兩棲裝備入艦引導裝備再制造升級技術途徑

吳鋒1,2, 張平1， 王謙2, 丁晟2

1.裝甲兵工程學院材料工程系 2.中國人民解放軍73021部隊

兩棲裝備入艦引導裝備再制造升級技術途徑

吳鋒1,2, 張平1， 王謙2, 丁晟2

1.裝甲兵工程學院材料工程系 2.中國人民解放軍73021部隊

明確的軍事需求牽引和科學論證是成功升級改造原有裝備的前提，針對兩棲裝備上登陸艦面臨的自動化程度較低、無法全天候實施的問題，為提高惡劣海況和黑夜中的登艦作業能力，依托裝備再制造升級技術手段，本文將原裝備升級為兩棲裝備入艦引導體系裝備，通過水下探測器接收到登陸艦發射的超聲定位脈沖信號，獲得當前車輛的實際位置，為駕駛員提供引導路線等信息，提高該裝備的登艦準確度和效率，同時利用航行避碰設備，規避航行路線中的水下障礙物，甚至能在惡劣海況天候下實現盲視駕駛。在此基礎上，完成車載信號模塊的硬件設計，并對三路寬帶脈沖信號進行仿真，驗證了導航算法的原理可行性。最后通過海上實裝實驗，進一步驗證了系統的可行性和穩定性。

再制造升級 兩棲裝備 登陸艦 引導系統

渡海作戰不可避免地涉及到兩棲作戰裝備的輸送問題。目前兩棲裝備的主要裝載方式是通過登陸艦在海上裝載。在渡海作用的搶灘登陸前，必須由登陸艦將裝備運送到敵方陣地前沿淺海海域，然后讓裝備下水，遂行登陸作戰任務。為了提高部隊的機動性能和行動的隱蔽性，兩棲裝備的登艦常常需要在夜間進行，并不可避免地伴有風浪和洋流的影響。因此，兩棲裝備的登艦過程是一項技術難度和危險性很大的工作。

作為海上裝載最重要環節的登艦過程，目前基本上是靠車長指揮駕駛員通過目視判斷裝甲裝備與登陸艦間的距離與相互位置進行登艦的，不僅自動化程度較低，而且由于夜間照明不良和人眼觀察視野受限造成操作不當，極易發生裝甲裝備與登陸艦相撞或碰撞的危險。因此亟需一種可在惡劣海況條件下，實現裝甲裝備安全、可靠、高效的登艦導航技術和設備，提高部隊渡海作戰能力和反應速度。

為解決兩棲裝備登艦過程中存在的諸多問題，本文以兩棲裝備和裝載登陸艦作為對象，綜合運用裝備再制造升級工程技術[1]，升級原“兩棲裝備-登陸艦”構成的登艦體系，增加裝備入艦導航模塊，增強登艦體系裝備的整體性能。具體而言，就是以部隊急需解決的兩棲裝備入艦導航關鍵技術及導航系統為研究對象，運用適用于兩棲裝備登艦導航的裝備再制造升級工程技術，進行系統、深入的研究，采用可靠、成熟和切合實際的工程設計和技術手段，實現兩棲裝備登艦過程的自動化導引。升級后的體系裝備可以直接用于陸軍兩棲機械化部隊、海軍陸戰隊相關裝備的登艦導航，并在以下幾方面解決目前渡海作戰存在的問題，并具有較大的軍事意義和應用價值：

1.通過升級改造，及時將新技術、新系統、新設備應用到登艦體系裝備中去，在相對較短時間內以較低的成本，實現裝備性能的突破式發展[2,3]，進一步提高兩棲作戰能力。

2.提高部隊在惡劣海況條件下兩棲裝備的登艦能力，解決以往惡劣海況無法登艦的問題。

3.解決實戰化訓練和作戰的夜間登艦問題，使兩棲裝甲裝備的登艦從現行的白天擴展到全天候登艦，適應現代實戰化訓練和作戰的需求。

4.縮短常規戰前預備時間，提高了部隊的快速反應能力。

一、登艦體系裝備的再制造升級

裝備再制造升級作為裝備改造的重要方式，是以原裝備為對象，綜合運用結構改造和功能嵌入等先進技術手段[1]，實現原裝備的功能提升或質量升級。

（一）裝備再制造的意義

裝備再制造升級被認為是裝備改造的一種高級形式，具有更高的質量要求和裝備使用效益，兩者具有一定的相似性，但又存在一定區別：操作方法上，裝備改造一般只對裝備的局部進行模塊增加或改造，不涉及其它部分，再制造升級則需要對原裝備的性能進行增強，并根據需要增加功能模塊；質量要求上，裝備改造通過加改裝增加裝備的功能，而改造后裝備主體的壽命并沒有改變，而裝備再制造升級是一種對裝備全面的質量性能恢復和升級，屬于裝備的重新使用[2]。

