彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)綜合指控系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)研究

張宇　楊華　王肖晨

摘要：文章針對(duì)導(dǎo)彈指控系統(tǒng)與高炮的火控系統(tǒng)綜合集成化設(shè)計(jì)，研究以數(shù)據(jù)總線為核心，利用計(jì)算機(jī)解算和控制、數(shù)字通信和CAN總線等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)車(chē)探測(cè)跟蹤、射擊指揮、作戰(zhàn)管理、通信等綜合控制。戰(zhàn)車(chē)在綜合指控系統(tǒng)的指揮協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)低空、近距離目標(biāo)的快速反應(yīng)和多次攔截，發(fā)揮火力強(qiáng)、毀傷概率高的突出優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到最佳的近程防御系統(tǒng)作戰(zhàn)效果。

關(guān)鍵詞：彈炮結(jié)合；綜合指控系統(tǒng)；車(chē)載電子綜合化系統(tǒng)；CAN總線

中圖分類(lèi)號(hào)：TG484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）09-0008-03

彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)是將地空導(dǎo)彈和高炮結(jié)合構(gòu)成的低空近程防空武器系統(tǒng)，結(jié)合了地空導(dǎo)彈射擊精度高、單發(fā)殺傷概率大、射程較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)和高炮快速機(jī)動(dòng)、持續(xù)射擊、抗干擾能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是抗擊低空、超低空目標(biāo)的有效武器。

本文將地空導(dǎo)彈指控系統(tǒng)與高炮火控系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成化設(shè)計(jì)，得到射擊指揮、通信等功能和火控功能綜合為一體的綜合指控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)方案通過(guò)搭建戰(zhàn)車(chē)新型車(chē)載電子綜合化系統(tǒng)硬件平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱電子平臺(tái)），集中實(shí)現(xiàn)指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)功能。電子平臺(tái)以數(shù)據(jù)總線為核心，將各分系統(tǒng)按速率不同分層次地連接在總線上，實(shí)現(xiàn)綜合指控系統(tǒng)與發(fā)射平臺(tái)、跟蹤探測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、敵我詢問(wèn)、伺服系統(tǒng)、電站等設(shè)備計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交鏈、模塊化管理，完成戰(zhàn)車(chē)上各分系統(tǒng)維護(hù)監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸、計(jì)算和顯示，從而實(shí)現(xiàn)彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)的射擊指揮、火力控制、作戰(zhàn)管理、效能評(píng)估以及日常維護(hù)和訓(xùn)練。

1 彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)典型組成

彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)通常為自行輪式或履帶式車(chē)輛，主要由導(dǎo)彈分系統(tǒng)、高炮分系統(tǒng)、跟蹤探測(cè)分系統(tǒng)、導(dǎo)彈指控系統(tǒng)、高炮火控系統(tǒng)、戰(zhàn)車(chē)轉(zhuǎn)塔、底盤(pán)、空調(diào)系統(tǒng)及語(yǔ)音系統(tǒng)等組成。在指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)的共同控制下，一輛戰(zhàn)車(chē)就能夠完成目標(biāo)搜索、威脅判斷、敵我識(shí)別、導(dǎo)彈射擊、截獲、制導(dǎo)，直至目標(biāo)離戰(zhàn)車(chē)較近時(shí)的高炮攻擊等功能。

2 指控系統(tǒng)綜合集成設(shè)計(jì)可行性分析

2.1 功能分析

彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)需完成目標(biāo)的跟蹤探測(cè)、導(dǎo)彈和高炮的發(fā)射控制，其自動(dòng)化程度要求高，但戰(zhàn)車(chē)操作艙內(nèi)部空間極為有限，不可能完整地將導(dǎo)彈指控系統(tǒng)和高炮火控系統(tǒng)進(jìn)行各自硬件設(shè)備的配置和設(shè)計(jì)。再者，從指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)在戰(zhàn)術(shù)性和實(shí)時(shí)性的要求來(lái)說(shuō)，它們的部分功能是相重合的。指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)都基于高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成各分系統(tǒng)模型參數(shù)解算和控制，實(shí)現(xiàn)單一火力單元的控制，為此利用性能更高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成搭建新的電子平臺(tái)，以綜合實(shí)現(xiàn)指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)的功能是可行，也是必須的。

