一種通用的便攜式防空導彈瞄準訓練裝備

文/蔡錦華 祝義榮 張戊

1 引言

便攜式防空導彈具備機動靈活、制導精確、發射后不管、操作簡便、效費比高等許多方面的優點，受到各國軍方的廣泛重視。由于便攜式防空導彈結構復雜，造價昂貴，實戰演練將耗費大量資金和軍用物資且安全性差，而基于虛擬現實和仿真技術研制的訓練模擬器通過建立虛擬戰場環境來輔助訓練，可以大大降低訓練費用、縮短訓練周期、調高訓練質量，防止環境污染。

我軍已研制了一批便攜式防空導彈武器系統模擬訓練裝置，能夠促進受訓人員快速熟悉裝備、有效提高發射技能，一定程度上滿足了部隊在不動用實裝的情況下進行發射訓練的需要。但隨著我軍便攜式防空導彈裝備的發展和仿真技術的提高，現有訓練裝備在適用范圍、技術水平、訓練手段上與我軍便攜式防空導彈裝備種類數量的不斷擴大還不相適應：技術上，同類訓練裝備通用性差、規范化低、水平良莠不齊；開發方式上，基本上停留在針對單一型號、單一任務的狀態。

針對當前我軍便攜式防空導彈模擬訓練系統發展現狀，本文提出了一種能夠適應不同訓練彈種、不同訓練場地、不同訓練模式的便攜式防空導彈通用模擬訓練系統，詳細介紹了通用模擬訓練系統的總體技術方案、工作原理和結構組成，研究了系統實現的關鍵技術，提出了本系統的設計思路。

2 系統總體技術方案

2.1 系統組成

通用的便攜式防空導彈瞄準訓練裝備主要由瞄準訓練控制臺、瞄準訓練單元（多種型號）和瞄準訓練裝置軟件組成，如圖1所示。

其中瞄準訓練控制臺主要是訓練的控制及評估中心，主要完成科目設置、訓練過程控制、訓練監控和訓練評估等功能；瞄準訓練單元用于替代實裝導彈完成對射手的瞄準訓練，主要完成射手操作信息采集、導彈姿態采集、導彈發射流程控制等功能。

2.2 訓練場景

瞄準訓練裝備支持在虛擬場景訓練、實景訓練和投影場景訓練等三種訓練場景進行訓練。

在虛擬場景下，訓練目標和戰場環境為安裝在瞄準訓練彈上的虛擬視景裝置通過視景軟件模擬產生，射手可通過對虛擬視景裝置產生的目標場景進行瞄準訓練。在實景訓練下，訓練目標為飛行靶機或信號彈，在訓練實施過程中，射手操作瞄準訓練彈對訓練目標進行瞄準訓練。在投影場景下，訓練目標和戰場環境為視景軟件模擬并通過投影儀投射在投影幕布上產生，射手對投影幕布上飛行目標進行瞄準訓練。以上場景瞄準訓練彈均可產生相應的聲光效果，監控評定軟件對訓練過程進行數據采集和評估。如圖2所示。

2.3 工作原理

瞄準訓練裝備訓練過程可分為訓練準備、訓練實施和訓練評估三個階段，主要流程如下：

訓練準備階段，組訓人員通過監控評定軟件制定訓練方案，選擇訓練模式、訓練課目、設置戰場環境和選取目標航路；訓練數據管理模塊做好參訓人員信息、裝備信息、目標航路等訓練數據的維護管理工作；瞄準訓練彈完成裝備展開、裝備上電、網絡聯通等操作，等待訓練開始。

訓練實施階段，監控評定軟件根據設定的戰場環境、目標航跡和類型、訓練模式生成訓練場景畫面；接收訓練數據，對數據進行記錄和處理，圖形化顯示訓練過程和效果；組訓人員通過訓練控制顯示模塊，控制訓練進程；射手根據目標運動情況進行射擊訓練，響應按鍵操作，完成訓練課目。

訓練評估階段，訓練效果評估模塊基于訓練過程數據對訓練進程進行自動評估，形成訓練成績，輸出評估報告，訓練數據管理模塊能夠進行訓練進程回放；通過數據分析對訓練過程數據和訓練成績進行圖形化分析，為部隊作戰和訓練提供數據支撐。

