圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈火控系統(tǒng)設(shè)計

何亞娟

（中國航天四院第四十一研究所，西安 710025）

圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈火控系統(tǒng)設(shè)計

何亞娟

（中國航天四院第四十一研究所，西安 710025）

針對車載圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈武器打擊任務(wù)多樣、作戰(zhàn)使用靈活、多彈種、多人協(xié)同操作等特點(diǎn)，詳細(xì)描述了火控系統(tǒng)功能需求分析、系統(tǒng)構(gòu)型、工作原理、人機(jī)配合和信息交互等設(shè)計過程。由于系統(tǒng)任務(wù)的高效執(zhí)行取決于操作人員對綜合信息的準(zhǔn)確掌握和對設(shè)備的便利操控，重點(diǎn)說明了以人員操控為主導(dǎo)，設(shè)備智能化處理配合完成工作流程控制的設(shè)計思想。該設(shè)計方法已成功應(yīng)用于某型導(dǎo)彈武器火控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，經(jīng)試驗驗證，火控系統(tǒng)的功能、性能及操縱效果滿足要求，且滿足模塊化、信息化、智能化等通用要求。

圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈，車載，火控系統(tǒng)，人機(jī)配合

引言

圖像制導(dǎo)導(dǎo)彈作為精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的一個重要分支，近年來得到了極大的發(fā)展。以色列的“長釘”家族作為其中的優(yōu)秀代表，最大射程從800 m發(fā)展到25 km；戰(zhàn)斗模式從單一的“發(fā)射后不管”發(fā)展到“發(fā)射并全程操控”，能夠有效地實施遠(yuǎn)程精確打擊，是目前實施外科手術(shù)式打擊、無間接損傷的最先進(jìn)武器之一。設(shè)計了新型戰(zhàn)斗部，用于將反坦克導(dǎo)彈武器轉(zhuǎn)變成“突擊”或“多任務(wù)”武器［1］，已發(fā)展為典型的多用途導(dǎo)彈。平臺多用途化和載彈量有限的矛盾催生導(dǎo)彈多用途化的需求［2］。多用途既可以指同一型號通用于不同發(fā)射平臺，也可以指通用于在不同戰(zhàn)場環(huán)境、對不同目標(biāo)的攻擊。多用途導(dǎo)彈可打擊陸地固定或移動裝甲目標(biāo)、堅固工事、近海小型艦船和低空低速飛行器，并且具有全天時作戰(zhàn)和抗干擾能力，隨著技術(shù)的發(fā)展具備了間瞄射擊能力［3］。導(dǎo)彈與火控的聯(lián)系更加緊密，彈上承載的信息越來越多，導(dǎo)彈在準(zhǔn)備、發(fā)射、飛行和引爆全過程中對火控系統(tǒng)提出了很多新的要求。

火控系統(tǒng)的功能、性能及操縱效果對于導(dǎo)彈發(fā)射平臺至關(guān)重要，將直接影響武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效率和有效完成任務(wù)的能力。

1 系統(tǒng)功能需求分析與分解

本文以車載長釘-NLOS型導(dǎo)彈為例進(jìn)行討論。該導(dǎo)彈采用加密無線數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行圖像、指令傳輸，中段慣性制導(dǎo)，末端人在回路利用電視/紅外圖像尋的，可非瞄準(zhǔn)線（也稱間瞄）發(fā)射，可換裝多種戰(zhàn)斗部。由于當(dāng)前目標(biāo)自主搜索識別、自主智能決策等關(guān)鍵技術(shù)在陸戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用條件仍不成熟，導(dǎo)致火控系統(tǒng)和導(dǎo)彈的目標(biāo)搜索打擊效率、任務(wù)可靠性等多項性能指標(biāo)不能達(dá)到戰(zhàn)術(shù)要求，可見短期內(nèi)火控系統(tǒng)仍然需要以人員參與作為主要工作方式［4］。