2.2 方案選擇

伴隨著導(dǎo)彈指控系統(tǒng)、高炮火控系統(tǒng)同時(shí)在戰(zhàn)車(chē)上出現(xiàn)的還有車(chē)載電子系統(tǒng)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、總線技術(shù)的發(fā)展，集成化、智能化的電子平臺(tái)勢(shì)必會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)的車(chē)載電子系統(tǒng)。電子平臺(tái)除了具備數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸功能外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，它所提供的最大優(yōu)勢(shì)是，可實(shí)現(xiàn)信息共享，并在信息共享的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)功能的綜合，能在有限的空間內(nèi)增加電子系統(tǒng)的容量。

2.2.1 傳統(tǒng)的車(chē)載電子系統(tǒng)具有以下的缺點(diǎn)：采用功能與設(shè)備一對(duì)一堆積的設(shè)計(jì)方法，這導(dǎo)致戰(zhàn)車(chē)操作艙內(nèi)需容納更多的電子設(shè)備；標(biāo)準(zhǔn)性和兼容性差，更新?lián)Q代周期加長(zhǎng)；車(chē)內(nèi)電子電氣線纜布線繁雜，電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重，車(chē)內(nèi)空間更為擁擠，可靠性、可維修性低；操作員操作負(fù)擔(dān)過(guò)重，以致影響戰(zhàn)技性能發(fā)揮。

2.2.2 電子平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用綜合信息化技術(shù)；改觀傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的面貌，能夠提高作戰(zhàn)車(chē)輛整體的系統(tǒng)性能、可靠性；采用串行數(shù)據(jù)總線傳輸方式，減少體積和重量，便于維護(hù)，便于更換系統(tǒng)及功能的擴(kuò)展；通過(guò)定義信息格式和電氣接口特性來(lái)貫徹多路傳輸，實(shí)現(xiàn)綜合的設(shè)計(jì)思路，采用相應(yīng)的硬件和軟件來(lái)完成功能的執(zhí)行，有利于各子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與更新升級(jí)。

綜合指控系統(tǒng)，以指控計(jì)算機(jī)為中心，從數(shù)據(jù)總線上對(duì)全戰(zhàn)車(chē)相關(guān)信息進(jìn)行調(diào)用，按信息共享、功能綜合的原則，將各分系統(tǒng)在戰(zhàn)車(chē)內(nèi)進(jìn)行組建和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全戰(zhàn)車(chē)協(xié)調(diào)控制，共同實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈、高炮的統(tǒng)一作戰(zhàn)指揮。

3 電子平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3.1 CAN總線技術(shù)

目前車(chē)輛上的電子部件越來(lái)越多，數(shù)據(jù)交換量極為龐大，如仍然采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，即用導(dǎo)線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的傳輸方式將是難以想象的，因此，采用多路串行數(shù)據(jù)總線傳輸系統(tǒng)取而代之就成為必然的選擇。

CAN總線是一種通信速率高、可靠性高、支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，適用于車(chē)輛計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境惡劣、電磁輻射強(qiáng)的環(huán)境。CAN總線的主要特點(diǎn)：通信速率距離為5kbps/10km～1Mbps/40m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)傳輸，通信介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或光纖；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳送時(shí)間短、受干擾概率低，有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力；非破壞性總線競(jìng)爭(zhēng)裁決技術(shù)保證當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)上發(fā)送信息時(shí)優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)高的信息傳遞實(shí)時(shí)性；當(dāng)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)，能自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，避免對(duì)系統(tǒng)工作造成影響。數(shù)據(jù)傳送方式包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)全局廣播方式和多主方式；有較完善的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低，保證了通信可靠性。

3.2 電子平臺(tái)

