敏彈的運動參數(shù)用直角坐標系的參量表示，得到雷達坐標系下末敏彈坐標Mr(xr,yr,hr,vrx,vry,vrh)：

(2)

(3)

末敏彈位置信息是雷達探測得到的，以雷達坐標系為參考；攔截彈射擊諸元是以武器平臺坐標系為參考的，因此要根據(jù)武器系統(tǒng)中雷達和武器平臺的實際位置關(guān)系進行坐標系轉(zhuǎn)換。在反末敏彈武器系統(tǒng)中，攔截彈發(fā)射身管安裝于武器平臺上，在方位角和俯仰角方向都可轉(zhuǎn)動，雷達固定于發(fā)射身管中間靠上位置，根據(jù)此位置關(guān)系，建立雷達坐標系與武器平臺坐標系，如圖5所示。

圖5中O-XYH為武器平臺坐標系，OH為發(fā)射身管初始狀態(tài)，O1-X1Y1H1為雷達坐標系的初始位置，位于武器平臺的正上方h處，h為雷達安裝高度；在t時刻，由于發(fā)射身管隨著隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，雷達坐標系變?yōu)镺2-X2Y2H2，此時，發(fā)射身管位置為方位角α，俯仰角θ，即雷達坐標系相對于武器平臺坐標系的方位角為α，俯仰角為θ，α和θ由隨動姿態(tài)測量模塊測得。

經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到武器平臺坐標系下末敏彈坐標Mw(xw,yw,hw)，即為t時刻末敏彈的當前位置

(4)

3.2.2 末敏彈提前點位置求取

末敏彈的提前點位置與它自身的運動狀態(tài)、攔截系統(tǒng)的運動狀態(tài)、攔截彈的飛行時間以及系統(tǒng)火控計算機的計算周期有關(guān)。設(shè)提前點坐標為Mp(xp,yp,hp)；攔截系統(tǒng)的運動參數(shù)為(vlx,vly)，其中vlx為攔截系統(tǒng)在X軸方向的運動速度，vly為攔截系統(tǒng)在Y軸方向的運動速度；攔截彈的飛行時間為tf；系統(tǒng)火控計算機的計算周期為T；則根據(jù)運動方程，可得提前點的坐標計算式

(5)

式中，除了攔截彈的飛行時間，其他參量都是已知的，因此要想求出末敏彈提前點的坐標，需要知道飛行時間，而飛行時間又是根據(jù)提前點的位置確定的。顯然，tf是(xp,yp,hp)的函數(shù)，列彈道方程

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，用迭代法可求得飛行時間及提前點坐標。

3.2.3 確定射擊諸元

在求出末敏彈的提前點位置之后，為了指引攔截彈精確到達提前點命中目標，需要賦予武器系統(tǒng)準確的射擊諸元，也就是發(fā)射炮管的方位角與俯仰角(β,ε)。將提前點的直角坐標系下的坐標Mp(xp,yp,hp)轉(zhuǎn)換為球坐標系下的坐標Mp(βp,εp,Dp)，其計算式為

(7)

已知提前點位置Mp，根據(jù)戰(zhàn)場實際情況進行修正，最終得到攔截彈的射擊諸元[13-15]。

4 結(jié)論

反末敏彈武器系統(tǒng)的研究對于提高裝甲的防護水平意義重大，立足裝甲防護能力，本研究介紹了反末敏彈武器系統(tǒng)的組成及工作過程，立足中央控制器的功能需求，從硬件和軟件兩方面對反末敏彈武器系統(tǒng)中央控制器進行了設(shè)計，對后續(xù)反末敏彈武器系統(tǒng)的研制具有借鑒意義。

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