由此可見，裝備再制造升級作為裝備改造的高級形式，具有更高的質量要求和更高的使用效益。原有裝備的再制造升級過程中，運用先進的表面工程、電子信息、環境資源等新技術、新材料、新工藝，通過高質量的工藝控制和模塊替換、結構改造、性能優化等手段，可以實現原有裝備在戰技性能上的全面提升，以滿足更高的作戰需求[2]。

（二）技術路線

裝備再制造升級的對象是具有固定結構的裝備，對其升級加工相對新裝備研制來說具有更大的約束度，所以對技術要求更高。通常裝備再制造升級所采用的方式主要有以下三類：

1.以采用最新功能模塊替換舊模塊為特點的替換法。主要是直接用最新裝備上安裝的信息化功能新模塊替換廢舊裝備中的舊模塊，用于提高再制造后裝備的信息化功能，滿足當前對裝備的信息化功能要求。

2.以局部結構改造或增加新模塊為特點的改造法。主要用于增加裝備新的信息化功能以滿足功能要求。

3.以重新設計為特點的重構法。主要是以最新裝備的多種功能化要求和特點出發，重新設計出再制造后裝備結構及性能標準，綜合優化裝備再制造升級方案，使得再制造后裝備性能接近或超過當前新裝備性能[3]。

通過對兩棲裝備入艦引導的需求分析，以及海上裝備入艦自然環境的限制，提出一種基于裝備再制造升級的裝備入艦引導系統方案，通過在原有登艦體系裝備上分別增加功能模塊，能夠用于兩棲裝備入艦導航。登艦體系裝備在確定再制造升級方案后，按照圖1所示步驟執行裝備再制造升級任務。

首先需要進行原有裝備的工況和存在問題進行分析，明確升級后裝備需求信息和性能要求，對再制造升級可行性進行評估。對再制造升級的裝備進行工藝方案設計，確定具體升級方案，明確需要增加的功能模塊。依據升級方案，采用相關技術進行裝備的再制造升級加工，并對裝備進行加改裝。對升級后的再制造裝備進行性能和功能的綜合檢測，保證裝備質量。

二、系統方案論證

（一）工作原理分析

兩棲裝備入艦的作業場呈扇形分布，裝備引導范圍以登陸艦的入口為原點，最大覆蓋角度為左右各60度（共120度），最遠直線距離200米，裝備編隊登艦距離間隔大于50米。經過實際測算，實際引導精度的距離誤差不大于10cm，對中誤差不大于10cm，否則容易出現裝備與登陸艦、編隊裝備之間的碰撞。兩棲裝備入艦作業場示意圖如圖2所示。

圖2 兩棲裝備入艦作業場示意圖

根據作業場要求，裝備發生碰撞受損，很大程度取決于裝備行駛距離和行駛方向。假設能使用某種標的信號使裝備始終沿既定的路線行駛，發生偏轉后系統能引導裝備調整前進方向，通過不斷修正路線，形成行駛→調整→行駛的閉環控制機制。因此，導引系統的關鍵部件應具有測距和糾偏功能。下面結合兩棲裝備入艦時行駛路線的兩種情況分析所設計系統的基本工作原理。

1.裝備正常行駛時。如圖3所示，根據裝備行駛速度、相對于艦門的距離和對中偏角，首先進行測距，然后選擇一種調制信號作為系統的基站信標，用不同的發射頻率進行同步發射，按照三點定位原理，將三個超聲波信號發生器均勻安裝在登陸艦跳板端面上，周期性地發出三路獨立的聲脈沖信號；在接收端分別采用三個超聲波信號接收器進行區分，獲得基站的信號，經過信號處理模塊計算出裝備當前的位置，然后引導裝備按既定路線行駛[4]。

