火炮信息化發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

張 卓，矯慶豐，蓋敏慧，查婷婷

(1. 西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，強調(diào)信息主導(dǎo)、體系對抗、精確作戰(zhàn)，以整體抗衡“高效型”戰(zhàn)爭的新顏替換了單打獨斗“高耗型”戰(zhàn)爭的舊貌。在信息化作戰(zhàn)中，由于信息技術(shù)的支撐，其戰(zhàn)場表現(xiàn)形式在作戰(zhàn)行動、組織機構(gòu)、能量釋放等不同側(cè)面呈現(xiàn)出一體化、網(wǎng)絡(luò)化、精確化的鮮明特征。具體來說就是通過網(wǎng)絡(luò)將分散在各個節(jié)點或終端作戰(zhàn)力量聯(lián)為一體，在預(yù)定的時間，精確作用于預(yù)定的目標，取得最大的作戰(zhàn)效果[1]。

信息化戰(zhàn)爭強調(diào)先發(fā)制人，速戰(zhàn)速決，要求火炮隨時準備在復(fù)雜的環(huán)境下進行作戰(zhàn)，這對它的偵查預(yù)警、指揮控制、快速反應(yīng)、精確打擊、自身生存能力以及后勤保障都提出了嚴峻的挑戰(zhàn)?；鹋诒仨毿畔⒒?，才能符合一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的要求，適應(yīng)戰(zhàn)爭環(huán)境，克敵制勝[2]。筆者就國內(nèi)外火炮信息化發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要論述，并對實現(xiàn)火炮信息化所要采用的幾個關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

1 火炮信息化發(fā)展現(xiàn)狀

火炮具有火力密集、反應(yīng)迅速以及抗干擾能力強等特點。進攻時用于摧毀敵方的防御設(shè)施，殺傷有生力量、裝甲車輛等運動目標，壓制敵方的火力，實施縱深火力支援，為后續(xù)部隊開辟進攻通道；防御時用于構(gòu)成密集的火力網(wǎng)，阻攔敵方從空中、地面的進攻，對敵方的火力進行反壓制；在國土防御中用于駐守重要設(shè)施，進出通道及海防大門[3]。近年來，各國十分重視火炮的發(fā)展，憑借各種新技術(shù)對火炮進行信息化建設(shè)。

1.1 國外火炮信息化發(fā)展現(xiàn)狀

提高火炮信息化水平的主要途徑有兩種：一種是對現(xiàn)有武器平臺進行嵌入式改造；另一種是研制全新的武器系統(tǒng)。外軍炮兵一般選擇具有一定發(fā)展?jié)摿Φ奈淦髌脚_進行信息化改造。現(xiàn)有裝備經(jīng)過以信息技術(shù)為主的嵌入式綜合集成后，能夠?qū)崿F(xiàn)和其他武器系統(tǒng)之間信息獲取、傳遞和處理的一體化，更好地滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的需求。

美國陸軍自20世紀70年代初期開始對 M109式155 mm自行榴彈炮實施一系列重大改進。M109A1至M109A5的改進將重點放在提高可靠性和射程上。M109A6和M109A7的改進則以全面提高殺傷力、生存能力、反應(yīng)能力和整個系統(tǒng)的可靠性及信息化作戰(zhàn)能力為目的，顯示了高新技術(shù)，尤其是信息技術(shù)的應(yīng)用所帶來的質(zhì)變結(jié)果。M109A6加裝了多種數(shù)字化裝備，如自動化火控系統(tǒng)，定位導(dǎo)航系統(tǒng)、自動定位裝置和通信管理系統(tǒng)。M109A7在M109A6的基礎(chǔ)上進行改進，主要體現(xiàn)在炮塔、火控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等方面。M109A7炮塔的液壓沖程輸彈機改為電動輸彈/退彈機，采用最新型數(shù)字火控系統(tǒng)，并用目前生產(chǎn)型模塊裝藥系統(tǒng)代替效率不高的老式藥包裝藥，發(fā)電能力更是提高到70 kW，用來滿足未來指揮、控制、通信和計算機設(shè)備增加的需求。

