劉長(zhǎng)江，蔡瑞民，賈小杰

（解放軍31697 部隊(duì)，遼寧 大連 116104）

0 引言

20 世紀(jì)50 年代中期，紅外尋的制導(dǎo)導(dǎo)彈首次被應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)。20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)先后研制出第一代便攜式防空導(dǎo)彈。隨后，紅外尋的制導(dǎo)便攜式防空導(dǎo)彈很快成為地面部隊(duì)極為有效的近程低空/超低空防空力量之一，并在各次局部戰(zhàn)場(chǎng)上得到了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。特別是在現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中，惡劣的地形、氣象條件和復(fù)雜電磁環(huán)境往往嚴(yán)重影響車(chē)載防空導(dǎo)彈、自行（或牽引）高炮等大型防空武器裝備的機(jī)動(dòng)部署和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的發(fā)揮。因此，便攜式防空導(dǎo)彈對(duì)于打擊低空武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等“低、慢、小”及末端近程空襲目標(biāo)具有重要意義。由于其體積小、反應(yīng)靈活、操作簡(jiǎn)單、效費(fèi)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，便攜式防空系統(tǒng)（MANPADS）已經(jīng)成為世界各國(guó)防空體系的重要組成部分。

針對(duì)便攜式防空導(dǎo)彈訓(xùn)練，部隊(duì)重點(diǎn)發(fā)展了各類(lèi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以提高操作人員與裝備結(jié)合能力。目前使用的便攜式防空導(dǎo)彈多采用單兵肩扛式發(fā)射，需要射手通過(guò)瞄準(zhǔn)具對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)、跟蹤，并在發(fā)射前給出發(fā)射前置量。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，便攜式防空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)存在人工操作環(huán)節(jié)多、精度低、穩(wěn)定性弱等問(wèn)題，使其受人為及外界因素影響大，命中概率低，作戰(zhàn)效能無(wú)法充分發(fā)揮。

針對(duì)當(dāng)前便攜式防空導(dǎo)彈發(fā)展存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本文提出了一種便攜式防空導(dǎo)彈自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)通過(guò)將光電設(shè)備與某型便攜式防空導(dǎo)彈融合為便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，能夠有效提高便攜式防空導(dǎo)彈搜索發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)及導(dǎo)彈發(fā)射的自動(dòng)化，減少人工干預(yù)和不確定因素的干擾，從而提高便攜式防空導(dǎo)彈的可靠性和命中概率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 問(wèn)題分析

目前，本型便攜式防空導(dǎo)彈使用時(shí)一般需兩人一組，射手通過(guò)目視搜索目標(biāo)，肩扛發(fā)射具瞄準(zhǔn)跟蹤，手動(dòng)打開(kāi)供電供氣裝置，人工判斷發(fā)射條件；滿(mǎn)足發(fā)射條件后扣動(dòng)扳機(jī)陀螺解鎖，概略引入前置量，再次扣動(dòng)扳機(jī)完成導(dǎo)彈發(fā)射。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該型便攜式防空導(dǎo)彈逐漸暴露出自動(dòng)化程度低、命中概率受人為因素影響大等不足，其問(wèn)題主要表現(xiàn)在：

1）人工操作誤差大，命中精度低。目標(biāo)搜索跟蹤、引入前置量、發(fā)射導(dǎo)彈，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)人工操作準(zhǔn)確性提出了很高要求。但實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景下肩扛發(fā)射穩(wěn)定性弱，偶然性大。且射手易受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響，導(dǎo)致動(dòng)作變形甚至操作失誤，將造成打擊精度嚴(yán)重下降。

2）目視搜索距離短，響應(yīng)速度慢。在能見(jiàn)度良好的情況下，目視搜索最大能力范圍不超過(guò)5 km，射手很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)打擊目標(biāo)。對(duì)于體積小、速度快的目標(biāo)，將對(duì)射手快速捕獲、準(zhǔn)確操作提出更高要求，往往造成反應(yīng)倉(cāng)促，命中率大大降低。

3）信息化程度低，協(xié)同作戰(zhàn)能力弱。該型便攜式防空武器缺乏統(tǒng)一的指控系統(tǒng)，空情信息主要源于自主或上級(jí)傳達(dá)，沒(méi)有充分利用低空雷達(dá)等偵查

預(yù)警裝備的情報(bào)信息，未形成整體防空體系，作戰(zhàn)單元間協(xié)同能力較弱，打擊效能低。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 解決問(wèn)題思路