圖3 裝備正常行駛時位置判定示意圖

2.裝備非正常行駛時。如圖4所示，超聲波信號接收器同時接收三路超聲脈沖信號，并由此獲得偏離預定路線的裝備位置，通過計算得到裝甲裝備相對于艦門中心線的對中偏角，實時顯示偏角數值，并繪制遠距離航跡圖，引導裝備沿著艦門中心線航行。當裝備距離小于某個閾值時，系統計算并顯示出對中偏角和距離，在車載終端上重新規劃路線，為駕駛員提供正確引導，實現盲視駕駛[4]。

圖4 裝備非正常行駛時位置判定示意圖

（二）主要技術指標

綜合考慮我軍渡海作戰及實戰訓練的需求、兩棲裝甲裝備及登陸艦的性能和特點、各種復雜海況下登艦導航的要求，以及當前我國超聲波檢測技術的發展水平，本文對所研究的兩棲裝備入艦引導系統提出如下主要技術指標：

（1）登艦作業有效范圍：200米；

（2）裝備編隊登艦距離間隔：大于50米；

（3）登艦作業場（中心輻射角度）：不小于120度；

（4）導航精度：10cm；

（5）超聲波發射器工作頻率：20KHz、30KHz；

（6）超聲波發射器電壓發送響應[5]：大于等于132dB；

（7）超聲波發射器的水平指向性[5]：120°，垂直指向性：48°；

（8）發射基元和接收基元可水下安裝。（三）工作流程

如圖5所示，兩棲裝備入艦引導系統工作流程分為以下4個過程：

圖5 硬件系統工作流程圖

（1）信號發射。引導系統啟動后，安裝在登陸艦跳板端面上的三個發射換能器陣，周期性地發出三路獨立的聲脈沖信號。

（2）信號接收，解算裝備運動參數。安裝在裝備前滑板上的收發合置換能器同時接收三路聲脈沖信號，計算出裝備相對于艦門中心線的對中偏角，實時顯示偏角，并繪制遠距離航跡圖，引導裝備沿艦門中心線航行。

（3）遠距離導航，障礙物探測。當裝備距離登陸艦大于50m時，駕駛員根據行駛軌跡和當前的偏角、距離等信息，實時引導裝備行駛。車載高頻發射換能器向正前方發射一個聲脈沖，如果前方有障礙物，將產生回波信號，水聽器接收到回波后，通過分析水聽器輸出信號，得到回波的能量大小、到達時刻等特征，系統估算障礙物與裝備的距離，并定量反映障礙物體積的大小，在屏幕上高分辨掃描顯示。

（4）精確登艦。當裝備與登陸艦距離小于10m，偏角小于5°時，駕駛員通過系統，可將登艦偏角控制在1°以內，同時觀察掃描圖、收聽語音提示，了解前進線路上的障礙物情況，通過調整車體行駛角度和速度，避開障礙物，實現精確登艦。

根據系統功能描述，引導系統的硬件部分可分為艦載和車載部分，艦載部分設備包括信號發生器、功率放大器和三個寬帶發射換能器陣，其中發射換能器陣均勻安裝在登陸艦跳板的端面上，車載部分設備包括一個收發合置換能器陣、一個接收水聽器、2路模擬信號調理器、2路高速A/D采集、一臺便攜式工控機和一面高亮度顯示屏，其中收發合置換能器陣安裝在裝備滑板的下部，一個接收水聽器安裝在底盤下方[6,7]。

三、升級方案設計

（一）硬件方案設計

如圖6所示，入艦引導系統硬件主要由艦載部分和車載部分組成。其中艦載部分主要由射頻信號發生器、超聲信號源及調制器、高頻功放、超聲信號發射機、和艦載電源等組成，其功能是超聲信號的發生；車載部分主要由導引超聲波接收器、避障超聲波發射器、避障超聲波接收器（水聽器）、信號調理器、A/D采集模塊、顯控裝置和車載電源等組成，其功能是導航超聲信號的接收與解調、避障超聲信號的接收與解調等。