具有間瞄射擊能力的導(dǎo)彈火控系統(tǒng)要求既能夠?qū)ψ灾靼l(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行打擊，也能夠?qū)ν獠刻峁┠繕?biāo)進(jìn)行打擊，這樣發(fā)射車須具備定位定向能力。要實現(xiàn)自主搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，導(dǎo)彈發(fā)射車配裝光電偵察裝置和對應(yīng)的操控臺以滿足操作人員在晝夜間對目標(biāo)搜索、跟蹤與測量；需要火控計算機(jī)完成目標(biāo)信息處理、發(fā)射架調(diào)轉(zhuǎn)指令和發(fā)射諸元解算等基本功能外，還需要完成系統(tǒng)內(nèi)各單體工作狀態(tài)監(jiān)控和彈藥狀態(tài)監(jiān)控；需要發(fā)控裝置實現(xiàn)導(dǎo)彈的射前檢查、發(fā)射條件判斷、發(fā)射與發(fā)射后的人在回路控制；定位定向設(shè)備實現(xiàn)本車的定位、定向，并為導(dǎo)彈提供初始位置與姿態(tài)；需要伺服控制裝置與發(fā)射架配合賦予導(dǎo)彈初始射向與射角；需要車體姿態(tài)傳感器為火控計算機(jī)提供車體姿態(tài)信息用于發(fā)射諸元解算。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

模塊化、通用化、信息化、智能化是火控系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。總線體系結(jié)構(gòu)以其開放性、互操作性、互用性、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為構(gòu)建開放式體系結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)手段。目前最新型號裝備火控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)均采用CAN總線［5］?；谝陨显瓌t構(gòu)建的火控系統(tǒng)如圖1所示。光電觀瞄裝置由CCD攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測距機(jī)和穩(wěn)像系統(tǒng)等組成，定位定向設(shè)備由衛(wèi)星定位與慣性導(dǎo)航兩部分組成。

2.2 系統(tǒng)工作原理與流程

在發(fā)射準(zhǔn)備階段，火控系統(tǒng)各設(shè)備開機(jī)自檢，定位定向設(shè)備初始參數(shù)裝訂、尋北，光電偵察裝置升起開始搜索目標(biāo)，利用車載電源為導(dǎo)彈上電并完成射前準(zhǔn)備。

圖1 系統(tǒng)組成與體系結(jié)構(gòu)

當(dāng)本車搜索到目標(biāo)或接收到外部（如前方無人偵察機(jī)）發(fā)送的一個或多個目標(biāo)信息后，火控計算機(jī)自動對目標(biāo)信息進(jìn)行篩選（將不在攻擊范圍的目標(biāo)暫時剔除）、融合、威脅度計算；操作人員選擇或火控計算機(jī)根據(jù)威脅排序結(jié)果自動選擇待攻擊目標(biāo)后，火控計算機(jī)自動完成目標(biāo)規(guī)劃（根據(jù)當(dāng)前天候條件和目標(biāo)類型、距離、威脅度選擇合適的彈種、引信啟動方式、用彈量、發(fā)射前鎖定或發(fā)射后鎖定等），發(fā)射架調(diào)轉(zhuǎn)指令和發(fā)射諸元解算，輸出伺服控制裝置驅(qū)動指令，調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)射架；操作人員選彈后，自動完成數(shù)據(jù)鏈通路檢查；在射前鎖定情況下，射手觀察下傳視頻，利用手柄完成目標(biāo)跟蹤后再擊發(fā)導(dǎo)彈；射手擊發(fā)后，發(fā)控裝置自動按時序完成發(fā)射諸元裝定、彈上慣導(dǎo)啟動、彈上電源啟動和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等工作。以上提到的自動執(zhí)行部分需要設(shè)計專門的輔助解算決策軟件，由相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行。

導(dǎo)彈發(fā)射后，導(dǎo)引頭攝取的目標(biāo)/背景圖像通過數(shù)據(jù)鏈下傳，顯示在發(fā)控裝置的射手顯示器上，射手通過觀察顯示圖像識別目標(biāo)，利用手柄進(jìn)行目標(biāo)跟蹤與控制指令發(fā)送，手柄控制指令和目標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)鏈上傳到彈上，實現(xiàn)導(dǎo)引頭對目標(biāo)的跟蹤和導(dǎo)彈對目標(biāo)的攻擊。