針對(duì)上述問(wèn)題，考慮對(duì)該型便攜式防空導(dǎo)彈進(jìn)行信息化改造，提高其發(fā)控通信、發(fā)控執(zhí)行的自動(dòng)化水平。由于便攜式防空導(dǎo)彈是費(fèi)效比高、造價(jià)低廉的戰(zhàn)術(shù)級(jí)防空武器，需要在兼顧其改造成本、單兵便攜能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟、硬件升級(jí)。綜合以上分析，本文設(shè)計(jì)思路如下：

1）通過(guò)融合指揮鏡數(shù)字系統(tǒng)代替人工搜索探測(cè)目標(biāo)，以提高目標(biāo)搜索距離及跟蹤精度；

2）加裝信息處理系統(tǒng)，自動(dòng)解算空情數(shù)據(jù)形成射擊諸元和前置量，提高導(dǎo)彈發(fā)控執(zhí)行自動(dòng)化水平，避免人工操作引入較大誤差；

3）提高情報(bào)信息融合處理能力，使信息處理系統(tǒng)能夠融合偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（如低空雷達(dá)等）輸入的空情數(shù)據(jù)，從而提高便攜式防空導(dǎo)彈體系化作戰(zhàn)能力。通過(guò)增加數(shù)據(jù)分發(fā)電路，將獲得的空情信息可以同時(shí)傳送給多個(gè)火力單元，發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)的打擊效能。

1.2.2 總體方案

本系統(tǒng)主要由目標(biāo)搜索指示單元、信息處理單元、顯示控制單元、火力打擊單元、供電系統(tǒng)等部分組成。如圖1 所示，該系統(tǒng)充分利用通信、計(jì)算機(jī)、數(shù)字電路、自動(dòng)控制等技術(shù)，完成目標(biāo)搜集信號(hào)高速率、高精度傳輸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈控制的自動(dòng)化，并使其與現(xiàn)有偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兼容，促進(jìn)空情信息的網(wǎng)絡(luò)共享，通過(guò)綜合集成和優(yōu)化結(jié)構(gòu)保證設(shè)備的可靠性和便攜性。

圖1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)框圖各分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

各分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如下：

1）目標(biāo)搜索指示單元

以某型數(shù)字指揮鏡為主體構(gòu)建目標(biāo)搜索指示單元。數(shù)字指揮鏡由觀測(cè)鏡、調(diào)平臺(tái)、三角架、配套電纜等組成。具有電動(dòng)連續(xù)變倍觀察目標(biāo)、激光測(cè)距、絕對(duì)碼光電測(cè)角的功能，最大探測(cè)距離可達(dá)20 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工目視距離，且瞄準(zhǔn)跟蹤過(guò)程中受外界干擾影響較小，可自動(dòng)為系統(tǒng)提供高速率、高精度的空情信息。目標(biāo)搜索指示單元主要功能是搜索跟蹤目標(biāo)，測(cè)定目標(biāo)在空中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)并以數(shù)字信號(hào)的形式傳送至信息處理單元，為火力打擊單元提供目標(biāo)指示。

2）信息處理單元

信息處理單元由數(shù)據(jù)處理模塊、有線(xiàn)通信模塊、系統(tǒng)控制模塊、人機(jī)交互模塊等組成，其主要功能是接收目標(biāo)搜索指示單元和通信網(wǎng)絡(luò)共享的空情信息，形成并輸出伺服裝置的控制信號(hào)和導(dǎo)彈射擊諸元。通過(guò)融合、整合數(shù)字觀察鏡的機(jī)情器、解算器等功能，基于ARM 微處理器研制開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集、信息處理、信號(hào)計(jì)算的信息處理系統(tǒng)。該單元能夠采集數(shù)字觀察鏡和通信網(wǎng)絡(luò)輸出的空情數(shù)據(jù)，與一個(gè)或多個(gè)火力單元進(jìn)行標(biāo)校，自動(dòng)解算目標(biāo)速度、航路方位角、升降角等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、運(yùn)算形成導(dǎo)彈射擊諸元，復(fù)制后通過(guò)有線(xiàn)通信模塊傳送給一個(gè)或多個(gè)火力打擊單元，在目標(biāo)進(jìn)入便攜式防空導(dǎo)彈火力打擊范圍后，給火力單元發(fā)送射擊指令，完成對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的射擊。