各部分設備的功能為：

（1）信號發生及調制。該系統發出的超聲信號與一般的測距系統不同。根據系統精度和響應速度的要求，選擇一種調制的脈沖超聲波作為本系統的基站信標。由于系統有兩個基站，所以分A，B兩套信號標識系統，用不同的發射頻率進行同步發射，在接收機端分別用水聽器和接收器進行區分，獲得兩個基站的信號[8]。

（2）射頻同步信號發射器和接收器。射頻同步信號發射器有兩個作用：控制兩路信標發生器在同一時間同步發射超聲波脈沖；啟動接收電路計數器開始接收，并與隨后接收到的超聲波脈沖信號形成脈沖寬度與裝備與登陸艦之間的距離成正比的脈沖測距信號。該部分可分為一個發射模塊和三個接收模塊[5]。

（3）發射機。根據超聲頻率和換能器的不同以及作業范圍的大小，選擇設計高性能的超聲波信號發射機。本系統的發射機功率選擇400W左右，圖7（1）為所設計的三路發射功率放大模塊實物圖。

圖7（1） 入艦引導系統硬件結構原理圖

（4）超聲發射器。超聲發射器即超聲波換能器，通常有磁致伸縮換能器和壓電晶體換能器兩類。磁致伸縮超聲波換能器有鎳片換能器和鐵氧體換能器兩種[4]。本系統擬采用的長距離超聲測距傳感器屬于壓電晶體，考慮到超聲測距傳感器的性能、安裝尺寸和現場測試等問題，擬選擇換能器的工作頻率范圍為10～30KHz，同時增大換能器的輸出能量，以保證在長作用距離（約200米）內穩定、可靠工作。

（5）水聽器。即水聲接收器，可采用增壓型水聽器桿來實現。由于該水聽器的一階諧振頻率較高，特別適用于作為小信號的寬帶發射換能器或作為寬帶接收傳感器使用。圖7（2）為由桿狀水聽器所組成的接收模塊。

圖7（2） 由桿狀水聽器所組成的接收模塊

（6）接收機和信號預處理單元。包括前置低噪聲放大電路、濾波電路和信號整形電路。其結構如圖8所示：

圖8 接收機和信號預處理單元主要結構圖

（二） 軟件方案設計

主體軟件設計構架見圖9：

圖9 主體軟件結構圖

其中主程序通過調用以下幾子程序完成所有功能：

（1）定位測距程序：實現超聲波信號偏差量計算、距離測量的計算、車速計算。

（2）顯示界面程序：主要包含參數設置界面刷新程序和工作顯示界面刷新程序。

（3）按鍵處理程序：包括按鍵掃描程序、按鍵去抖程序和按鍵功能跳轉程序。

（4）系統自檢程序：系統開機自檢，主要檢查兩個信標接收通道是否正常工作、顯示屏是否正常、CAN總線是否正常以及連接的子節點是否正常。

（5）通訊控制程序：包括CAN總線的主控制器配置程序，收、發握手程序，和數據傳送程序。

（6）系統初始化程序：包括CPU時鐘初始化程序，I/O交叉開關初始化程序，看門狗初始化程序，定時器初始化程序，中斷系統初始化程序和顯示初始化程序等。

（三）程序模塊轉換設計

主程序內部的各子模塊運行，內部有一個大循環體，用一個定時器作為時間片的分配管理，定時某個周期后產生中斷，運行顯示刷新程序和鍵盤掃描程序；顯示刷新程序從測量寄存器里取數，送顯示，刷新工作界面，從設置寄存器取數，刷新設置界面。鍵盤掃描程序檢測到有鍵按下后，調用鍵處理程序修改設置參數寄存器。同時，外部中斷產生觸發，脈沖長度計數器停止計數，通過定位測距程序計算出結果，更新測量寄存器。

（四）導航功能設計

兩棲裝備登艦導航系統的核心是實時估計裝備的對中偏角和距離，作數字處理信號時，先截取PCW信號，估計出裝備運動引起的多普勒頻移，并對多普勒頻移作補償，計算多組拷貝信號，然后對采樣后的基帶信號作匹配濾波，計算三路寬帶脈沖信號到達車載接收換能器的時刻點[8]，再計算它們的時延，最后利用球面波傳播模型計算出裝甲裝備對中偏角和距離，信號處理的流程見圖11。

