中国指挥与控制学会会刊 
现代战争中,导弹武器系统要取得优势,在很大程度上取决于制导控制系统的性能。强对抗是未来战争的显著特征,因此,在制导控制技术非常成熟的当下,抗干扰设计是制导系统设计的核心[1]。对于不同制导体制的制导系统,会有相应的对抗干扰手段,如红外制导体制的导弹工作原理是根据热辐射分布情况实现目标的自主搜索、捕获、识别和跟踪[2],满足抗红外干扰性能,准确探测目标和背景间微小的辐射是其总体性能的核心指标,也是提高和改善武器系统性能的重要保证[3]。因此,通过不同抗干扰程度的实弹飞行试验,测试评估红外抗干扰措施有效性,是红外制导体制导弹试验的重要内容[4]。
防空导弹武器系统试验中包含导弹抗红外干扰性能指标的考核科目,试验流程为:在无人靶机起飞后,按照预先规划的航迹和模式,以一定高度平飞至进入点、曳光管点燃点(满足红外辐射强度)后,导弹择机进行发射,此时,靶机上的红外投放装置按一定的时间延迟和投放间隔,投放红外干扰弹,在靶机周围一定空间范围内形成红外干扰源,构成抗干扰试验条件[5]。在弹靶遭遇后,计算脱靶量,对导弹武器系统进行评估[6]。导弹择机发射时,干扰弹的投放则是由发射车的发控系统提供导弹点火信号,启动干扰投放装置,进行干扰弹投放[7-8]。但是,对于不同设计理念的发射系统,发控时序设计千差万别,甚至有的发射系统未设计发控信号输出接口,对于这些情况,只在导弹发射时人工触发干扰弹投放,抗干扰程度不统一,考核强度降低。并且,此种人工触发方式较为固定,只能在靶机起飞前固化在装置内,通过一次性全部投放或以固定时间间隔进行投放,当靶机起飞后发现投放模式设置有误或试验条件变化需要对投放参数进行修改时,无法进行重新加载。
为形成相对统一的试验条件,以充分验证导弹的抗干扰性能指标,本文根据干扰弹机理,结合投放具体参数,设计了一套干扰弹自动投放系统,将常见的试验方案由发控信号内部触发模式改为导弹点火信号检测触发模式,即由系统自动采集导弹点火信号,完成控制投放系统进行红外干扰弹自动投放。
1 干扰弹投放原理
红外干扰弹通过燃烧产生强烈的红外辐射模拟虚假目标,以诱骗红外导引头的跟踪点移动到干扰弹目标上,使得导引头丢失真实目标,错误地跟踪并攻击干扰弹目标[9]。而诱骗能否成功,与干扰弹的释放时机和释放方式有密切的关系。如图1 所示的飞行航路,待靶机进入A点后,武器系统进行搜索、跟踪;在B点时,点燃曳光管,当武器系统稳定跟踪后,导弹即刻发射;在D点遭遇,若未遭遇,靶机进入退出点F,飞离试验区域。若红外干扰投放点C出现过早、投放间隔过短、投放数量少时,会出现干扰弹燃尽后,目标还没有飞出导引头视场,此时,导弹还能跟踪并攻击目标,未能充分干扰考核导弹攻击性能;若干扰投放点C出现过晚时,未能诱骗导弹飞离目标,此时,目标若还在导弹杀伤半径内,没有起到干扰的效果。通过以上分析可知,在红外制导防空导弹的抗干扰性试验过程中,为有效测试评估抗干扰措施有效性,必须能够按照试验要求对投放时刻、投放数量、投放间隔等投放参数进行科学有效的设置[10]。
在机载红外诱饵作战时,干扰投放时刻根据飞机进入敌方导弹攻击区时刻得出,投放数量则是先根据干扰概率,求得飞机和诱饵弹的辐射强度比,再依据诱饵弹辐射强度计算得出[11-12]。时间间隔需根据诱饵弹投放时刻和飞机即将移出导引头视场时刻的时间间隔[13]计算得出。而作为防空武器系统的性能试验,由于产品参数不一致,通过以上方法计算得到的投放控制参数不一致,导致试验条件不统一。为建立统一的试验标准,按照靶机预先规划的航路,干扰投放定义为弹动后的固定时间开始投放,将抗干扰程度划分为中等抗干扰和全程抗干扰,投放数量按照抗干扰程度计算得出,投放间隔按照投放时刻及投放数量计算得出,使得导弹在最远遭遇点处还能进行干扰[14]。
2 干扰弹自动投放系统设计
2.1 总体设计思路
根据防空武器的红外抗干扰试验需求,为实现无人靶机按照投放控制参数对红外干扰弹准确投放,避免由人工触发干扰弹投放时产生的抗干扰程度不统一,考核强度降低,参数固化无法更改等现象,对干扰弹自动投放系统进行设计。该系统由导弹点火信号检测分系统、地面站控制分系统、干扰弹抛撒分系统组成,系统结构如图2 所示。
系统的工作原理为:由火焰触发器瞄准导弹发射车尾部完成导弹发火信号采集后,信号处理器输出两路触发信号,第一路信号触发时统仪器记录发射零时,第二路信号传输给地面控制分系统;地面站控制分系统完成投放延时、投放间隔等投放参数设置,待接收到第二路触发信号后,干扰弹投放指令通过无线电台发送给投放控制终端机,通过干扰弹投放器完成红外干扰弹投放。
2.2 方案设计
2.2.1 导弹点火信号检测分系统
