陸軍地面武器火控系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展歷程*

祁志民，劉 瑞，2

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

0 引言

在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，以模擬計(jì)算機(jī)為主[1]，火控信息處理其計(jì)算能力有限，集成度低，各設(shè)備均由一個(gè)獨(dú)立的模擬計(jì)算機(jī)組成，相互之間無(wú)信息交互，稱之為分立式火控系統(tǒng)；隨著中小規(guī)模集成電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和邏輯控制電路的發(fā)展[2]，火控信息處理逐步開(kāi)始以數(shù)字計(jì)算機(jī)為中心，外圍設(shè)備以低速數(shù)字接口或模擬接口采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接至火控計(jì)算機(jī)，在火控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信息融合，此階段火控系統(tǒng)是以火控計(jì)算機(jī)為中心的各獨(dú)立功能設(shè)備的集成，稱之為集中式火控系統(tǒng)；隨著大規(guī)模集成電路和總線技術(shù)的發(fā)展，火控系統(tǒng)各設(shè)備數(shù)字化程度不斷提高，設(shè)備之間通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線交聯(lián)，信息量不斷增加，更大程度地實(shí)現(xiàn)了信息共享和后端控制[3-4]，此階段火控系統(tǒng)是以人機(jī)交互終端、火控計(jì)算機(jī)構(gòu)成多中心的各功能設(shè)備的總線聯(lián)合，稱之為分布式火控系統(tǒng)。

隨著高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)總線網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟和計(jì)算性能的不斷提升，面向功能的設(shè)計(jì)導(dǎo)致資源重疊和功能耦合問(wèn)題日益突出，火控系統(tǒng)從面向局部功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為面向整個(gè)武器平臺(tái)資源設(shè)計(jì)，依照“集中處理-分布控制”的思想，實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)功能綜合化、資源模塊化、軟件層次化和系統(tǒng)組合化，最終提高火控系統(tǒng)“三化”水平，此階段火控系統(tǒng)是以功能綜合化、資源模塊化為特征的基型系統(tǒng)與功能組件的積木式組合，稱之為綜合模塊化火控系統(tǒng)。未來(lái)隨著武器裝備功能不斷豐富、設(shè)備日益增多、信息量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)信息體系下武器協(xié)同作戰(zhàn)需求，子系統(tǒng)采用綜合模塊化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)局部信息綜合；系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各安全關(guān)鍵等級(jí)子系統(tǒng)的相互獨(dú)立和隔離。以“局部綜合-全局分布”為架構(gòu)特征的武器平臺(tái)電子信息控制系統(tǒng)，稱之為分布式綜合模塊化平臺(tái)信息系統(tǒng)。

1 陸軍地面武器火控系統(tǒng)概念

火控系統(tǒng)是武器火力控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，控制武器自動(dòng)或半自動(dòng)地實(shí)施瞄準(zhǔn)、發(fā)射的裝備總稱為火力控制系統(tǒng)[4]。陸軍主戰(zhàn)裝備火控系統(tǒng)通常包括了炮兵壓制武器火控、防空高炮武器火控、裝甲突擊武器火控和工程兵武器火控等武器類型[5]。按照目標(biāo)獲取方式、瞄準(zhǔn)射擊方式和彈道類型可將火控系統(tǒng)劃分為直瞄射擊和間瞄射擊兩大類，直瞄射擊火控通常是通過(guò)戰(zhàn)車的雷達(dá)或光電探測(cè)設(shè)備獲取目標(biāo)信息，實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)，并進(jìn)行諸元計(jì)算，控制火炮完成近距射擊；裝甲火控和防空火控屬于直瞄射擊武器；間瞄射擊通常通過(guò)指揮系統(tǒng)或偵查系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息，進(jìn)行目標(biāo)的諸元解算，進(jìn)而控制火炮完成中遠(yuǎn)距離火力打擊，炮兵壓制武器火控和工程兵武器火控屬于間瞄射擊[6]。在公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料中，各型武器火控系統(tǒng)沒(méi)有確切的定義，通常以功能組成來(lái)描述各型火控系統(tǒng)。如坦克火控系統(tǒng)包括了火控計(jì)算機(jī)、目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)（包括激光測(cè)距儀、瞄準(zhǔn)鏡）、操作控制系統(tǒng)（包括炮長(zhǎng)終端和車長(zhǎng)終端）、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備組成[7]，某型步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)包括了火控計(jì)算機(jī)、調(diào)炮控制器、炮長(zhǎng)綜合瞄準(zhǔn)鏡和姿態(tài)測(cè)定儀等設(shè)備[8]。新型坦克火控系統(tǒng)則包括了火控計(jì)算機(jī)（智能打擊計(jì)算機(jī)、智能規(guī)劃計(jì)算機(jī)等）、車長(zhǎng)操縱臺(tái)、周視鏡、激光測(cè)距儀、炮控系統(tǒng)、各類傳感器及定位定向設(shè)備等[9-10]。防空火控通常由目標(biāo)探測(cè)與跟蹤設(shè)備、火控計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等組成[11]。炮兵武器火控通常包括了火控計(jì)算機(jī)、顯示終端、定位定向設(shè)備、高低方位傳感器、發(fā)射控制等設(shè)備。