四、實驗與結論

本次實驗是在實裝發射平臺（登陸艦）和接收平臺（兩棲裝備）上進行，實驗海域水深約7.2m。實驗的目的主要有：驗證系統的可靠性、穩定性和精度；分析接收信號的質量，例如輸入信噪比、信號幅度起伏、多路徑現象等。

目標的距離估計精度受制于發射基陣物理孔徑的大小，這是由于目標距離越遠，聲信號的球面波傳播模型越來越接近平面波模型，對中偏角的估計精度降低很少，但距離估計誤差越來越大。為此作了一個計算機仿真，設發射陣孔徑為8米（即陣元間距為4米），接收端在正橫方向（即0o方向），目標的距離由遠及近逐漸改變，利用球面波模型模擬出不同距離下的聲信號，再迭加各向同性、空間均勻的海洋環境噪聲，對此模擬信號作信號處理，估計出目標的距離，多次作模擬，結果見圖12，其中橫坐標表示設定的距離，縱坐標表示信號處理的估計結果。從該圖12看出，隨著目標距離的增大，估計出的距離越來越發散，即距離估計誤差在增大。這些仿真并沒有考慮多路徑傳播、多普勒頻移、發射換能器的安裝位置誤差等因素，實際的距離估計誤差大于仿真值。

圖11 導航系統的信號處理流程

圖12. 不同模擬距離下的估計結果

實際發射換能器陣的基陣孔徑約5.3m，遠處目標的距離估計誤差非常大，根據海洋原理驗證實驗的處理結果和實際登艦導航的需求，初步選擇50m作為一個門限，連續多批估計距離小于此值時，就認為裝備已經前進至50m內，此時將繪制出距離-方向歷程圖，即裝備的近距離航跡圖，由于距離估計誤差較小，航跡圖比較連續，便于引導駕駛員登艦，否則，僅繪制方向歷程圖。

三路寬帶脈沖信號傳播時，所經過的海洋信道接近，它們的多路徑傳播特征很相似，圖13表示復雜環境下的一組多路徑結構圖，各個脈沖信號的多路徑特征有很多相似性，通過作譜相關處理就可以準確估計出通道間的時延，從而準確估計出距離和方向。

圖13. 三路脈沖信號的多路徑特征

為了補償目標相對運動引起的多普勒頻移，先根據PCW信號粗算多普勒頻移，再以此多普勒頻移作為中心頻率，劃分一個可能的頻移區間，根據寬帶信號的多普勒容限，生成覆蓋該頻移范圍的多個拷貝信號，分別與接收的寬帶導航信號作匹配濾波，如圖14所示，匹配濾波后的相關峰越高，說明多普勒補償越好，最后選擇相關峰最高的相關譜作后續處理。

圖14 多普勒補償的處理框圖

圖15. 某時刻水下障礙物相對距離和回波強度掃描結果

如圖15所示，水下避障探測結果顯示共分為兩部分。左側部分顯示當前時刻，裝備前方水下障礙物的距離及回波強度，右側部分顯示先前一段時間內裝備的掃描結果。左右部分橫坐標不同，縱坐標相同。左側部分橫坐標表示障礙物回波強度，幅度越大，障礙物回波強度越大，掃描結果的更新周期為0.5s；右側部分橫坐標表示航行時間，長度為120秒。左、右側縱坐標表示障礙物相對于裝備的距離，顯示范圍從0米到120米，誤差精度0.3米。右側圖形部分以灰度表示障礙物回波的強度，灰度等級為0～255，其中白色（255）表示回波最強，黑色（0）最弱，歷程圖的更新周期也為0.5s。

在發射換能器5.3m的安裝孔徑下，當裝備距離小于50m時，距離估計方差較小，能夠繪制出穩定的航跡圖。因此，系統將此值作為門限值，當距離大于此門限值時，繪制遠距離航跡，即對中偏角的歷程圖（如圖16所示）；小于此門限值時，繪制近距離航跡圖，也就是方向-距離歷程圖（如圖17所示）。

圖16. 距離大于50m時的海上導航結果

圖17. 距離小于50m時的海上導航結果

通過本次實驗，得到如下結論：系統的硬件能正常工作，裝備導航的精度能夠滿足技術要求；水聽器輸出信號的信噪比較高，接收信號幅度有一些起伏現象，多路徑現象一直存在，但并不影響系統的導航精度，接收信號的質量比較高。

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