劉長江，蔡瑞民，賈小杰

（解放軍31697 部隊，遼寧 大連 116104）

0 引言

20 世紀50 年代中期，紅外尋的制導導彈首次被應用于戰(zhàn)斗機平臺。20 世紀60 年代，美國和前蘇聯(lián)先后研制出第一代便攜式防空導彈。隨后，紅外尋的制導便攜式防空導彈很快成為地面部隊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)場上得到了實戰(zhàn)檢驗。特別是在現代防空作戰(zhàn)中，惡劣的地形、氣象條件和復雜電磁環(huán)境往往嚴重影響車載防空導彈、自行（或牽引）高炮等大型防空武器裝備的機動部署和戰(zhàn)術技術性能的發(fā)揮。因此，便攜式防空導彈對于打擊低空武裝直升機、巡航導彈、無人機等“低、慢、小”及末端近程空襲目標具有重要意義。由于其體積小、反應靈活、操作簡單、效費比高等諸多優(yōu)點，便攜式防空系統(tǒng)（MANPADS）已經成為世界各國防空體系的重要組成部分。

針對便攜式防空導彈訓練，部隊重點發(fā)展了各類模擬訓練系統(tǒng)，以提高操作人員與裝備結合能力。目前使用的便攜式防空導彈多采用單兵肩扛式發(fā)射，需要射手通過瞄準具對目標進行瞄準、跟蹤，并在發(fā)射前給出發(fā)射前置量。但在實際應用中發(fā)現，便攜式防空導彈發(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)效能無法充分發(fā)揮。

針對當前便攜式防空導彈發(fā)展存在的現實問題，本文提出了一種便攜式防空導彈自動控制系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)通過將光電設備與某型便攜式防空導彈融合為便攜式防空導彈武器系統(tǒng)，能夠有效提高便攜式防空導彈搜索發(fā)現、跟蹤目標及導彈發(fā)射的自動化，減少人工干預和不確定因素的干擾，從而提高便攜式防空導彈的可靠性和命中概率。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 問題分析

目前，本型便攜式防空導彈使用時一般需兩人一組，射手通過目視搜索目標，肩扛發(fā)射具瞄準跟蹤，手動打開供電供氣裝置，人工判斷發(fā)射條件；滿足發(fā)射條件后扣動扳機陀螺解鎖，概略引入前置量，再次扣動扳機完成導彈發(fā)射。在實際應用過程中，該型便攜式防空導彈逐漸暴露出自動化程度低、命中概率受人為因素影響大等不足，其問題主要表現在：

1）人工操作誤差大，命中精度低。目標搜索跟蹤、引入前置量、發(fā)射導彈，每個環(huán)節(jié)對人工操作準確性提出了很高要求。但實戰(zhàn)場景下肩扛發(fā)射穩(wěn)定性弱，偶然性大。且射手易受戰(zhàn)場環(huán)境因素影響，導致動作變形甚至操作失誤，將造成打擊精度嚴重下降。

2）目視搜索距離短，響應速度慢。在能見度良好的情況下，目視搜索最大能力范圍不超過5 km，射手很難及時發(fā)現打擊目標。對于體積小、速度快的目標，將對射手快速捕獲、準確操作提出更高要求，往往造成反應倉促，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傳達，沒有充分利用低空雷達等偵查

預警裝備的情報信息，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)設計

1.2.1 解決問題思路

針對上述問題，考慮對該型便攜式防空導彈進行信息化改造，提高其發(fā)控通信、發(fā)控執(zhí)行的自動化水平。由于便攜式防空導彈是費效比高、造價低廉的戰(zhàn)術級防空武器，需要在兼顧其改造成本、單兵便攜能力的基礎上，進行軟、硬件升級。綜合以上分析，本文設計思路如下：

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

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

3）提高情報信息融合處理能力，使信息處理系統(tǒng)能夠融合偵察預警網絡（如低空雷達等）輸入的空情數據，從而提高便攜式防空導彈體系化作戰(zhàn)能力。通過增加數據分發(fā)電路，將獲得的空情信息可以同時傳送給多個火力單元，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、計算機、數字電路、自動控制等技術，完成目標搜集信號高速率、高精度傳輸，實現導彈控制的自動化，并使其與現有偵察預警網絡實現兼容，促進空情信息的網絡共享，通過綜合集成和優(yōu)化結構保證設備的可靠性和便攜性。