通常來(lái)講，傳統(tǒng)裝甲火控系統(tǒng)包括了目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、傳輸顯示、鏡控穩(wěn)瞄、武器遙控、炮車控制、炮班通信等各類設(shè)備。防空火控系統(tǒng)包括目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、傳輸顯示、鏡控穩(wěn)瞄、炮車控制、發(fā)射控制、定位導(dǎo)航、炮班通信和彈上通信等。炮兵武器火控系統(tǒng)包含了平臺(tái)指揮通信、炮車控制、發(fā)射控制、傳輸顯示、定位導(dǎo)航、彈上通信設(shè)備以及各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各類設(shè)備。雖然火控系統(tǒng)在不同兵種的武器系統(tǒng)中范疇不盡相同，但是包括了武器系統(tǒng)中絕大部分的電子設(shè)備，也承載了武器系統(tǒng)中的通信控制、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、炮車控制、鏡體控制、定位導(dǎo)航和傳輸顯示等最主要和最關(guān)鍵的作戰(zhàn)任務(wù)，是武器系統(tǒng)交互控制的匯聚點(diǎn)和核心，是武器現(xiàn)代化的標(biāo)志，是武器火力威力的倍增器。

2 分立式架構(gòu)特征及其典型裝備

早在20世紀(jì)60年代，北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所率先在火控系統(tǒng)中引入模擬技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，并先后研制了高炮數(shù)字指揮儀、地炮數(shù)字計(jì)算機(jī)和高炮模擬式指揮儀，并研制了多個(gè)系列的防空和壓制武器火控系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所在坦克裝甲領(lǐng)域率先研制了穩(wěn)像式坦克彈道計(jì)算機(jī)。1980年以后，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)精度不斷提高，光學(xué)器材的不斷發(fā)展，引入集成電路的火控系統(tǒng)逐步列裝。該階段的武器系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，其配備的火控系統(tǒng)功能也較為單一，其火控系統(tǒng)的特點(diǎn)是專用性強(qiáng)、靈活性差、信息交換困難[12]。代表裝備有早期的上光點(diǎn)式火控、火箭炮自動(dòng)操瞄系統(tǒng)、上反穩(wěn)像式坦克火控系統(tǒng)等，其裝備的火控系統(tǒng)是以機(jī)械式和模擬電路技術(shù)為基礎(chǔ)，為分立式系統(tǒng)架構(gòu)。

該階段火控系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，主要是配備了自動(dòng)瞄準(zhǔn)功能，控制設(shè)備以模擬電路為主。火控系統(tǒng)的傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為模擬設(shè)備，人機(jī)交互接口主要是模擬式和機(jī)械式儀表，各設(shè)備相互之間互相獨(dú)立，之間交聯(lián)較少或基本沒(méi)有，不存在中心控制計(jì)算機(jī)，信息處理能力弱，火控系統(tǒng)則是通過(guò)開(kāi)發(fā)承載各功能設(shè)備的堆積完成系統(tǒng)的升級(jí)。

3 集中式架構(gòu)及其典型裝備

3.1 集中式架構(gòu)概述

從20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期，隨著數(shù)字電子技術(shù)和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，陸軍地面武器裝備中開(kāi)始裝備配備數(shù)字式計(jì)算機(jī)的武器系統(tǒng)，該階段的火控系統(tǒng)開(kāi)始以火控計(jì)算機(jī)為中心，大量接入外圍的控制設(shè)備和傳感器，屬于典型的集中式功能系統(tǒng)。其特點(diǎn)是設(shè)備專用強(qiáng)、數(shù)字化程度低、信息共享能力弱、“三化”程度低，代表裝備有該階段裝備部隊(duì)的加榴炮、高炮和步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)等。