3.2.1 電子平臺(tái)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)已經(jīng)數(shù)字化，各分系統(tǒng)都有信息處理能力，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將各分系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成分布交互式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于彈炮結(jié)合戰(zhàn)車(chē)防空作戰(zhàn)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)總線也必須是實(shí)時(shí)總線。本設(shè)計(jì)方案就是以CAN總線為核心的電子平臺(tái)，將戰(zhàn)車(chē)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、跟蹤探測(cè)系統(tǒng)、戰(zhàn)車(chē)顯控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射裝置、高炮發(fā)射裝置、敵我詢問(wèn)機(jī)、車(chē)體姿態(tài)裝置等信息有機(jī)聯(lián)系在一起，利用高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信和總線等技術(shù)所建立的綜合指控系統(tǒng)，綜合實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)車(chē)探測(cè)跟蹤，導(dǎo)彈和高炮射擊指揮一體化控制，輔助完成作戰(zhàn)管理、通信等綜合控制。

電子平臺(tái)通過(guò)CAN總線將其他直接或間接與綜合指控系統(tǒng)有信息交互的分系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)。指令發(fā)出去之后，必須保證在一定的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，否則，就有可能發(fā)生重大事故，這就要求CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置。

此外，戰(zhàn)車(chē)在實(shí)際作戰(zhàn)或訓(xùn)練過(guò)程中，各分系統(tǒng)之間即網(wǎng)絡(luò)上的眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)交互。若各分系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)都連接在同一個(gè)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點(diǎn)通過(guò)一條CAN總線進(jìn)行通信，在信息管理配置上稍有不當(dāng)，很容易發(fā)生總線負(fù)荷過(guò)大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降的情況。這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的，因此在對(duì)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性分析之后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了高速、中速和低速三個(gè)速率不同的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求最高的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將剩下的實(shí)時(shí)性要求最低的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)。在高速、中速和低速三個(gè)速率不同的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)控制器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)指控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。電子平臺(tái)上連接的各分系統(tǒng)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，戰(zhàn)車(chē)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、戰(zhàn)車(chē)顯控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練裝置共同構(gòu)成了綜合指控系統(tǒng)，為全車(chē)的中心，它需完成射擊指揮解算、作戰(zhàn)管理、模擬訓(xùn)練、通信等綜合控制，而目標(biāo)搜索雷達(dá)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)、光學(xué)設(shè)備需要完成目標(biāo)和導(dǎo)彈的探測(cè)跟蹤、制導(dǎo)控制，車(chē)體姿態(tài)裝置需實(shí)時(shí)提供車(chē)體的三姿態(tài)信息，它們?cè)谖淦飨到y(tǒng)中實(shí)時(shí)性均要求最高，因此將它們組成高速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為1Mbps。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔裝置、導(dǎo)彈發(fā)射俯仰、高炮發(fā)射俯仰、敵我詢問(wèn)機(jī)相比較來(lái)說(shuō)實(shí)時(shí)性要求次之，因此將這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為512kbps。

語(yǔ)音系統(tǒng)、供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相對(duì)來(lái)說(shuō)最低，因此將這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為256kbps。

高速和中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間、中速和低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間分別由網(wǎng)關(guān)控制器連接，網(wǎng)關(guān)控制器通過(guò)對(duì)CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息的智能化處理，可以確保只有某類(lèi)特定信息才能在網(wǎng)絡(luò)間傳輸。各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身需要，在特定通信協(xié)議下進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，完成與其他節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。

3.2.2 總線通信軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案中的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)高速、中速和低速三條CAN總線上的數(shù)據(jù)交互，不存在對(duì)數(shù)據(jù)作任何改動(dòng)或診斷，實(shí)現(xiàn)全透明傳輸。電子平臺(tái)工作時(shí)，連接在CAN總線上的分系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)向CAN總線發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而需要處理數(shù)據(jù)的分系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)接收CAN總線數(shù)據(jù)，然后再作處理或診斷?？偩€通信軟件的總體架構(gòu)采用中斷結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀采用8位標(biāo)準(zhǔn)幀格式。CAN總線上的網(wǎng)關(guān)控制器的軟件工作流程圖如圖2所示。