圖1 系統(tǒng)組成及結構框圖各分系統(tǒng)方案設計

各分系統(tǒng)方案設計如下：

1）目標搜索指示單元

以某型數字指揮鏡為主體構建目標搜索指示單元。數字指揮鏡由觀測鏡、調平臺、三角架、配套電纜等組成。具有電動連續(xù)變倍觀察目標、激光測距、絕對碼光電測角的功能，最大探測距離可達20 km，遠遠大于人工目視距離，且瞄準跟蹤過程中受外界干擾影響較小，可自動為系統(tǒng)提供高速率、高精度的空情信息。目標搜索指示單元主要功能是搜索跟蹤目標，測定目標在空中的運動參數并以數字信號的形式傳送至信息處理單元，為火力打擊單元提供目標指示。

2）信息處理單元

信息處理單元由數據處理模塊、有線通信模塊、系統(tǒng)控制模塊、人機交互模塊等組成，其主要功能是接收目標搜索指示單元和通信網絡共享的空情信息，形成并輸出伺服裝置的控制信號和導彈射擊諸元。通過融合、整合數字觀察鏡的機情器、解算器等功能，基于ARM 微處理器研制開發(fā)數據采集、信息處理、信號計算的信息處理系統(tǒng)。該單元能夠采集數字觀察鏡和通信網絡輸出的空情數據，與一個或多個火力單元進行標校，自動解算目標速度、航路方位角、升降角等，并對數據進行解析、運算形成導彈射擊諸元，復制后通過有線通信模塊傳送給一個或多個火力打擊單元，在目標進入便攜式防空導彈火力打擊范圍后，給火力單元發(fā)送射擊指令，完成對來襲目標的射擊。

3）顯示控制單元

顯示控制單元由控制電路、伺服電機驅動模塊、有線通信模塊及自動控制裝置組成，其主要功能是接收射擊諸元信號和控制信號，實現便攜式導彈的自動控制。在接收到信息處理單元傳遞的射擊諸元和控制指令后，通過伺服系統(tǒng)，控制導彈的隨動裝置、供電供氣控制機構、陀螺啟動和導彈發(fā)射控制電路，構成便攜式防空導彈的自動控制系統(tǒng)，從而完成系統(tǒng)標定、對目標的穩(wěn)定跟蹤及導彈的射擊等。

4）火力打擊單元

火力打擊單元以某型便攜式防空導彈為主體，加改裝導彈固定裝置、調平臺和三角架等設備，構成火力打擊單元，實現武器系統(tǒng)改造升級。其主要功能是完成導彈調平、標校、定位，支撐并發(fā)射導彈等。通過導彈固定發(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)工作過程及原理

本文設計的自動控制系統(tǒng)通過上述單元模塊的有效配合，可以完成對便攜式防空導彈的改造升級，其工作過程及原理框圖如圖2 所示。本系統(tǒng)充分發(fā)揮現有光電設備搜索探測目標優(yōu)勢，同時該系統(tǒng)可將便攜式防空導彈武器接入防空部隊現役情報指揮系統(tǒng)，形成光電設備和各種雷達組成的偵察預警網絡，有效規(guī)避電磁干擾和敵人的偵察打擊，能夠實現一部設備發(fā)現目標，偵察預警系統(tǒng)全網皆知信息共享，提高系統(tǒng)抗電磁干擾、地物回波的能力，以及戰(zhàn)場生存的能力。其系統(tǒng)工作過程及相關原理如圖2 所示。

圖2 自動控制系統(tǒng)原理框圖

1）系統(tǒng)標校

在組織射擊準備前需要對系統(tǒng)進行標校，一是本系統(tǒng)的標校，即利用數字觀察鏡與火力單元之間進行標校，為火力單元提供準確的射擊諸元；二是與組網的偵察預警裝備進行位置標校，保證系統(tǒng)在使用共享空情時射擊諸元正確。

