現代陸戰平臺電子信息系統的中國觀
來源:中華網 更新時間:2012-04-15

 陸戰平臺是各型譜坦克、自行火炮、步兵戰車的統稱。現代陸戰平臺的主要電子信息系統,在不同的發展階段有不同的構成:在20世紀70~90年代是數字式火力控制系統,90年代至今發展為火力控制系統和車載指揮控制系統;而未來,陸軍各型戰車將整合成多種型譜的有人、無人戰斗平臺(美軍稱之為“未來戰斗系統”),除發展火力控制、指揮控制等系統外,還要增加網絡通信等功能系統。  

  電子信息系統是現代陸戰平臺中發展最快、最具潛力的系統。從本質上說,由于電子信息系統與飛速發展的信息技術有著天然的親和力,陸戰平臺許多新增的作戰功能都是通過電子信包系統的融入來實現的。例如,早期的炮控系統只是一種機電類的控制系統,經過信息化改造成為火力控制系統后,使陸戰平臺的火力性能得到突飛猛進的發展。一個必然的趨勢是,陸戰平臺電子信息系統的功能將愈來愈多、結構也將愈來愈復雜,它的現狀和未來引起了業內外人士的廣泛關注。

  圍繞控制主線發展陸戰平臺火控系統

  早期的坦克火控系統著重解決火炮射出中的彈道解算與運動目標的提前量計算問題。當火控系統中引入微型數字計算機后,上述任務可以輕易地通過軟件來實現,火控系統發展的主流方向便轉移到系統的控制功能上。對此,中國相關工程技術界首先對此提出了控制主線的概念。

 什么是控制主線?陸戰平臺在射擊目標時,火控系統先通過光學瞄準鏡瞄準、跟蹤目標,構成瞄準線;在獲知目標距離和運動速度后,火控計算機求出射擊諸元(即火炮高低向和水平向的射角),然后控制火炮(軸線)實施射擊,戰車火控系統的一個重要發展方向是目標自動跟蹤,即在瞄準鏡前端安裝“目標自動跟蹤器”,在跟蹤過程中探測出目標在空間的角位置,并據此控制瞄準線。這一過程的實質是由目標自動跟蹤器實現對另一條光學軸線(即跟蹤線)的控制。上述的跟蹤線、瞄準線和火炮軸線被稱為火控系統的控制主線。

  近20多年來,火控系統的結構與功能主要是圍繞著控制主線來發展的。圖中清楚地反映出陸戰平臺火控系統沿控制主線向前發展的過程。

  圖(a)是簡易火控系統的控制主線示意圖。簡易火控系統是最早出現的數字式火控系統。它利用了炮控系統的雙向穩定性,將瞄準鏡直接安裝在火炮之上,只有控制火炮軸線,才可以通過瞄準鏡對目標進行跟蹤和瞄準。因此簡易火控系統的控制主線就是火炮軸線。這類火控系統只能在陸戰平臺停止運動的情況下,通過對炮控系統的控制來實現對目標的跟蹤、瞄準和射角裝定等功能。

  圖(b)是指揮儀式火控系統的控制主線示意圖。當光電技術發展到可實現瞄準線的獨立穩定時,就發展成為指揮儀式火控系統。它實際上是在火炮控制系統的前端安裝一個瞄準線控制系統,實現了瞄準線與火炮軸線的分離。控制主線發展為瞄準線和火炮軸線,而且火炮軸線還要從動于瞄準線。由于瞄準線的高精度穩定,它可在行進間進行跟蹤與瞄準。炮控系統除自身的火炮角度穩定控制外,在跟蹤、瞄準目標時接受瞄準線的同步控制,并承擔射角裝定任務。

  指揮儀式火控系統的出現,大大提高了陸戰平臺行進間對運動目標射擊的命中率,是當前陸戰平臺火控系統的主要型式。它還發展為雙指揮儀式火控系統(國外也稱為獵-殲式系統),實際上是就是在車長處和炮長處安裝了2個并行的瞄準線控制系統,具備車長為炮長指示目標、車長超越射擊等功能。雙指揮儀式火控系統擴大了視場范圍、加快了反應速度,能同時對2個目標進行跟蹤與瞄準,也是在陸戰平臺基礎上組建指揮控制系統的硬件條件。

