车载顶置武器站发展综述

毛保全，吴永亮，高玉水，但 伟，雷发权

(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072;2.装甲兵工程学院科研部，北京100072;3.中国华阴兵器试验中心，陕西华阴714200)

装甲战车发展至今，在火力、防护以及机动性上都达到了极高的水平。尽管如此，它们仍然存在2点不足:一是车载自动武器的观察、瞄准和射击均采用原始的手动操作，反应时间长，射击精度低，对乘员的要求高;二是操作手在操作这些武器时必须将上身探出车外，完全失去了装甲防护，大大降低了战场生存能力，这在城市巷战中表现得尤为突出［1］。为解决这些问题，国外近年来竞相推出了顶置武器站，它是配备多种类型武器，具备目标搜索、识别、跟踪、瞄准、射击等遥控操作功能，可安装在多种军用平台上的相对独立的模块化武器系统［2］。

与传统的车载自动武器相比，车载顶置武器站集成了先进态势感知技术和火控系统，具有可车内遥控操作、射击精度高、高低射界范围大、模块化程度高、适装性强等诸多优点［3］，现已成为世界各国积极研发和装备的对象，在装甲车、主战坦克、无人地面车辆等多种地面作战平台上都可以看到它的身影，美军和以色列国防军已将其投入实战应用［4］。

车载顶置武器站一般由火力系统、火控系统和辅助装置组成［5］，如图1所示。火力系统包括武器子系统、架座子系统，其中武器子系统可配置各种口径机枪、自动榴弹发射器、机关炮以及导弹等。火控系统主要用于实现武器的遥控操作、目标的昼夜观测、弹道解算、稳定控制等，包括观瞄子系统、伺服控制子系统、火控计算机和操控终端，其中观瞄子系统可配置光学瞄准具、CCD摄像机、热像仪和激光测距仪等。辅助装置主要包括电源子系统、旋转连接器、接插件及线缆等。

图1 车载顶置武器站的一般组成

按照系统组成，以下从火力系统和火控系统这2个主要组成部分来论述车载顶置武器站近年来的研究进展，探讨未来的发展趋势及其技术实现途径。

1 火力系统现状

1.1 武器子系统

为了满足城市、山地环境下高强度作战需求和反恐、防暴、维和等低强度需求，实现对不同目标的有效打击，要求武器系统必须具备多样化的火力打击能力。如:在城市、山地环境下打击有生力量时，可使用大口径机枪、小口径自动炮;在打击坦克、装甲目标时，可使用反坦克导弹;在执行防暴、维和任务时，可使用小口径机枪、烟幕发射器等。

表1为国外典型车载顶置武器站的武器配置表［6-10］，可以看出:国外车载顶置武器站普遍采用多样化的武器配置，配备的武器类型包括各种口径机枪、榴弹发射器、小口径自动炮、反坦克导弹等。为了提高车载顶置武器站对简易爆炸装置的毁伤能力，以色列为其RCWS-30车载顶置武器站配装了“雷神”定向能武器，该武器是一种高能激光器，可以在安全距离范围内导致未爆炸的弹药或简易爆炸装置烧毁或者降级爆炸，从而使之丧失攻击能力。瑞典则将防空导弹集成到TRACKFIRE车载顶置武器站上，实现对低空目标的打击，这为解决坦克、装甲车辆的低空防御问题提供了参考。为与武器相匹配，车载顶置武器站还配有一个大容量弹箱，其容弹量通常为传统容弹具的数倍，安装于车外架座上，可与武器站同步旋转和俯仰。只有少数车载顶置武器站采用弹箱内置的方案(如瑞典TRACKFIRE车载顶置武器站)，这有利于操作手在装甲防护下完成弹药装填，避免了因车外补弹造成的人员暴露问题。

表1 国外典型车载顶置武器站的武器配置

1.2 架座子系统

架座子系统用于安装各种武器，一般由摇架、托架、座圈、缓冲器、平衡机等组成。为了实现火力的多样化配置和各种武器的快速更换，国外车载顶置武器站通常采用通用武器架。比利时最新设计的通用武器架能安装不同口径机枪或是40 mm自动榴弹发射器，而且还能配合新型的软枪座进行使用［11］，使武器后坐力更小。以色列RCWS-30车载顶置武器站采用独特的升降式支座机构，可将武器升高，增大俯仰角，进入射击状态;亦可降低武器高度，转入运输状态。此外，通用化座圈也被国外车载顶置武器站广泛采用，这十分有利于武器站在各型装甲车辆上的安装。