在設(shè)計工作流程時，首先根據(jù)工作時序，將發(fā)射車的工作過程劃分為技術(shù)陣地準(zhǔn)備、發(fā)射陣地準(zhǔn)備、導(dǎo)彈發(fā)射與射后控制、陣地轉(zhuǎn)移與撤收等4個階段［6］；再設(shè)計每一個階段火控系統(tǒng)的工作流程，規(guī)定流程中各事件的順序與并行關(guān)系?？紤]行軍戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)換、火控系統(tǒng)反應(yīng)和戰(zhàn)斗行軍轉(zhuǎn)換等時間指標(biāo)要求，將指標(biāo)合理分配于各火控設(shè)備。

由以上工作原理可知系統(tǒng)的工作過程包括諸多事件，系統(tǒng)狀態(tài)的改變主要是由一些離散時間上的事件引起，人員的操作命令發(fā)送、收到偵察指揮系統(tǒng)的目標(biāo)信息等都為離散事件。可應(yīng)用離散事件建模和仿真方法對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和流程進(jìn)行分析，合理評估系統(tǒng)的性能優(yōu)劣?；赑etri網(wǎng)的建模技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域?qū)﹄x散事件動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真中，其具有形式簡潔、易于描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化、分析模型是否存在碰撞、沖突等異常特征等優(yōu)點(diǎn)［7］。

3 人-機(jī)設(shè)計

3.1 操作人員分工

火控系統(tǒng)是一個由操作人員參與控制管理的人機(jī)系統(tǒng)，為了提高整個人機(jī)系統(tǒng)的效能，設(shè)計上必須解決人與操作設(shè)備相適應(yīng)的問題。人與操作設(shè)備的適應(yīng)性包括：操作設(shè)備適應(yīng)人體要求和人的使用、人與設(shè)備間職能的合理分工和相互配合、人與設(shè)備間的信息交互、設(shè)備的特性與人的操縱特性相匹配等。

操作人員包括1名車長和1名～2名射手。車長作為火控和信息管理的核心，擔(dān)負(fù)上級指揮命令的受領(lǐng)、戰(zhàn)場態(tài)勢觀察和本車狀態(tài)控制等任務(wù)，對人員素質(zhì)要求相對較高。射手任務(wù)相對簡單，主要完成導(dǎo)彈發(fā)射與發(fā)射后控制，在車長授權(quán)情況下完成目標(biāo)偵察。車長分工包括：①火控系統(tǒng)電源管理；②與上級指揮系統(tǒng)通信；③設(shè)備自檢與系統(tǒng)自檢控制；④定位定向設(shè)備與發(fā)射架工作狀態(tài)控制；⑤目標(biāo)選擇（目標(biāo)規(guī)劃）；⑥光電偵察裝置工作狀態(tài)管理、目標(biāo)偵察及授權(quán)控制。射手分工包括：①導(dǎo)彈準(zhǔn)備；②選彈與擊發(fā)；③控制導(dǎo)引頭實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和導(dǎo)彈對目標(biāo)的攻擊；④射擊效果報告；⑤光電偵察裝置工作狀態(tài)管理與目標(biāo)偵察（車長授權(quán)時）。

3.2 操作與顯示設(shè)計

3.2.1 車長操作與顯示設(shè)計

車長主要通過車長顯示器屏邊鍵、鍵盤、車長手柄和顯示界面完成與火控系統(tǒng)的交互。

屏邊鍵的優(yōu)點(diǎn)在于能夠由軟件靈活定義，按鍵的定義顯示在其鄰近的顯示界面上，同一按鍵在不同的顯示界面對應(yīng)不同的功能定義，這樣可以做到有限按鍵無限復(fù)用。同一事件在操作步驟較多的情況下可將屏邊鍵分級使用，例如一側(cè)為主級按鍵，另一側(cè)為次級按鍵，車長首先通過選擇主級按鍵進(jìn)行功能選擇，然后通過次級按鍵發(fā)出控制命令，次級按鍵的定義隨著主級按鍵選擇的不同而不同。觸摸屏與屏邊鍵可異曲同工，但存在低溫穩(wěn)定性和不便于戴手套操作等問題。