3 通用化設計

為了滿足通用化設計要求，瞄準訓練裝置分別從結構和軟件設計入手，采用“模塊化、通用化、標準化”設計思路，確保裝備能夠同時滿足多種型號的便攜式防空導彈訓練需求。

3.1 結構通用化設計

在結構設計方面，通過分析對比各型便攜式防空導彈的結構設計，將瞄準訓練單元劃分為通用部件和專用部件兩大類，如圖3所示。通用部件開發采用除滿足基本功能外還要求能夠通過合適的電氣接口和機械接口適配多種型號的專用部件，做到結構緊湊、環環相扣，可整體或單獨拆卸進行維修替換，方便設備組裝、檢測和維修的工作。

圖1：瞄準訓練裝備系統組成圖

圖2：系統支持的三種訓練場景

如圖4所示，結構內硬件設計采用分艙式串聯拼接設計方案，各艙緊密結合功能需求，通過靈活配置不同的硬件模塊，承擔不同訓練功能，實現硬件的功能復用。

3.2 軟件通用化設計

在軟件通用化設計方面，系統軟件和功能模塊采用參數配置和動態加載方式，實現所需功能和應用模式的動態調整，滿足組訓人員針對不同彈種的訓練需求；采用界面功能分離的設計理念，減小界面功能的耦合度，利用插件化設計思路，增加界面靈活定制和流程定制。

瞄準訓練裝置軟件主要由監控評定軟件、瞄準訓練彈軟件和場景模擬器軟件組成，如圖5所示。從中可以看出，除毀傷計算模塊、訓練評估模塊和操作采集模塊由于各型彈業務差異導致不能通用外，均可以通用。

4 系統關鍵技術

構建通用的便攜式防空導彈瞄準訓練裝置，其涉及的主要關鍵技術和研究內容包括以下幾種關鍵技術。

4.1 系統總體集成技術

本系統由于需要滿足多型便攜式防空導彈的訓練需求，使得訓練裝備結構內部較為復雜，包含大量光學、傳感、陀螺以及VR眼鏡等精密儀器設備，因此成熟的總體集成技術，是確保工程質量和裝備戰斗力的重中之重，涉及諸如陀螺同步、目標跟蹤與識別、數據采集與轉換、無線通信組網等多種技術。

4.2 目標檢測跟蹤技術

瞄準訓練裝備室內投影訓練和室外瞄準訓練的作戰目標均具有距離遠近不定、姿態不定和飛行背景不定等特點，因此一種具有良好精確性、實時性和魯棒性的跟蹤算法成為影響訓練效果和訓練成績的重要因素。

4.3 基于Unity3D的紅外場景仿真技術

便攜式防空導彈夜間作戰是其十分重要的一環，為了逼真還原部隊夜間訓練場景，滿足部隊實戰化要求，在虛擬場景訓練時，要求場景模擬器軟件能夠仿真模擬出與實際環境一致的紅外效果。因此基于Unity3D的紅外場景仿真技術成為系統的一項關鍵技術。

4.4 實時姿態測量技術

模擬訓練彈與目標的相對位置以及視線角速度是確定實際彈道相對理論彈道的偏差，產生初制導信號，修正比例導引指令的關鍵信息，模擬訓練彈位置及姿態測量的精度對訓練裝備目標跟蹤、截獲時機判斷、作戰效能評估、成績評定的準確性具有決定性的作用。

4.5 數據統計分析技術

通過對自動化采集的訓練過程數據和訓練主體數據，應用數據統計分析技術，能夠完成對裝備操作使用性能、射手快速反應能力、組織成績影響因素等多方面進行數據挖掘和分析，為組訓人員掌握產生訓練結果的原因、訓練數據之間的關系，受訓人員能力素質與訓練結果的關系提供有效的支撐，為訓練過程數據提供有效管理和挖掘，探索訓練規律，提高訓練效率。

5 結論

本訓練裝備按照裝備統型化思想，通過結構和軟件的通過化設計，以虛擬現實技術、目標識別與跟蹤技術和傳感器技術為基礎，通過競標參與的方式使軍民優勢相結合，獲得了較高的效費比，可實現提高部隊訓練質量、增加訓練頻率、降低訓練成本，滿足在不同訓練彈種、不同訓練場地、不同訓練模式下便攜式防空導彈訓練需求，促進射手作戰能力的生成。

圖3：結構通用設計

圖4：瞄準訓練裝置硬件分艙式設計

圖5：瞄準訓練裝置軟件組成圖