2 火控系统现状

2.1 观瞄子系统

在未来战争中，夜间或恶劣天候条件下的作战将更为频繁，巷战环境下的狙击手目标和简易爆炸物将更为普遍。为满足战场需求，国外车载顶置武器站的观瞄系统通常配备彩色摄像机、热像仪、激光测距仪及稳定系统，有些还可以选装狙击手探测系统和简易爆炸物探测系统，使其具备了全天候、全方位的快速观察和精确瞄准跟踪能力，表2为国外典型车载顶置武器站观瞄系统的配置表［6-11］。

2.1.1 先进光学设备

从表2可看出:为了提高观瞄系统的精确度，各国在改进或研发车载顶置武器站时都采用了光电设备最新的研究成果。美国对CROWSII进行改进升级时，将冷却式热成像仪替换为更先进的TIM1500非冷却式双视场热成像仪［12］，使系统的功耗更低、质量更小、灵敏度更高，成像性能大幅提升，具备了全天候及不良条件下识别1.5 km处目标的能力。德国FLW200车载顶置武器站配备了先进的1级(CLASS 1)护眼型激光测距仪，它是根据拉曼频移效应原理，将激光波长从对人眼有害的1.06 μm转换到对人眼安全的1.54 μm，有效解决了传统激光测距仪在军事训练时对人眼伤害大的问题，同时也大大提高了对战场烟雾的穿透能力［13］。比利时ARROW-300车载顶置武器站配备的光电系统，还具备自动除冰、除雾和自稳定能力，提升了装备对恶劣天候的适应能力。

表2 国外典型车载顶置武器站观瞄系统的配置

2.1.2 狙击手和简易爆炸物探测系统

为提高车载顶置武器站探测狙击手的能力，美军在改进通用车载顶置武器站时加入了“尖兵”反狙击手系统，该系统通过接收并测量狙击步枪的枪口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置［14］，原理如图2所示。弹丸击发后，形成以声速向外传播的枪口冲击波，弹丸在飞行过程中与空气摩擦产生的涡流、激波和飞行噪声也在空中传播，通过布置一系列声传感器精确测定冲击波到达各传感器的时间差，再采用广义相关时延估计方法和多元定位算法，就可以精确计算出狙击手位置以及弹丸飞行速度、枪械口径等信息。加装“尖兵”系统的车载顶置武器站反应迅速、打击精准，能有效对付巷战中的狙击手，在美伊战争和黎以战场上都有上佳表现。

随着战场态势的多样化，来自简易爆炸装置的威胁将不断增加。为此，英国和瑞典协力将简易爆炸装置远距离探测能力集成到了车载顶置武器站上，该探测技术基于拉曼散射原理，通过检测物体反射的光来确定其分子结构，将获得的分子结构特征与数据库中存储的资料进行对比，就可鉴别出相应的化学物质。但一般情况下，拉曼光谱的散射强度较弱，如何增强其光谱强度是近年来拉曼光谱研究的关键问题之一［15］。

图2 声探测定位系统原理

2.2 伺服控制子系统

车载顶置武器站在研发过程中，大量移植了车载武器的先进技术，在继承先进的基础上不断进行改进，伺服控制子系统也不例外。马晓军等［16］从动力系统和控制系统2个方面全面综述了国内外在炮控系统全电化及其数字控制方面的最新研究进展，本文主要结合车载顶置武器站的结构和性能特点，针对其中的不同之处进行阐述。图3为车载顶置武器站伺服控制子系统的工作原理，其主要由伺服驱动控制箱、功率放大装置、伺服驱动电机、伺服传动装置、传感器组、伺服稳定系统等组成。

图3 伺服控制子系统的工作原理

2.2.1 伺服驱动电机

表3为国外典型车载顶置武器站伺服机构的部分技术参数，可以看出:车载顶置武器站通常可以360°回转，而且高低俯仰的范围非常大。武器站在发现目标后通常以高速转向目标，在接近目标后以低速精确跟踪目标，这就要求电机及驱动装置具有良好的平稳性和调速能力，如调速范围宽，启/制动时间短，超低速运行时转矩脉动量小等。武器站射击时的高频强载荷也对电机的机械特性、抗过载能力、使用寿命等提出了较高要求。基于以上要求，无刷直流电机正被广泛用于车载顶置武器站的伺服控制［17-18］，FLW200 武器站、ARROW-300 武器站都采用了24～28 V的无刷直流电机作为驱动电机［19］。