1.2 國內(nèi)火炮信息化發(fā)展現(xiàn)狀

通過近年裝備信息化技術(shù)攻關(guān)、預(yù)先研究、演示驗證和以某項目為代表的工程型號研制，武器裝備在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方面已具備了一定的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了車內(nèi)信息總線化、車外信息網(wǎng)絡(luò)化，在乘員綜合操作控制與顯示、探測感知、信息融合處理以及自動化控制等方面取得了初步成效和經(jīng)驗，使裝備的信息化水平有了一定提升。但是，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和我軍對裝備信息化需求的不斷提升，尤其是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)對武器裝備作戰(zhàn)使用、任務(wù)和功能提出了更高的要求，目前在信息化頂層設(shè)計、平臺信息一體化控制、信息獲取與傳輸、信息融合與綜合控制、新型總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、人機交互等總體技術(shù)方面，在炮塔自動操控、具備動態(tài)尋北的光纖捷聯(lián)式定位定向、高精度快速自動瞄準、彈道測量與修正、大功率高精度全數(shù)字隨動和故障檢測診斷等單項技術(shù)方面，還存在差距，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)、信息共享、信息處理以及智能化控制等方面還有待提高，系統(tǒng)的反應(yīng)速度、瞄準精度、機動定位精度及綜合防護能力還有提升的空間。

2 火炮信息化關(guān)鍵技術(shù)分析

火炮是一個大系統(tǒng)，牽涉多種學(xué)科、多種理論和多種技術(shù)，不是用一項新工藝或新材料對某些重要部件進行單項改進就能提高整體戰(zhàn)斗性能的，而是必須強調(diào)橫向技術(shù)一體化，把完善系統(tǒng)，提高總體戰(zhàn)斗效能作為火炮研發(fā)的重點。各國火炮信息化武器平臺的發(fā)展均是利用高速數(shù)據(jù)總線、數(shù)字通信處理、智能控制等技術(shù)，將探測傳感裝置、平臺控制裝置、電源管理裝置等組成一個一體化控制系統(tǒng)，通過先進的車內(nèi)外通信體系，確保平臺內(nèi)、平臺間以及與上級的縱、橫向互聯(lián)，使數(shù)字化武器平臺融入到整個信息化戰(zhàn)場中，成為戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，使其具備信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)能力，從而提高平臺綜合作戰(zhàn)效能。筆者選取實現(xiàn)火炮內(nèi)部信息傳輸?shù)目偩€網(wǎng)絡(luò)和圖形化操作界面技術(shù)，以及實現(xiàn)火炮與外界信息交互的通信技術(shù)進行分析。

2.1 總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著火炮中電子控制單元數(shù)量越來越多，功能日益復(fù)雜，總線通信數(shù)據(jù)量不斷增大。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)對通信容量、實時性、確定性、成熟性、可靠性(余度或冗余技術(shù))和部署成本等都具有較高的要求。此外傳輸網(wǎng)絡(luò)還要滿足平臺內(nèi)部實現(xiàn)一體化、綜合化、信息共享和多元多層次信息融合的需要。由于以太網(wǎng)具有多址接入、高速寬帶、靈活可靠及總線節(jié)點接口通用等技術(shù)優(yōu)勢，多年來其得到了穩(wěn)定發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，作適當?shù)男薷氖蛊錆M足火炮內(nèi)部平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。以此?gòu)建火炮內(nèi)部平臺主干網(wǎng)絡(luò)，以交換機為中心，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。全炮各分系統(tǒng)的裝置和設(shè)備通過連接交換機的端口接入總線網(wǎng)絡(luò)。各類數(shù)據(jù)通過交換機進行交換和分發(fā)。為滿足火炮內(nèi)各類數(shù)據(jù)信息快速、可靠傳輸，必須采用時間同步的數(shù)據(jù)傳輸機制和余度設(shè)計的方法，并對不同類型的數(shù)據(jù)采取有效的服務(wù)質(zhì)量控制措施，實現(xiàn)為多元信息提供等級化、差別化的通信服務(wù)。