3）顯示控制單元

顯示控制單元由控制電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、有線(xiàn)通信模塊及自動(dòng)控制裝置組成，其主要功能是接收射擊諸元信號(hào)和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)便攜式導(dǎo)彈的自動(dòng)控制。在接收到信息處理單元傳遞的射擊諸元和控制指令后，通過(guò)伺服系統(tǒng)，控制導(dǎo)彈的隨動(dòng)裝置、供電供氣控制機(jī)構(gòu)、陀螺啟動(dòng)和導(dǎo)彈發(fā)射控制電路，構(gòu)成便攜式防空導(dǎo)彈的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而完成系統(tǒng)標(biāo)定、對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤及導(dǎo)彈的射擊等。

4）火力打擊單元

火力打擊單元以某型便攜式防空導(dǎo)彈為主體，加改裝導(dǎo)彈固定裝置、調(diào)平臺(tái)和三角架等設(shè)備，構(gòu)成火力打擊單元，實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)改造升級(jí)。其主要功能是完成導(dǎo)彈調(diào)平、標(biāo)校、定位，支撐并發(fā)射導(dǎo)彈等。通過(guò)導(dǎo)彈固定發(fā)射代替射手肩抗操作，從而減少人為操作誤差引入，提高命中精度。

5）供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由一部便攜式3 kW 小型油機(jī)及配套電纜組成，為系統(tǒng)提供所需電源。

1.2.3 系統(tǒng)工作過(guò)程及原理

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)上述單元模塊的有效配合，可以完成對(duì)便攜式防空導(dǎo)彈的改造升級(jí)，其工作過(guò)程及原理框圖如圖2 所示。本系統(tǒng)充分發(fā)揮現(xiàn)有光電設(shè)備搜索探測(cè)目標(biāo)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該系統(tǒng)可將便攜式防空導(dǎo)彈武器接入防空部隊(duì)現(xiàn)役情報(bào)指揮系統(tǒng)，形成光電設(shè)備和各種雷達(dá)組成的偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，有效規(guī)避電磁干擾和敵人的偵察打擊，能夠?qū)崿F(xiàn)一部設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，偵察預(yù)警系統(tǒng)全網(wǎng)皆知信息共享，提高系統(tǒng)抗電磁干擾、地物回波的能力，以及戰(zhàn)場(chǎng)生存的能力。其系統(tǒng)工作過(guò)程及相關(guān)原理如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

1）系統(tǒng)標(biāo)校

在組織射擊準(zhǔn)備前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，一是本系統(tǒng)的標(biāo)校，即利用數(shù)字觀察鏡與火力單元之間進(jìn)行標(biāo)校，為火力單元提供準(zhǔn)確的射擊諸元；二是與組網(wǎng)的偵察預(yù)警裝備進(jìn)行位置標(biāo)校，保證系統(tǒng)在使用共享空情時(shí)射擊諸元正確。

2）數(shù)字觀察鏡提供目標(biāo)指示

觀測(cè)手可選擇“自主目指”工作方式（即自主搜索目標(biāo)方式）。通過(guò)操作數(shù)字觀察鏡搜索捕獲、跟蹤目標(biāo)，并輸出目標(biāo)的諸元（方位角、高低角，在滿(mǎn)足條件下輸出距離），送給信息處理單元的信息處理電路。信息處理電路根據(jù)接收到的目標(biāo)信息、攻擊方式指令（迎攻或尾追）、計(jì)算出一個(gè)或多個(gè)火力單元的射擊諸元，通過(guò)控制系統(tǒng)使便攜式防空導(dǎo)彈與數(shù)字觀察鏡同步隨動(dòng)搜索、捕獲目標(biāo)，火控手按下供電供氣按鈕，給探測(cè)裝置供氣，電子設(shè)備供電。在導(dǎo)彈穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后，滿(mǎn)足射擊條件下，導(dǎo)彈的聲、光信號(hào)提示在顯控組合上通知火控手，火控手可根據(jù)時(shí)機(jī)，按下陀螺解鎖。按下陀螺解鎖按鈕后，信息處理裝置計(jì)算前置量，通過(guò)控制裝置傳送給導(dǎo)彈并裝訂。火控手按下導(dǎo)彈發(fā)射按鈕，導(dǎo)彈發(fā)射。

