一种反末敏弹武器系统中央控制器设计

2018-03-14冯鹏鹏殷希梅

兵器装备工程学报 2018年2期

冯鹏鹏，殷希梅

(陆军军官学院，合肥 230031)

随着装甲防护水平的不断提高，各国一直致力于研制一种射程远、精度高、威力大、作战效率高的精确打击反装甲弹药。精确打击弹药如美国“铜斑蛇”末制导炮弹、“萨达姆”末敏弹等应运而生，这些新型弹药为部队打击集群式的坦克装甲目标提供了必要条件。在众多精确打击反装甲弹药中，末敏弹脱颖而出。它技术复杂度低，没有精密复杂的制导系统，抗干扰能力强，效费比高，是一种真正实现了“发射后不用管”的信息化智能炮弹，专门攻击坦克、装甲车辆的顶部防护最薄弱的地方，对坦克装甲目标造成了很大的威胁[1-4]。

反末敏弹武器系统是专门应对末敏弹这类攻顶弹药的武器系统，其武器效能直接关系到被保护装甲车辆的生存，而中央控制器是整个武器系统的控制大脑，为保证系统功能的发挥，设计先进的高性能的中央控制器是关键。为此，本研究开展反末敏弹武器系统中央控制器的研究设计，提高系统防护能力，为装甲车辆提供坚实的保护伞。

1 系统原理

1.1 反末敏弹武器系统组成及工作过程

反末敏弹武器系统属于主动防护系统，主要用于防御末敏弹这类攻顶弹药的打击，对于增强坦克装甲车辆的防护能力、提高作战效能意义重大。系统主要由目标探测与跟踪系统、中央控制器、随动控制系统、拦截弹丸、毫米波干扰系统等部分组成，工作过程如图1所示。

系统供电，雷达开始搜索探测工作，判断其有效探测区域内有无末敏弹目标。当探测区域内出现末敏弹时，雷达迅速发现并定位目标，然后将探测的末敏子弹位置信息传送给中央控制器，中央控制器根据雷达提供的信息对末敏子弹的运动轨迹进行实时预测，并实时解算射击诸元引导随动控制系统跟踪、瞄准目标。当末敏子弹进入稳态扫描状态，距地面约200 m，子弹落速降至约10 m/s，此时，中央控制器再次根据雷达提供的末敏子弹信息对子弹的运动轨迹进行精确计算，引导随动控制系统对准目标，并适时给出拦截弹的发射点火信号。当拦截弹发射后，雷达同时追踪拦截弹和末敏子弹，中央控制器实时计算弹目距离，在最佳炸点处给出拦截弹丸引爆指令。引爆指令通过雷达传输到弹载指令引信，引爆拦截弹战斗部，从而对末敏子弹造成毁伤，使其丧失作战能力。之后，雷达再次探测目标，对毁伤效果做出评估，如果目标未被击中，则重复上述射击过程。在此过程中，毫米波干扰系统持续发射干扰信号对末敏子弹的毫米波探测装置实施干扰。

1.2 中央控制器设计原理

中央控制器是反末敏弹武器系统的重要组成部分，通过以上对武器系统的组成及工作过程分析，将中央控制器的功能概括如下：

1) 完成与目标探测跟踪雷达之间的通信，能够正确向雷达发送控制指令，并准确接收雷达测量数据；

2) 完成与随动姿态测量模块之间的通信，得到随动控制系统的实时姿态角信息；

3) 完成与随动控制系统之间的通信，驱动随动控制系统按照角度调整指令转动到正确方位；

4) 通过数字I/O口与显示模块传送数据，实时显示系统的工作状态、毁伤情况等信息；

5) 进行数据的解算，包括对目标的飞行轨迹进行滤波和预测、计算拦截点、解算射击诸元等。

中央控制器工作过程(图2)为：首先，中央控制器与目标探测跟踪雷达进行通信，接收雷达测得的末敏弹位置信息，对此末敏弹位置进行坐标转换，实现雷达坐标系到武器平台坐标系的转换，得到末敏弹的当前位置坐标；其次，根据末敏弹的运动特点计算末敏弹的提前点位置坐标；再次，根据末敏弹提前点位置，解算拦截弹的射击诸元；然后，与随动姿态测量模块进行通信，得到随动系统的实时姿态，从而根据射击诸元驱动随动系统转动到指定角度，发射拦截弹丸；最后，与目标探测跟踪雷达进行通信，传送拦截弹引爆指令，实现毁伤目的。在此过程中，显示模块实时显示系统的工作状态、通信状况、战场情况、目标实时位置、毁伤效果等信息。