鍵盤作為屏邊鍵的補(bǔ)充，僅包括數(shù)字、負(fù)號、小數(shù)點(diǎn)、退格、回車等按鍵。

車長手柄既可操縱光電偵察裝置實現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、跟蹤與測距，也可用于車長手動操縱發(fā)射架調(diào)轉(zhuǎn)，手柄功能切換取決于當(dāng)前的顯示界面。手柄及其上按鍵布局可按圖2設(shè)計。采用手柄的優(yōu)點(diǎn)在于可使操作人員在需要專注觀察顯示屏的同時做到“手不離桿”，且能發(fā)出連續(xù)控制指令操作偵察裝置/發(fā)射架高低、方位轉(zhuǎn)動。

圖2 車長手柄按鍵布局

根據(jù)工作獨(dú)立性，將目標(biāo)偵察從其他操作中獨(dú)立，分為綜合界面和偵察界面，每個界面固定位置設(shè)置“界面切換”按鍵。

綜合界面分區(qū)顯示各設(shè)備供電狀態(tài)、定位定向設(shè)備工作狀態(tài)、發(fā)射架工作狀態(tài)與姿態(tài)、車體姿態(tài)、彈位狀態(tài)、偵察裝置操控權(quán)、上級指揮命令、目標(biāo)信息、目標(biāo)規(guī)劃結(jié)果信息以及各種告警信息等。可用圖標(biāo)、字母、虛擬儀表、文字、表格、文本框等方式標(biāo)識出各種信息。彈位狀態(tài)要能區(qū)分出有／無彈、彈種、故障彈、是/否準(zhǔn)備就緒等。要求簡捷明了，目的是讓車長能夠?qū)崟r準(zhǔn)確掌握各種信息，利用此界面完成分工中除⑥項外的所有內(nèi)容。

偵察界面除了顯示偵察視頻外，還應(yīng)分區(qū)顯示光電偵察裝置各組成部分的電源狀態(tài)、桅桿升降狀態(tài)、激光測距的首/末目標(biāo)選擇狀態(tài)和紅外視頻顯示極性等。車長通過此界面屏邊鍵和手柄完成光電偵察裝置狀態(tài)控制與目標(biāo)偵察。

3.2.2 射手操作與顯示設(shè)計

射手主要通過射手顯示器屏邊鍵、左手柄、右手柄和顯示界面完成與火控系統(tǒng)的交互。

左手柄僅用于導(dǎo)彈控制，不能作為搖桿使用，利用其上按鍵發(fā)出各種開關(guān)指令，為了防止誤擊發(fā)，需要在擊發(fā)按鍵上設(shè)置保護(hù)措施。右手柄可進(jìn)行功能切換，在操縱光電偵察時，其按鍵定義與車長手柄相同。在操縱導(dǎo)彈時，左、右手柄按鍵定義可如下頁圖3所示設(shè)計，力敏單桿控制導(dǎo)引頭光軸轉(zhuǎn)動。

圖3 射手左、右手柄按鍵定義

射手顯示界面分為綜合界面、偵察界面和導(dǎo)引頭視頻界面。偵察目標(biāo)的操作與顯示與車長保持一致。

綜合界面分區(qū)顯示定位定向設(shè)備工作狀態(tài)、發(fā)射架工作狀態(tài)與姿態(tài)、車體姿態(tài)、彈位狀態(tài)、偵察授權(quán)狀態(tài)和射擊任務(wù)信息（即目標(biāo)規(guī)劃結(jié)果）等，表示方式與車長對應(yīng)界面一致。射手利用此界面完成狀態(tài)查看、數(shù)據(jù)瀏覽、導(dǎo)彈準(zhǔn)備、射擊任務(wù)受領(lǐng)與選彈等任務(wù)。

導(dǎo)引頭視頻界面主要顯示數(shù)據(jù)鏈下傳的導(dǎo)引頭視頻，導(dǎo)彈選彈后自動切換至該界面。射手通過此界面利用手柄完成目標(biāo)識別、跟蹤與攻擊。

4 信息交互設(shè)計

要求系統(tǒng)實現(xiàn)各功能、操作、顯示、智能決策以及記錄要求，需要明確在整個工作過程中各組成部分之間以及系統(tǒng)與外部的信息交互關(guān)系。