3）偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)提供目標(biāo)指示

觀測(cè)手可選擇“網(wǎng)絡(luò)目指”工作方式（即接收偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)提供目標(biāo)指示方式）。觀測(cè)手可根據(jù)偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)提供的目標(biāo)指示進(jìn)行對(duì)空搜索目標(biāo)。信息處理單元的信息處理電路自動(dòng)接收網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)指示信息，計(jì)算出各個(gè)火力單元的導(dǎo)彈射擊諸元并傳送給導(dǎo)彈。觀測(cè)手可以同步跟蹤目標(biāo)，在網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)指示信息不穩(wěn)定或出現(xiàn)丟失時(shí)，可轉(zhuǎn)換為“自主目指”工作方式，繼續(xù)完成射擊任務(wù)?；鹂厥值牟僮骷跋到y(tǒng)工作與“數(shù)字觀察鏡提供目標(biāo)指示”方式相同。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳遞流程如圖3 所示，其中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要有3 個(gè)方面：一是伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須滿(mǎn)足數(shù)字觀察鏡與火力單元伺服機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)角上的實(shí)時(shí)同步；二是精確計(jì)算導(dǎo)彈射擊前置量，傳給導(dǎo)彈控制機(jī)構(gòu)，使導(dǎo)彈適時(shí)精準(zhǔn)引入前置量；三是在不改變?cè)b備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈射擊操作的自動(dòng)控制。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)流程框圖

2.1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

數(shù)字觀察鏡輸出目標(biāo)的俯仰角β 和方位角ε信息是離散的，將導(dǎo)致伺服機(jī)構(gòu)抖動(dòng)，導(dǎo)彈無(wú)法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。本系統(tǒng)通過(guò)采用高性能微控制單元ARM 芯片開(kāi)發(fā)平滑算法進(jìn)行航跡外推，將離散的點(diǎn)跡恢復(fù)成目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的航跡。再根據(jù)時(shí)間函數(shù)推算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的航向、速度及當(dāng)前點(diǎn)，形成伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證導(dǎo)彈隨著數(shù)字觀察鏡穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

2.2 導(dǎo)彈射擊前置量的計(jì)算方案

為了提高導(dǎo)引精度和導(dǎo)彈命中概率，人工操作時(shí)射手在實(shí)彈射擊時(shí)必須判斷估算引入前置量，人為因素導(dǎo)致誤差較大。本系統(tǒng)在自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中采用軟件處理方式，采集數(shù)字觀察鏡輸出的目標(biāo)速度、高度、航向、航路捷徑和攻擊角等諸元后，通過(guò)射表計(jì)算出前置量，在給出導(dǎo)彈解鎖指令的同時(shí)給出前置量，通過(guò)控制系統(tǒng)賦予隨動(dòng)裝置給導(dǎo)彈裝訂。

2.3 導(dǎo)彈發(fā)射的自動(dòng)控制方案

在不改變數(shù)字觀察鏡和便攜式防空導(dǎo)彈裝備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射自動(dòng)控制方案。人工發(fā)射便攜式防空導(dǎo)彈時(shí)，射手除要進(jìn)行目標(biāo)搜索跟蹤，還要完成激活供電電池、陀螺解鎖、引入前置量和發(fā)射導(dǎo)彈等動(dòng)作，受外界、心理因素影響大，射擊命中概率低。本系統(tǒng)通過(guò)制作導(dǎo)彈供電供氣鈕轉(zhuǎn)裝置，火控手通過(guò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)供電供氣裝置，完成導(dǎo)彈的供電供氣。將導(dǎo)彈陀螺解鎖和發(fā)射的發(fā)射機(jī)構(gòu)電路融合到顯控系統(tǒng)，由火控手在操作面板上控制。

3 結(jié)論

目前裝備的便攜式防空導(dǎo)彈大多需人工操作完成目視搜索、測(cè)距，概略裝訂前置量，受人為因素影響大；搜索目標(biāo)距離近，預(yù)警時(shí)間短，應(yīng)戰(zhàn)準(zhǔn)備倉(cāng)促，這些因素都造成了導(dǎo)彈命中概率的下降。針對(duì)上述防空作戰(zhàn)能力短板，本文對(duì)便攜式防空導(dǎo)彈自動(dòng)控制系統(tǒng)基本問(wèn)題進(jìn)行研究，立足現(xiàn)有裝備，在不改變?cè)b備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)加裝、整合、信息系統(tǒng)升級(jí)，將數(shù)字觀察鏡和便攜式防空導(dǎo)彈融合成便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也將應(yīng)用于實(shí)物系統(tǒng)，該系統(tǒng)將大幅減少人為因素影響，提高裝備自動(dòng)化能力，完善便攜式防空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，進(jìn)一步提高防空兵作戰(zhàn)能力。