2.1.1 時間同步的數(shù)據(jù)傳輸機制

為保證實時數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，同時盡量降低系統(tǒng)對專用技術(shù)和專用硬件的依賴，總線網(wǎng)絡(luò)可以采用全系統(tǒng)時間同步的數(shù)據(jù)傳輸機制。具體實現(xiàn)方法是通過同步幀在網(wǎng)絡(luò)中廣播實現(xiàn)。在總線網(wǎng)絡(luò)中，同步幀由總線網(wǎng)絡(luò)交換機內(nèi)部管理節(jié)點發(fā)出，并實時地分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的每個終端節(jié)點。終端節(jié)點在接收到同步幀后，可根據(jù)幀內(nèi)包含的時間信息進行同步。如圖1所示，每個通信周期都是由交換機發(fā)出的同步幀發(fā)起的，并且不斷循環(huán)。專屬時隙為終端用于實時數(shù)據(jù)幀通信的獨享時間間隔，以保證不同類型的終端都具備充分的時間響應(yīng)能力。網(wǎng)絡(luò)終端在收到交換機發(fā)出的同步幀后，根據(jù)預(yù)先安排的時隙分配表，決定在本周期內(nèi)的具體發(fā)送時刻，并設(shè)置軟/硬件定時器，在定時器計時到達時傳輸實時數(shù)據(jù)。

2.1.2 余度的設(shè)計方法

網(wǎng)絡(luò)采用余度設(shè)計的方法對抗單點故障問題，使用兩臺交換機，采用聚合鏈路將其背對背連接。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝兩塊網(wǎng)絡(luò)接口卡，并通過獨立電纜分別連接到兩臺交換機上，從而有效保證網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。

2.1.3 服務(wù)質(zhì)量控制措施

導(dǎo)致交換式以太網(wǎng)性能惡化的主要原因是交換過程輸出端口的擁塞問題。通用以太網(wǎng)交換機在處理擁塞時通常采用先入先出原則，因此可能出現(xiàn)實時性或優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)排在低級數(shù)據(jù)后面，導(dǎo)致服務(wù)降級。當擁塞時間較長時，由于交換機緩沖隊列的長度有限，還可能發(fā)生隊列溢出，此時交換機將直接丟棄排在隊尾的數(shù)據(jù)，造成隊尾丟包?？梢酝ㄟ^3種措施處理交換擁塞問題：通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流前期規(guī)劃，控制全網(wǎng)共享帶寬的占用率，避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生長時擁塞；通過交換機Diff-Serv監(jiān)管器實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的帶寬控制，避免異常情況下超流量數(shù)據(jù)對其他數(shù)據(jù)的影響；采用基于優(yōu)先級的流量調(diào)度算法，對各類流實現(xiàn)合理調(diào)度，提供等級化的服務(wù)質(zhì)量保證。

2.2 人機交互圖形化界面技術(shù)

人機交互界面正處于圖形用戶界面階段，并逐步向以網(wǎng)絡(luò)用戶界面以及多通道、多媒體的智能人機交互階段發(fā)展。火炮人機交互應(yīng)以優(yōu)化乘員任務(wù)分工和易于向無人炮塔移植為設(shè)計目標，采用模塊化方式構(gòu)建通用集中顯控裝置，其硬件由顯控單元組合構(gòu)成多屏人機交互界面。顯控單元可隨意組合、拆分，其外形尺寸、操作方式以及界面風格基本一致，采用總體制定的標準電氣、機械接口和軟件通信協(xié)議?；鹋谌藱C交互涉及到的主要內(nèi)容包括戰(zhàn)場態(tài)勢圖、控制任務(wù)界面和軟硬件支持。

2.2.1 戰(zhàn)場態(tài)勢圖

采用基于戰(zhàn)場態(tài)勢圖的可視化顯控界面，將作戰(zhàn)任務(wù)、定位定向?qū)Ш健㈦娮拥貓D、火炮狀態(tài)、戰(zhàn)場態(tài)勢、通信指揮以及操作策略進行集中顯控，將信息盡量以圖形的方式進行顯示，使乘員能快速掌握戰(zhàn)場態(tài)勢及本炮狀態(tài)，迅速對作戰(zhàn)任務(wù)進行決策，縮短火力打擊的反應(yīng)時間，達到信息化的本質(zhì)目的，戰(zhàn)場態(tài)勢圖能夠以軟件模塊的方式嵌入顯控單元。