該階段火控系統(tǒng)以火控計(jì)算機(jī)為核心，其他設(shè)備通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式連接至火控計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)放性差，連接關(guān)系復(fù)雜；設(shè)備接口類型和電氣參數(shù)專用性強(qiáng)；同時(shí)外圍的非直接連接的設(shè)備組件接入系統(tǒng)時(shí)，必須借助中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，該接入方式增加了系統(tǒng)的接入難度，降低了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3.2 典型裝備介紹

裝甲兵某型火控系統(tǒng)如圖1所示，由火控計(jì)算機(jī)、炮長(zhǎng)終端、炮控系統(tǒng)、鏡控系統(tǒng)和傳感器等設(shè)備組成。內(nèi)部信息以火控計(jì)算機(jī)為中心進(jìn)行信息交互；設(shè)備接口類型和電氣參數(shù)均為定制。在執(zhí)行火控系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，作戰(zhàn)任務(wù)指令、控制器數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)均以火控計(jì)算機(jī)為中心進(jìn)行信息交互。屬于典型的集中式系統(tǒng)架構(gòu)。

4 分布式架構(gòu)及其典型裝備

4.1 分布式架構(gòu)概述

進(jìn)入2005年以后，隨著總線網(wǎng)絡(luò)的引入，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)總線為信息交互紐帶的分布式火控系統(tǒng)。根據(jù)火控系統(tǒng)功能要求，各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以星型或總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)接入火控系統(tǒng)。該階段火控系統(tǒng)特點(diǎn)為：面向功能設(shè)計(jì)、較高的數(shù)字化程度、較高的自動(dòng)化水平、信息共享能力有所提升。代表裝備有炮兵、防空兵、裝甲兵的信息化改進(jìn)項(xiàng)目。

該階段火控系統(tǒng)面向功能進(jìn)行專用設(shè)計(jì)，火控系統(tǒng)各設(shè)備通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各設(shè)備獨(dú)立完成指定功能；功能與硬件架構(gòu)和通信接口緊密耦合，制約了武器平臺(tái)性能提升和功能拓展。

4.2 典型裝備介紹

炮兵某型火控系統(tǒng)如圖2所示，顯示終端、炮控系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、初速測(cè)量雷達(dá)、藥溫實(shí)時(shí)測(cè)量裝置和初速雷達(dá)等全部掛接在CAN總線上，各設(shè)備通過(guò)CAN總線，以格式化報(bào)文完成設(shè)備間通信，屬于典型分布式系統(tǒng)架構(gòu)。相比集中式火控系統(tǒng)，其信息交互方式不再通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，信息交互更加多樣化，信息綜合與共享能力顯著增加，系統(tǒng)擴(kuò)展性也更強(qiáng)。

5 綜合模塊化架構(gòu)及其典型裝備

5.1 綜合模塊化架構(gòu)概述

隨著航空電子技術(shù)發(fā)展，陸軍裝備開(kāi)始借鑒航空電子綜合模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，從面向局部功能設(shè)計(jì)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)為面向整個(gè)武器平臺(tái)資源設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)支撐平臺(tái)。航空電子系統(tǒng)中規(guī)劃了系統(tǒng)綜合化、軟件結(jié)構(gòu)層次化、功能軟件化、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一化、產(chǎn)品商用化、調(diào)度靈活化、認(rèn)證累計(jì)化和維護(hù)中央化的綜合模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)[13-15]，以核心處理單元為業(yè)務(wù)的處理中心和管理中心，同時(shí)規(guī)劃并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理模塊（Data Processing Module）、信號(hào)處理模塊（Signal Processing Module）、圖形圖像處理模塊（Graphic Processing Module）、大容量存儲(chǔ)模塊（Mass Memory Module）、網(wǎng)絡(luò)支持模塊（Network Support Module）、電源變換模塊（Power Conversion Module）。航空綜合電子系統(tǒng)的應(yīng)用表明綜合模塊化電子系統(tǒng)體積可以減少約50%、重量可以減少約30%、功耗可以減少約16%，系統(tǒng)可靠性可至少提高20倍[16]。在地面武器裝備炮兵壓制武器領(lǐng)域面向火控系統(tǒng)也開(kāi)展了綜合模塊化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，并逐步應(yīng)用于陸軍地面武器裝備中。其特點(diǎn)是綜合程度高、易于形成模塊化通用貨架產(chǎn)品、資源節(jié)約、軟硬件可擴(kuò)展性強(qiáng)、規(guī)模效益巨大。典型綜合模塊化架構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)以綜合處理單元為業(yè)務(wù)和管理的中心，通過(guò)統(tǒng)一共享的網(wǎng)絡(luò)接入外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器。