  圖(c)是目標自動跟蹤式火控系統的控制主線示意圖。隨著計算機圖像跟蹤技術的發展,火控系統在瞄準線前端再安裝一個跟蹤線控制系統,實現了跟蹤線與瞄準線的分離,就成為目標自動跟蹤式火控系統。目標自動跟蹤技術在火控系統中的應用,為陸戰平臺火控系統的深層次發展提供了相當大的空間。目前除以色列、日本等少數國家已在陸戰平臺上安裝了簡易的目標自動跟蹤火控系統外,大多數國家正在開展新型系統的研制,使其具備多目標自動跟蹤、多運動目標模型假定及交互式目標信息處理(簡稱IMM)功能。雖然目標自動跟蹤式火控系統已經達到實用階段,但從發展的深度和廣度來看,仍然是戰車火控系統今后一段時間的發展重點。如果坦克火炮經過改進后,能對飛行中彈丸的基線(即系統瞄準標記與彈丸質心的連線)進行觀測與控制,就將在目標自動跟蹤火控系統的基礎上發展成大閉環式火控系統。該系統能測量目標與彈丸(基線)之間的偏差,為系統后一發彈的射擊提供準確的修正信息。

  從控制主線的角度分析和預測火控系統的發展,是中國業界近10余年形成的一種系統分析方法。它不僅是系統發展歷史規律的總結,而且是在體系結構上預測系統發展趨勢的重要依據,有助于人們掌握系統不同發展階段中的關鍵技術。如系統處于指揮儀式火控系統發展階段時,關鍵技術為瞄準線(鏡)的穩定與控制;到目標自動跟蹤系統時,關鍵技術變為目標運動圖像的模式識別、自動跟蹤與信息處理等技術。

 控制主線中各控制分系統的任務分工相對明確,有利于按控制主線的工作規律來分析系統體系結構的優劣。例如,得益于這一系統分析方法,人們發現了位于控制主線末端的火炮軸線控制是系統中最薄弱的環節。由于控制主線中各分系統是按前置或后置的方式進行系統集成的,它們之間主要以信息交換的方式進行聯系,這就有利于系統的模塊化設計,以及在陸戰平臺電子綜合化系統中的分布與配置;也有利于系統戰技指標和精度的合理分配。

 我國陸戰平臺火控系統的理論研究

  在陸戰平臺火控系統的發展過程中,火控系統的理比研究起到了重要作用。在世界范圍內,火控系統的理論研究遠遠落后于火控系統的研制。這種情況對火控系統的發展產生了非常不利的影響,造成了總體設計和新技術應用上的盲目性,系統的造價也因此居高不下。

  我國在基礎技術相對落后的情況下,加強陸戰平臺火控系統的理論研究將是趕超世界先進水平的突破日。有關院校與科研單位積極開展了相關理論課題的研究,包括建立數字式火控系統的理論體系;深入分析系統體系結構的不足和新技術的應用潛力,為火力控制系統的技術改造指明方向;對火力控制系統的發展趨勢進行了超前研究,對新系統的發展論證、設計理論、體系結構等起到了指導作用。日前,我國陸戰平臺火控系統的理論研究已初具規模,產生了有中國特色的研究成果。主要包括:

 (1)建立了數字式火控系統的理論體系。我國攻克了建立數字式火控系統理論體系的關鍵理論——射擊運動目標時的提前量求取過程的理論分析;并按火控系統沿控制主線向前發展的脈絡充實和完善了系統的理論體系,為后續理論課題的研究打下了基礎。