表3 典型车载顶置武器站伺服机构的部分技术参数

2.2.2 伺服传动装置

车载顶置武器站大多采用由多级齿轮组成的伺服传动装置，将驱动电机的转速从每分钟几千转降至驱动炮塔运动所需的速度。齿轮传动必然会将齿圈间隙引入传动链中，它的存在对炮控系统有2个影响:一是由齿隙期间相对运动造成的驱动延时;二是由相对运动结束时驱动部分和从动部分速度差异造成的冲击振荡［20］，这种振荡会造成炮控系统输出产生误差，严重时会使系统因极限环振荡或冲击而降低性能或失稳。因此，如何减小齿隙、提高传动精度成为近年来传动装置研究的一个重要课题。有学者［21-22］提出采用多电机驱动来消除齿隙的方法，即通过2个驱动电机对同一从动轴施加大小相等、方向相反的偏置力矩来抑制齿隙的影响。这种驱动模式克服了传统单电机驱动来时齿隙期间存在的不可控性，但在系统运行过程中，实际参与的驱动轴数往往呈现出波动状态，致使其难以完全消除齿隙影响。针对这一问题，可采用Backstepping方法，通过逐步选择控制Lyapunov函数，设计一个基于双电机驱动系统状态反馈的自适应控制器来抑制齿隙影响，同时保证系统的渐进稳定［23］。

除了提高传动精度，强度设计也是传动装置亟需解决的问题。车载顶置武器站射击时，由于武器身管轴线与摇架旋转耳轴中心线往往不重合，存在一个很强的翻转力矩，会对高低向传动装置形成强烈的短时冲击，严重影响传动装置的寿命和武器的连发射击精度。这种现象在配备大口径机枪和小口径自动炮的武器站上表现得尤为明显，在研制中也有被冲击损坏的实例。为避免冲击对传动装置的损伤，一方面应提高装置本身的强度，如增大齿轮-齿弧接触面和强度;另一方面应在传动装置中设计缓冲环节，减小冲击力。

2.2.3 伺服稳定系统

配备先进的伺服稳定系统是目前各国提高车载顶置武器站行进间射击能力和远距离精确打击能力的主要途径。美军在改进通用车载顶置武器站时，加装了DSP-3000高性能光纤陀螺系统［24］，它是稳定系统的核心部分，可为武器站提供精确的光学稳定和武器后坐力控制，无论车辆是静止还是运动，都能够精确打击目标。目前，体积更小、成本更低、稳定性能更优越的光纤陀螺正被设计研发，以适应未来车载顶置武器站的发展［25］。

2.2.4 控制策略

车载顶置武器站是典型的非线性时变系统，如武器系统发射时受到的后坐冲击力，耳轴与架座以及架座与车体之间存在的摩擦力矩，伺服传动装置存在的齿圈间隙、弹性形变，车体振动对武器的影响等都具有非线性、时变性的特点，另外，当武器处于不同射频、射角时，平台转动机构的转动惯量也各不相同［26］。在此情况下，应用传统的PID控制算法对其进行稳定控制难以补偿各种非线性因素的影响，通常只能以牺牲响应频带、降低开环放大倍数来换取系统的稳定性，由此也造成系统动态响应慢、低速稳定性能差等问题，这已成为制约系统性能进一步提升的瓶颈之一。

随着现代控制理论的发展，自抗扰控制、模糊神经网络控制、滑模变结构控制等现代控制方法正不断被用于系统的非线性补偿控制［27］。部分学者［28-29］提出将PID控制与模糊神经网络相结合，利用多层神经网络提取模糊控制规则，构建模糊神经网络控制器，根据偏差和偏差变化在线调整PID控制器的3个参数，则能克服传统PID控制常出现的超调量大、动态响应慢、系统鲁棒性差等缺点，而且通过试验已证明系统能满足车载顶置武器站伺服控制反应速度快、定位精度高以及抗冲击、抗干扰能力强的要求。

2.3 操控终端

车载顶置武器站的操控终端通常由显示器、控制面板、操纵手柄组成，如图4所示，它是乘员与武器系统之间实现双向信息交流的接口，也称为人机界面。随着人机工程学的发展，人机界面将更加直观、准确地向乘员传递武器系统的工作状态，乘员能随着战场态势的变化，适情、迅速地做出决策，通过操控终端发送指令至执行机构，完成作战任务。车载顶置武器站除了能通过平板显示器和操纵手柄来完成目标的瞄准和射击以外，有些还可以使用头盔式瞄准系统来实现瞄准［30］，该系统能随同乘员头部的转动搜索、跟踪和瞄准目标，全过程不需要乘员的手动操纵，这样既简化了瞄准过程、缩短了瞄准时间，又减轻了乘员负担，当乘员处于炮塔外面时，同样能保持对武器系统的指挥和控制。

图4 操控终端示意图

除以上所述，车载顶置武器站的配套系统也在不断地改进和发展，如:作战软件的升级使武器站具有了自动识别、自动跟踪等自动化功能;防护装甲的加装使武器站的防护能力得到加强;通用直流电源的采用使武器站的“即插即用”能力进一步提升等。

3 车载顶置武器站的发展趋势与技术实现途径

随着未来战场背景的复杂化和战场目标的多样化，车载顶置武器站要继续保持对目标的精确观察、瞄准以及快速、准确打击，需要采用多种先进技术来进一步提高系统的态势感知能力、高精度打击能力、多用途作战能力以及作战效能。