5.2 典型應(yīng)用

以炮兵某火控系統(tǒng)為例，以“跨平臺(tái)、開(kāi)放性、可重構(gòu)、高軟硬件復(fù)用率、高任務(wù)可靠性”為需求牽引，按照“解耦+重構(gòu)”設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了具有功能綜合化、軟件結(jié)構(gòu)層次化、資源模塊化和模塊通用化的火控系統(tǒng)。綜合模塊化技術(shù)架構(gòu)改變了傳統(tǒng)火控系統(tǒng)按功能劃分子系統(tǒng)或設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，以“解耦+重構(gòu)”為核心思想，面向資源進(jìn)行解耦和系統(tǒng)分區(qū)劃分，以信息處理、信息顯示、信息交換、信息采集、信息傳輸、信息轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行分區(qū)。將信息相關(guān)的通用部分進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，形成基型系統(tǒng)加功能組件的綜合模塊化火控系統(tǒng)架構(gòu)。

5.3 擴(kuò)展應(yīng)用

防空某型武器按照綜合模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，以綜合處理單元為核心，以通用終端為人機(jī)交互接口，采用統(tǒng)一的“任務(wù)網(wǎng)+控制總線”雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，駕駛艙、后艙、動(dòng)力艙和上裝傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為功能組件通過(guò)總線數(shù)據(jù)適配器接入基型系統(tǒng)，搜索跟蹤雷達(dá)、光電跟蹤系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)等分系統(tǒng)直接接入基型系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

6 分布式綜合模塊化架構(gòu)

火控系統(tǒng)作為武器平臺(tái)信息的交匯點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，其功能性能緊密結(jié)合武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用特性[17]。隨著火控系統(tǒng)功能不斷增加、信息量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，火控系統(tǒng)的外延和內(nèi)涵也不斷擴(kuò)大至全車綜合電子系統(tǒng)[18]和武器平臺(tái)信息系統(tǒng)[19]，綜合模塊化火控系統(tǒng)將升級(jí)發(fā)展為分布式綜合模塊化武器平臺(tái)信息系統(tǒng)，由原有的僅處理火控信息，提升為火控信息、車輛信息、平臺(tái)指揮信息、傳感信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用與顯示，以此實(shí)現(xiàn)武器平臺(tái)信息資源的統(tǒng)一管理、配置和共享。

典型分布式綜合模塊化架構(gòu)如下頁(yè)圖5所示。該階段的火控系統(tǒng)局部采用綜合模塊化架構(gòu)，系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，可在保證系統(tǒng)信息高度共享的同時(shí)，保證各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，滿足差異化安全等級(jí)要求。同時(shí)為系統(tǒng)提供完善的隔離機(jī)制，保證系統(tǒng)高度綜合的同時(shí)，具有通過(guò)軟硬件隔離方法阻止故障蔓延的能力[20]。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息體系對(duì)戰(zhàn)斗協(xié)同的需求，系統(tǒng)提供資源的虛擬化能力和軟件服務(wù)化封裝技術(shù)，可提供車際間資源共享和柔性重組，提供車際間互聯(lián)互通互操作能力。武器火控系統(tǒng)開(kāi)始向面向未來(lái)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的平臺(tái)信息系統(tǒng)發(fā)展，其特點(diǎn)是信息與火力緊密鉸鏈、裝備資源“解耦”和網(wǎng)絡(luò)化共享、武器平臺(tái)自主協(xié)同和國(guó)產(chǎn)化程度高等。

7 結(jié)論

梳理了陸軍地面武器火控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并針對(duì)每個(gè)發(fā)展階段介紹了架構(gòu)特征和典型裝備，總結(jié)了各個(gè)階段火控系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)規(guī)劃了未來(lái)分布式綜合模塊化架構(gòu)在火控系統(tǒng)中的應(yīng)用。從火控系統(tǒng)各個(gè)階段的發(fā)展來(lái)看，信息的共享程度、共享效率與故障隔離問(wèn)題是系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)，隨著未來(lái)信息的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)和模型的重要性將日益增大，如何利用武器平臺(tái)信息系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)信息，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的價(jià)值提煉與應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合人工智能方法建立武器平臺(tái)信息系統(tǒng)智能故障診斷，為分布式綜合模塊化系統(tǒng)提供完善的故障檢測(cè)、隔離機(jī)制，進(jìn)而提升武器效能，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。