2）數字觀察鏡提供目標指示

觀測手可選擇“自主目指”工作方式（即自主搜索目標方式）。通過操作數字觀察鏡搜索捕獲、跟蹤目標，并輸出目標的諸元（方位角、高低角，在滿足條件下輸出距離），送給信息處理單元的信息處理電路。信息處理電路根據接收到的目標信息、攻擊方式指令（迎攻或尾追）、計算出一個或多個火力單元的射擊諸元，通過控制系統(tǒng)使便攜式防空導彈與數字觀察鏡同步隨動搜索、捕獲目標，火控手按下供電供氣按鈕，給探測裝置供氣，電子設備供電。在導彈穩(wěn)定跟蹤目標后，滿足射擊條件下，導彈的聲、光信號提示在顯控組合上通知火控手，火控手可根據時機，按下陀螺解鎖。按下陀螺解鎖按鈕后，信息處理裝置計算前置量，通過控制裝置傳送給導彈并裝訂?；鹂厥职聪聦棸l(fā)射按鈕，導彈發(fā)射。

3）偵察預警網絡提供目標指示

觀測手可選擇“網絡目指”工作方式（即接收偵察預警網絡提供目標指示方式）。觀測手可根據偵察預警網絡提供的目標指示進行對空搜索目標。信息處理單元的信息處理電路自動接收網絡目標指示信息，計算出各個火力單元的導彈射擊諸元并傳送給導彈。觀測手可以同步跟蹤目標，在網絡目標指示信息不穩(wěn)定或出現丟失時，可轉換為“自主目指”工作方式，繼續(xù)完成射擊任務。火控手的操作及系統(tǒng)工作與“數字觀察鏡提供目標指示”方式相同。

2 關鍵技術解決方案

系統(tǒng)內部信號傳遞流程如圖3 所示，其中，系統(tǒng)設計的關鍵技術主要有3 個方面：一是伺服系統(tǒng)的設計，必須滿足數字觀察鏡與火力單元伺服機構在旋轉角上的實時同步；二是精確計算導彈射擊前置量，傳給導彈控制機構，使導彈適時精準引入前置量；三是在不改變原裝備結構的基礎上，實現導彈射擊操作的自動控制。

圖3 系統(tǒng)信號流程框圖

2.1 伺服系統(tǒng)的設計方案

數字觀察鏡輸出目標的俯仰角β 和方位角ε信息是離散的，將導致伺服機構抖動，導彈無法穩(wěn)定跟蹤目標。本系統(tǒng)通過采用高性能微控制單元ARM 芯片開發(fā)平滑算法進行航跡外推，將離散的點跡恢復成目標連續(xù)運動的航跡。再根據時間函數推算出目標運動的航向、速度及當前點，形成伺服驅動信號，保證導彈隨著數字觀察鏡穩(wěn)定跟蹤目標。

2.2 導彈射擊前置量的計算方案

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

2.3 導彈發(fā)射的自動控制方案

在不改變數字觀察鏡和便攜式防空導彈裝備結構的基礎上，需要實現導彈發(fā)射自動控制方案。人工發(fā)射便攜式防空導彈時，射手除要進行目標搜索跟蹤，還要完成激活供電電池、陀螺解鎖、引入前置量和發(fā)射導彈等動作，受外界、心理因素影響大，射擊命中概率低。本系統(tǒng)通過制作導彈供電供氣鈕轉裝置，火控手通過控制系統(tǒng)轉動供電供氣裝置，完成導彈的供電供氣。將導彈陀螺解鎖和發(fā)射的發(fā)射機構電路融合到顯控系統(tǒng)，由火控手在操作面板上控制。

3 結論

目前裝備的便攜式防空導彈大多需人工操作完成目視搜索、測距，概略裝訂前置量，受人為因素影響大；搜索目標距離近，預警時間短，應戰(zhàn)準備倉促，這些因素都造成了導彈命中概率的下降。針對上述防空作戰(zhàn)能力短板，本文對便攜式防空導彈自動控制系統(tǒng)基本問題進行研究，立足現有裝備，在不改變原裝備結構的基礎上通過加裝、整合、信息系統(tǒng)升級，將數字觀察鏡和便攜式防空導彈融合成便攜式防空導彈武器系統(tǒng)，所設計的系統(tǒng)結構也將應用于實物系統(tǒng)，該系統(tǒng)將大幅減少人為因素影響，提高裝備自動化能力，完善便攜式防空導彈的作戰(zhàn)效能，進一步提高防空兵作戰(zhàn)能力。