  (2)提出了炮控系統設計的新理論。炮控系統是火控系統的重要組成部分,又是相對獨立的一個控制系統。為使炮控系統與火控系統能夠協調工作,一直存在著如何改進炮控系統結構與功能的問題。但到目前為止,國外對炮控系統的技術改造均是按迭加多個子系統(即1+N)的設計模式進行,系統結構愈來愈復雜,造價愈來愈高。我國提出的炮控系統設計新理論,即在分析功能特性的基礎上實現了功能的綜合化設計。只采用增加1個控制器(即l+1)的設計模式進行。從而簡化了系統結構、降低了成本。

 (3)機動目標運動模型動態辨識取得了重要突破。在現代戰場上,提高火控系統對高機動目標的射擊命中率,最理想的途徑是實現對機動目標運動模型的在線辨識。這是一項世界性的難題,國外最先進的辦法也不過是以假定多個可能的目標運動模型為基礎,進行交互式的信息處理(即IMM)。我國在這一難題上取得了突破性進展,在實測機動目標序列數據的仿真條件下,實現了機動目標運動模態與運動模型的同步辨識,不久將投入實用,催生我國功能完善的自動跟蹤火控系統的誕生。

  (4)研究成功了低伸彈道火炮的通用彈道模型。現代彈丸在飛行中的彈形系數為變數,使傳統的彈道方程難以適應現代火炮的彈道計算,現有的火控系統彈道解算模型無法通用。我國研究成功用于強約束條件下低伸彈道方程實時解算的通用彈道模型,很好地解決了這些難題。在射表和彈形系數未知的情況下,只要知道了炮彈定型時的少量數據(如初速等),就可以高精度地實時完成彈道解算,使傳統彈道方程得以應用于現代彈道的解算。這一模型的另一個特點是通用性,它的解算除了與射表、彈形系數無關外,還與火炮的口徑、彈丸的質量無關。這意味著,這種通用彈道模型適用于所有的低伸彈道火炮。在未來陸軍綜合化作戰系統中,將通過火控系統的通用化設計來簡化陸戰平臺的研制過程,通用彈道模型將在其中發揮重要作用。

 (5)以命中三要素函數為基礎開展誤差理論研究。為了命中目標,火控系統應具備瞄準精確、解算正確、控制準確三個必要條件。它們被稱為命中三要素,火控系統射擊精度函數就是命中三要素的合成函數。這種方法把復雜的火控系統射擊精度問題分解為三個相對獨立的要素,通過誤差群體的分類控制達到提高系統精度的目標。就我國目前的技術水平而論,正常情況下影響射擊精度的主要誤差均是非結構性的,而是與目標特性有關的射擊誤差。

  (6)運行剖面下動力特性仿真理論研究取得成功。研制新型火控系統技術復雜、成本高、周期長,各種因素難以預測,因此研制風險大。通過火控系統半實物的實時仿真,可先期演示和驗證系統及部件的主要性能,發現和解決技術難題,降低系統的研制風險。陸戰平臺要在復雜的戰場上高機動行駛,其火控系統功能是在強烈干擾下實現的,動力學仿真理論是各種搭載系統仿真理論的基礎。而與火控系統動力特性密切相關的炮塔、火炮與瞄準線義均是獨立穩定的,除了道路的隨機干擾外還存在聯接處的隨機干擾。對于這種二次隨機效應,常用的動力特性數字仿真技術已難以適用。我國研究成功的運行剖面動力特性仿真理論解決了這一難題。

  (7)提出了火控系統總體性能仿真評估的理論途徑。仿真系統應用這一理論方法,不但可以實現新研制系統與部件的先期技術演示,還可在仿真環境下對火控系統的總體性能進行預先評估。這一功能是我國完成的與火控系統戰技性能有關的多項模型的綜合應用,這些模型包括強約束條件下低伸外彈道方程實時解算模型;實時辨識的機動目標運動模態與機動運動模型;機動目標信息處理模型;火控系統海上射擊時目標建模與目標信包處理模型;陸戰平臺火控系統射擊命中三要素函數模型及其誤差分析;陸戰平臺火控系統運行剖面下動力特性仿真模型等。



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