首先根據(jù)工作過程梳理出所有的離散事件，每一個事件會引起一連串的自動執(zhí)行流程。定義所有的事件名稱、事件的發(fā)起人/設(shè)備和事件發(fā)生的約束條件。接下來定義各事件發(fā)生引起的信息流，包括信息名稱、信息源、目的地、信息的發(fā)送條件/時機(jī)、信息接收方的響應(yīng)等。最后定義各信息包含內(nèi)容（比如車體姿態(tài)信息包括橫傾角和縱傾角）、數(shù)據(jù)格式（模擬/數(shù)字）、數(shù)據(jù)有效范圍、數(shù)據(jù)單位、發(fā)送方式（單次/連續(xù)/周期）等，對于周期性發(fā)送信息要規(guī)定停止發(fā)送時機(jī)。

5 結(jié)束語

火控系統(tǒng)的設(shè)計要綜合考慮系統(tǒng)的任務(wù)需求、現(xiàn)代武器系統(tǒng)綜合化、信息化、數(shù)字化等發(fā)展趨勢和當(dāng)今電子、計算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)發(fā)展水平。設(shè)計合理的工作流程是保證火控系統(tǒng)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換、攻擊任務(wù)的重要因素?？偩€技術(shù)是提高系統(tǒng)內(nèi)電子設(shè)備之間及與外部設(shè)備的信息交換能力、信息傳輸速度、實現(xiàn)信息和資源共享的重要手段。智能化處理可提高系統(tǒng)反應(yīng)時間、實現(xiàn)操作程序的智能化控制，簡化人員操作，最大發(fā)揮作戰(zhàn)單元的效能。操作人員的協(xié)同配合以及人與設(shè)備相協(xié)調(diào)統(tǒng)一，系統(tǒng)易于使用，也是提高系統(tǒng)整體能力的重要體現(xiàn)。

［1］張曉玲.向多用途武器轉(zhuǎn)變的反坦克導(dǎo)彈［J］.外軍炮兵，2010，14（6）：32-35.

［2］荊玉煥，王秀春，張振華.聯(lián)合與多用途—美國引領(lǐng)導(dǎo)彈發(fā)展新方向［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2011，32（4）：1-4.

［3］宋怡然，蔣 琪，關(guān)世義.國外小型多用途導(dǎo)彈發(fā)展現(xiàn)狀［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2012，33（6）：6-11.

［4］項 征，張 達(dá)，張佳南.談武器裝備智能化發(fā)展［J］.數(shù)字國防，2008，1（4）：41-43.

［5］荊玉煥，王秀春，張振華.壓制兵器火控系統(tǒng)發(fā)展趨勢［J］.火力與指揮控制，2012，37（6）：5-7.

［6］蔡淑華，黃運(yùn)才.飛航導(dǎo)彈火控系統(tǒng)［M］.北京：宇航出版社，1996.

［7］深繼承，劉付顯，史豪杰.地空導(dǎo)彈指揮控制系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模與分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2009，37（1）：68-70.

Design of Firing Control System of Imaging Guidance Missile

He Ya-juan
（The 41th Institute of Fourth Academy of Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710025，China）

Aiming at the characteristic of imaging guidance weapon that have multifarious attack task，used flexibly，have several kinds，cooperated by several man.The analysis of function demanded，the structure of the firing control system，the working principle，the cooperation of human and facilities and the intercommunion are described in detail.The design idea is explained that the work should be finished by dominant human and equipment's intelligent and dutiful working.Because the efficiency of the system lies on the operator's exact mastery of the information and the simple operation to the equipment.The design method was used successfully in the design process of one type firing control system of missile weapon.The function，the capability and the yarage of the system were tested that were satisfied all requirements.And the system is modularized，information-based and intelligentized.

imaging guidance missile，lunched on vehicle，firing control system，cooperation of human and facilities

TN971

A

1002-0640（2014）09-0160-04

2013-07-05

2013-09-07

何亞娟（1974- ），女，陜西渭南人，研究員。研究方向：導(dǎo)彈武器系統(tǒng)總體設(shè)計。