3.3 冗余設(shè)計(jì)

3.3.1 中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。綜合指控系統(tǒng)是將導(dǎo)彈和高炮的射擊指揮、作戰(zhàn)管理、通信控制等集中在一臺(tái)中心計(jì)算機(jī)或一組中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及直屬設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)利用率高，缺點(diǎn)是由于計(jì)算機(jī)處理的信息過(guò)大或者計(jì)算機(jī)過(guò)熱等因素導(dǎo)致計(jì)算機(jī)故障甚至癱瘓，此時(shí)武器系統(tǒng)會(huì)喪失大部或全部功能。為了避免這樣的情況發(fā)生，可以在高速CAN總線上連接一組戰(zhàn)車(chē)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的備份計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這樣綜合指控系統(tǒng)運(yùn)行的功能不只局限于一組中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而是多組中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有系統(tǒng)控制功能。當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)控制任務(wù)的戰(zhàn)車(chē)一組中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，可以賦予戰(zhàn)車(chē)中心計(jì)算機(jī)備份計(jì)算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)控制任務(wù)。

3.3.2 總線冗余設(shè)計(jì)。為了保證武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)可靠性，電子平臺(tái)的CAN總線系統(tǒng)可采用雙冗余系統(tǒng)通信總線?；贑AN總線的雙冗余通信總線的基本設(shè)計(jì)思想是在各節(jié)點(diǎn)之間布下兩條基于CAN通信總線，即將各節(jié)點(diǎn)分別連接在CAN1總線和CAN2總線上。正常情況下優(yōu)先在CAN1總線上通信，當(dāng)CAN1總線出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)CAN2總線進(jìn)行通信并重新初始化出錯(cuò)的CAN1總線以備將來(lái)再用，這樣CAN1總線和CAN2總線之間即形成了冗余備份。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合指控系統(tǒng)通過(guò)分層次的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，完成戰(zhàn)車(chē)上相關(guān)各分系統(tǒng)的集中控制，是真正實(shí)現(xiàn)有別于傳統(tǒng)指控系統(tǒng)，并具備高炮火控系統(tǒng)功能的綜合指控系統(tǒng)。由于CAN總線具備良好的擴(kuò)展性，還能擴(kuò)展接入駕駛艙電子系統(tǒng)、底盤(pán)電子系統(tǒng)、故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)化控制。同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，CAN總線性能優(yōu)良，特別適合在強(qiáng)電磁環(huán)境下使用，完全滿足彈炮一體化戰(zhàn)車(chē)因高度集成所造成的復(fù)雜強(qiáng)電磁環(huán)境使用要求。

根據(jù)作戰(zhàn)需求，性能更加優(yōu)良、復(fù)雜程度更高的彈炮一體化武器研制必將成為以后的發(fā)展趨勢(shì)，這樣各分系統(tǒng)之間交互的信息量更加巨大、實(shí)時(shí)性要求更高，尤其目標(biāo)搜索雷達(dá)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)、光學(xué)設(shè)備等傳感器需要傳輸?shù)母咚俅笕萘繑?shù)據(jù)信息，若CAN總線傳輸數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)率暫時(shí)無(wú)法滿足傳輸要求的情況下，可采取將目標(biāo)傳感器通過(guò)千兆光纖直接連接戰(zhàn)車(chē)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再通過(guò)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其他分系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

參考文獻(xiàn)

[1]馬春茂，陳熙，侯凱，劉騰誼.彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)

總體設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2]姚竹亭，吳立新，潘宏俠，劉燕軍，張雄.基于CAN

總線的車(chē)輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制，

2009，34（6）：138-139.

[3]龍曉航.艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)——全分布式和多

功能控制臺(tái)[J].船舶科學(xué)技術(shù)，1996，12（4）：7-8.

作者簡(jiǎn)介：張宇（1983—），男，貴州六盤(pán)水人，江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所助理工程師，研究方向：指揮控制系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）