2 中央控制器硬件设计

根据1.2节的中央控制器设计原理分析可知，中央控制器硬件电路可分为5个模块进行设计，即主控制器部分，随动姿态测量模块，通信模块，显示模块和电源模块。中央控制器硬件总体框图如图3所示，其中主控制器部分以STM32F407VGT6控制器为主体，是整个中央控制器的大脑，负责系统整体的运行控制与任务调度，运行速度可高达168 MHz，满足系统的实时性要求；随动姿态测量模块以STM32F103C8T6芯片为处理核心，外围由两个姿态测量传感器LSM303DLHC和MPU6050组成，通过IIC接口读取数据，实现随动系统发射身管实时姿态角的解算，解算角度符合系统精度要求；通信模块主要包含RS232和RS422串口以及CAN通信接口，实现指令与数据的传输，RS422通信速率最高达35 Mbps，CAN通信可达1 Mbps，符合系统通信要求；显示模块通过I/O口与主控制器通信，实时显示系统的工作状态等信息；电源模块主要负责提供5 V和3.3 V的电压，通过电源转换芯片实现[5-7]。

3 中央控制器软件设计

3.1 软件总体流程图

软件总体流程如图4所示，中央控制器上电后，首先完成系统初始化，而后通过响应中断接收来自雷达的数据，根据相关通信协议，判断是否接收正确，如果接收正确，则进行数据转换，判断是否构成威胁，并解算火炮的射击诸元，发送调整指令，发射拦截弹丸，满足引爆条件则发送引爆指令，最后评估毁伤效果，一次拦截过程结束。

3.2 火控解算

火控解算是软件设计的核心任务，根据雷达探测的末敏弹位置信息，经过坐标系转换，求解末敏弹提前点坐标，最终计算并向拦截弹发射身管输出射击诸元，引爆拦截弹丸，对末敏弹进行毁伤。

末敏弹运动分为母弹抛射段，子母弹分离段，减速减旋段和稳态扫描段，由于前3个阶段末敏弹的落速、转速急剧变化，运动状态变化很大，对其拦截打击难度比较大，当末敏弹进入稳态扫描状态时，下落高度在200 m左右，转速约3.5 r/s，末敏子弹的伞弹系统速度主要是垂直方向的落速，在10 m/s左右，由于横风的影响，也存在水平方向的速度，但不会对其弹道运动轨迹产生很大的影响，可近似认定末敏弹在此阶段做小扰动的匀速下落运动，因此该段是对其进行拦截打击的最佳阶段，该系统主要用于在稳态扫描段对末敏弹位置信息精确解算定位并进行拦截打击，达到毁伤效果[8-12]。

3.2.1 末敏弹当前位置求取

末敏弹的位置信息由武器系统中的雷达探测得到，其初始位置参数是用球形坐标系表示的，即t时刻末敏弹的位置为Mt(βt,εt,Dt)，通过球坐标系与直角坐标系的转换关系，将末敏弹的运动参数用直角坐标系的参量表示，得到雷达坐标系下末敏弹坐标Mr(xr,yr,hr,vrx,vry,vrh)：

(2)

(3)

末敏弹位置信息是雷达探测得到的，以雷达坐标系为参考；拦截弹射击诸元是以武器平台坐标系为参考的，因此要根据武器系统中雷达和武器平台的实际位置关系进行坐标系转换。在反末敏弹武器系统中，拦截弹发射身管安装于武器平台上，在方位角和俯仰角方向都可转动，雷达固定于发射身管中间靠上位置，根据此位置关系，建立雷达坐标系与武器平台坐标系，如图5所示。

图5中O-XYH为武器平台坐标系，OH为发射身管初始状态，O1-X1Y1H1为雷达坐标系的初始位置，位于武器平台的正上方h处，h为雷达安装高度；在t时刻，由于发射身管随着随动系统转动，雷达坐标系变为O2-X2Y2H2，此时，发射身管位置为方位角α，俯仰角θ，即雷达坐标系相对于武器平台坐标系的方位角为α，俯仰角为θ，α和θ由随动姿态测量模块测得。

经过转换，得到武器平台坐标系下末敏弹坐标Mw(xw,yw,hw)，即为t时刻末敏弹的当前位置

(4)

3.2.2 末敏弹提前点位置求取

末敏弹的提前点位置与它自身的运动状态、拦截系统的运动状态、拦截弹的飞行时间以及系统火控计算机的计算周期有关。设提前点坐标为Mp(xp,yp,hp)；拦截系统的运动参数为(vlx,vly)，其中vlx为拦截系统在X轴方向的运动速度，vly为拦截系统在Y轴方向的运动速度；拦截弹的飞行时间为tf；系统火控计算机的计算周期为T；则根据运动方程，可得提前点的坐标计算式

(5)

式中，除了拦截弹的飞行时间，其他参量都是已知的，因此要想求出末敏弹提前点的坐标，需要知道飞行时间，而飞行时间又是根据提前点的位置确定的。显然，tf是(xp,yp,hp)的函数，列弹道方程

(6)

联立式(5)和式(6)，用迭代法可求得飞行时间及提前点坐标。

3.2.3 确定射击诸元

在求出末敏弹的提前点位置之后，为了指引拦截弹精确到达提前点命中目标，需要赋予武器系统准确的射击诸元，也就是发射炮管的方位角与俯仰角(β,ε)。将提前点的直角坐标系下的坐标Mp(xp,yp,hp)转换为球坐标系下的坐标Mp(βp,εp,Dp)，其计算式为

(7)

已知提前点位置Mp，根据战场实际情况进行修正，最终得到拦截弹的射击诸元[13-15]。