2.2.2 控制任務(wù)界面

改變傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)+指示燈”的人機交互顯控界面設(shè)計方式，采用圖形化操作界面技術(shù)實現(xiàn)主要控制任務(wù)的人機交互，使乘員更快速、直觀地了解火炮任務(wù)的執(zhí)行情況，實現(xiàn)火炮狀態(tài)的可視化監(jiān)控，并結(jié)合操作控制策略，提高系統(tǒng)的智能化程度，達到降低乘員操作強度的目的。

2.2.3 軟硬件支持

為達到顯控單元通用化和模塊化的目的，采用國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)和國產(chǎn)化的嵌入式視窗技術(shù)構(gòu)建人機交互界面。高可靠、強實時的國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)，能根據(jù)需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核進行配置、裁剪、擴展與定制，提供符合實時規(guī)范的接口，支持多種主流的硬件體系結(jié)構(gòu)并提供典型的設(shè)備驅(qū)動。實時響應(yīng)時間為微秒級，系統(tǒng)最小配置小于20 KB。國產(chǎn)嵌入式視窗軟件構(gòu)件是面向?qū)崟r嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，具有良好的軟件架構(gòu)，可在目前主流操作系統(tǒng)平臺上運行。

2.3 無線電通信技術(shù)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜、惡劣，再加上頻譜資源的緊缺，傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)的質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn)[4]。因此，近年來軟件無線電和認知無線電逐漸興起。軟件無線電是在傳統(tǒng)無線電上增加軟件體系結(jié)構(gòu)，具有高可配置和軟件升級能力，提供可變的服務(wù)質(zhì)量保障范圍，支持協(xié)議和接口可變。認知無線電是具有智能、感知、學(xué)習(xí)和觀察能力的軟件無線電，自身能夠創(chuàng)建新的波形，可以根據(jù)應(yīng)用指定的信號環(huán)境調(diào)節(jié)自身運行，以滿足服務(wù)質(zhì)量的要求[5]。

實現(xiàn)認知無線電通信系統(tǒng)的關(guān)鍵是頻譜感知技術(shù)。目前，最常用的頻譜感知算法有能量檢測法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法、無線電標識檢測法、匹配濾波器檢測法、波形檢測法[6]。這幾種頻譜感知算法的性能比較如圖2所示。

能量檢測法是使用普遍的信號檢測方法，由于接收機不需要主用戶的先驗知識，計算量和實現(xiàn)復(fù)雜度都較低，通常用于初步感知階段。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法感知調(diào)制信號相關(guān)函數(shù)的周期性，計算較復(fù)雜，效果很好。但是，該方法對采樣時鐘的精確度要求很高，時鐘存在誤差，性能就會急劇下降。無線電識別檢測法和匹配濾波器檢測法均要知道用戶信號的所有特征(帶寬、工作頻率、調(diào)制方式、脈沖成形、數(shù)據(jù)幀格式等)，而且本身算法的復(fù)雜度很高，執(zhí)行各種接收機算法對能耗需求大。波形檢測法的相關(guān)處理過程中利用了先驗確定的信號分量，故波形檢測法對頻譜感知的準確度要高，但是需要事先知道接收信號的先驗知識。綜上所述，一般會根據(jù)通信系統(tǒng)的特征選擇檢測方法，并加以適當?shù)母倪M。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已不再是“人力消耗戰(zhàn)”和“鋼鐵消耗戰(zhàn)”，而是運用各種高科技的海陸空多位一體局部戰(zhàn)爭，也不再以攻城奪地、消滅有生力量為主要目標，而是強調(diào)精確打擊和殺傷效果，避免誤傷。認清現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點，更新火炮發(fā)展觀念，是實現(xiàn)火炮信息化的前提。當今世界已進入信息網(wǎng)絡(luò)時代，火炮通過信息化集成改造，成為集目標偵察、威脅判斷、情報處理、信息傳遞、彈道計算、火炮發(fā)射、目標殺傷效果評估、模擬訓(xùn)練以及試驗檢測等高新技術(shù)為一體的自動化火炮。它作為軍隊在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)體系強有力的一個環(huán)節(jié)，與其他作戰(zhàn)裝備緊密合作，快速高效地完成各項作戰(zhàn)任務(wù)。

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