3.1 采用先进光电技术，提高态势感知能力

未来战场背景复杂化的趋势越发明显，电磁干扰、烟、雾、遮蔽物的大量存在严重制约了车载顶置武器站态势感知能力的发挥。除此之外，战场目标的多样化也对武器站的态势感知能力提出了更高要求。因此，开发先进的态势感知技术并将其应用到车载顶置武器站上，是其发展的重要趋势之一，越来越多先进的光电系统，如新型热像仪、反狙击手声学系统、直升机探测系统等将被集成到车载顶置武器站上。如美国最新的Voyager热成像仪，它内置2只红外线热成像镜头和1只高倍率、低照度可见光摄像机，在全黑、烟雾和薄雾条件下均可提供清晰图像，在防震、防冲击及防沙/尘/冰方面，均符合MILSTD-810(E)的军工标准。Voyager采用精密的云台系统和陀螺稳定仪，很容易跟踪快速运动目标，且陀螺稳定仪补偿了武器平台的晃动，使用户在行进中仍然能看到稳定的图像。

3.2 采用先进伺服控制技术，实现高精度打击

在未来战争中，车载顶置武器站需要具备在各种复杂路面和高机动条件下对运动目标实施准确打击的能力，这对系统的稳定精度、反应速度和抗扰能力等提出了更高的要求。采用先进的伺服控制技术是满足这些要求的技术手段之一，目前研究的方向主要集中在高精度伺服传动机构和先进控制结构、控制算法上。

在高精度伺服传动方面，主要研究消隙机构或者无间隙传动，如采用扭簧加载双片齿轮进行齿轮消隙，它是利用扭簧张力，使一薄片齿轮的左侧和另一片齿轮的右侧分别紧贴在主动齿轮的齿槽左右两侧，通过错齿来达到消隙目的。这类齿轮在理论上可以消除自身所引起的间隙，但不能完全消除轴承及其他因素所引起的齿隙，所以传动间隙还会存在。要实现无间隙传动，可采用新型的特种结构电机，如具有直接驱动负载功能、低速性能好、调节特性和机械特性线性度好的直流力矩电机。将电机定子与车载顶置武器站托架装成一体，其转子与摇架固定，不需动力传动机构，可实现高低向控制;将定子与车体固定，转子与炮塔固定，就可实现水平向控制。由于没有传动机构，就不存在齿隙和齿轮弹性变形引起的误差，很好地提高了传动精度，又增强了机械耦合刚度，同时系统的响应速度也将大幅提高。

在控制结构和控制算法方面，主要研究精度高、实时性好的信息检测装置、状态估计方法以及先进的补偿算法。以用于信息检测的光纤陀螺为例，它具有成本低、可靠性高、灵敏度高的特点，在技术指标和环境适应性上相比微机电式陀螺仪都具有较大的优势。通过信息检测和估计，实时获取系统的状态变量和参数，并以此为基础开展补偿算法研究，实现对各种非线性影响因素的补偿。

3.3 采用模块化技术，提升多用途作战能力

随着战场需求的不断变化，车载顶置武器站将更加注重模块化设计，它包括系统结构的模块化和软硬件的模块化。系统结构的模块化要求系统具备开放式结构，保证系统易于增加功能模块、易于升级和技术改造，它是火力配置多样化的基础，也是武器站具备多用途作战能力的保证;软硬件的模块化则注重功能的集中体现，常采用通用任务模块来覆盖各分系统或子系统的功能。瑞典TRACKFIRE车载顶置武器站就是典型的采用模块化设计的武器系统，图5为其模块化配置简图，用户可根据不同的作战需求，选择合适的武器、观瞄、弹箱模块和通用架座进行快速装配。

图5 TRACKFIRE车载顶置武器站模块化配置简图

3.4 采用智能化技术，全面提升作战效能

车载顶置武器站的智能化研究，一方面是积极开展智能化车载顶置武器站的体系结构、模型辨识、信号处理、控制与优化等方面的理论研究，不断推进装备的智能化进程;另一方面是通过装备新型光电传感器、战场管理系统等，不断提高操作智能化和指控一体化水平，同时对纳入战场管理系统的车载顶置武器站实现网络化信息共享，使其成为一个网络节点，具备网络战能力，全面提升系统的作战效能。发展自动跟踪型车载顶置武器站是近年来的重要趋势之一，这类武器站的作战顺序被描述为是直截了当的，它减少了传感器和射手之间的信息循环，目标一经确定即对其进行严密跟踪，目标距离通过激光测距仪获得，方位角和高低角数据由火控计算机自动增加，不需要人工干预，操作手只需要打开武器的保险并执行发射操作即可，可极大地提高系统的操作智能化水平。

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