导弹点火信号检测分系统主要完成导弹发火零时测试、导弹点火信号触发信号输出等功能,主要由火焰触发器、时统等组成。其中,火焰触发器工作原理如图3 所示,导弹发射瞬间,针对导弹尾焰特有的光谱特性,首先,通过红外滤波片过滤可见光,去除部分干扰,确保火焰触发器可靠触发;然后,根据光电二极管探测到的尾焰光能量,输出正比于该火光信号光能量的电流信号,将电流信号经流压转换电路输出对应的电压信号,电压信号再经前级交流放大电路、后级信号处理电路输出一定幅值的模拟信号,模拟信号与比较器阈值相比较[15],输出两路TTL触发信号,其中一路TTL触发信号接入时统,记录导弹点火零时。
为提高系统的可靠性,防止出现漏触发、误触发现象,本文采用两台火焰触发器对导弹尾部进行瞄准,探测火光信号,输出的触发信号同步输入地面站控制分系统。如图4 所示。
2.2.2 地面站控制分系统
地面站控制分系统构成如图5 所示,由PC端控制台、投放控制发射机等组成,主要完成干扰弹投放控制。工作原理为利用投放控制发射机,实现PC控制台和投放控制终端之间的通信。投放控制终端接收来自PC控制台的指令,对接收的数据进行解调、接收和存储,并完成投放模式的设置及点火指令的接收。
1)PC端控制台
在地面站控制分系统中,PC端控制台由I/O信号转换盒和投放控制软件组成。I/O信号转换盒如图6 所示,通过以太网控制8路开关量的输入输出,集成硬件TCP/IP协议栈,作为联网控制端。开关量输入采用光电隔离,分为2组,每组共用1个公共端,可分别设置为干节点或湿节点。湿节点时,0~2.8 V为低电平,3.7~28 V为高电平。
投放控制软件采用VisualStudio2015编译器中C#语言开发,控制软件系统界面如图7 所示,主要分为服务器信息、输入状态、输出状态、系统状态栏四大模块。服务器信息功能为:将控制主机与I/O信号转换盒用网线连接,并对输出信号进行设置。其中:断通信号由I/O转换盒输出,常断开为等待投放,常开为正常投放;网络信号由控制软件输出,在等待投放的过程中,向固定IP地址发送“0xEB,0x90,0x00,0x7b”,在接收到导弹点火信号检测分系统的TTL信号时,进入投放模式,并向固定IP发送“0xEB,0x90,0x11,0x8c”。服务器信息功能模块中投放参数设置完成干扰弹投放时的投放参数,如起投时间、投放时间间隔等参数设置。
输入状态栏为8路开关量输入状态指示灯,可输入通断或断通信号。输出状态栏为8路开关量输出状态指示灯,可输出通断或断通信号。系统状态栏完成系统实时状态监测,对投放模式数据、投放指令、点火电压与工作电压的采集和终端工作状态的反馈等功能。为防止火焰探测器未探测出尾焰点火,出现干扰弹投放漏触发,在该系统中还加入手工发送投放信号,作为应急措施,确保干扰弹准确无误投放。
2)投放控制发射机
投放控制发射机可以发送、处理由控制系统处理的指令,并通过数传电台实时发送指令,接收投放控制终端机返回的指令。
2.2.3 干扰弹抛撒分系统
2.3 系统工作流程
为保证试验条件的一致性,本文为干扰弹投放系统制定了统一的工作流程,具体如图9 所示。
发射窗口前,按要求统一测试设备进行布设,连接完成各分系统设备后进行上电,软、硬件复位后,完成以下操作:1)地面控制站发送自检指令,投放控制终端返回自检结果至地面站;2)地面控制站发送投放参数设置,投放控制终端,返回设置结果;3)地面控制站发送点火指令,检查地面控制站发送投放参数设置反馈的投放参数是否有误。完成以上操作后,检测地面站控制分系统与干扰弹抛撒分系统通信是否正常,若出现异常,对各模块设备进行检查,直至通信正常。
然后,利用强光源对整套系统进行测试。具体操作方式为:通过强光手电照射火焰触发器的光电探测器镜头部位,模拟导弹点火状态,检查时统、PC端控制台、投放器是否正常工作。正常工作条件下,完成此项工作后,对干扰弹进行装填,然后,靶机起飞,待进入航线后点燃曳光管,等待导弹点火信号触发,完成干扰弹投放。
3 试验验证
通过试验验证,发射2发防空导弹,投放装置均按照试验要求准确进行投放,具体试验结果如表1 所示。
表1 导弹点火信号和干扰弹投放零时 |
| 序 号 | 投放 延迟 | 导弹点火 信号零时 | 第一发 干扰弹投放零时 | 延时 误差值 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.5 | 07:38:20.394 | 07:38:20.921 | 27 ms |
| 2 | 0.5 | 07:50:38.023 | 07:50:38.047 | 24 ms |
干扰弹投放过程如图10 所示。试验验证结果表明,该系统能够及时对导弹点火信号进行采集,达到无误触发信号,可靠地输出触发点火信号,能够满足导弹抗干扰试验的时延误差要求,提高了试验条件的一致性。
4 结束语
本文设计了一种非接触式导弹点火信号自动检测的无人靶机红外干扰弹投放系统。在导弹点火信号采集、干扰弹投放参数设计、干扰弹投放过程中大大减少了人为因素导致的试验条件不一致现象,成功解决了人工投放干扰弹带来的误差,充分验证了导弹的抗干扰性能指标。未来该系统还可以运用在箔条干扰弹等其他类型的导弹抗干扰试验中。