火炮信息化发展现状及关键技术分析

张 卓，矫庆丰，盖敏慧，查婷婷

(1. 西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.中国兵器科学研究院，北京 100089)

现代战争是信息化战争，强调信息主导、体系对抗、精确作战，以整体抗衡“高效型”战争的新颜替换了单打独斗“高耗型”战争的旧貌。在信息化作战中，由于信息技术的支撑，其战场表现形式在作战行动、组织机构、能量释放等不同侧面呈现出一体化、网络化、精确化的鲜明特征。具体来说就是通过网络将分散在各个节点或终端作战力量联为一体，在预定的时间，精确作用于预定的目标，取得最大的作战效果[1]。

信息化战争强调先发制人，速战速决，要求火炮随时准备在复杂的环境下进行作战，这对它的侦查预警、指挥控制、快速反应、精确打击、自身生存能力以及后勤保障都提出了严峻的挑战。火炮必须信息化，才能符合一体化联合作战的要求，适应战争环境，克敌制胜[2]。笔者就国内外火炮信息化发展现状进行了简要论述，并对实现火炮信息化所要采用的几个关键技术进行了分析。

1 火炮信息化发展现状

火炮具有火力密集、反应迅速以及抗干扰能力强等特点。进攻时用于摧毁敌方的防御设施，杀伤有生力量、装甲车辆等运动目标，压制敌方的火力，实施纵深火力支援，为后续部队开辟进攻通道；防御时用于构成密集的火力网，阻拦敌方从空中、地面的进攻，对敌方的火力进行反压制；在国土防御中用于驻守重要设施，进出通道及海防大门[3]。近年来，各国十分重视火炮的发展，凭借各种新技术对火炮进行信息化建设。

1.1 国外火炮信息化发展现状

提高火炮信息化水平的主要途径有两种：一种是对现有武器平台进行嵌入式改造；另一种是研制全新的武器系统。外军炮兵一般选择具有一定发展潜力的武器平台进行信息化改造。现有装备经过以信息技术为主的嵌入式综合集成后，能够实现和其他武器系统之间信息获取、传递和处理的一体化，更好地满足联合作战的需求。

美国陆军自20世纪70年代初期开始对 M109式155 mm自行榴弹炮实施一系列重大改进。M109A1至M109A5的改进将重点放在提高可靠性和射程上。M109A6和M109A7的改进则以全面提高杀伤力、生存能力、反应能力和整个系统的可靠性及信息化作战能力为目的，显示了高新技术，尤其是信息技术的应用所带来的质变结果。M109A6加装了多种数字化装备，如自动化火控系统，定位导航系统、自动定位装置和通信管理系统。M109A7在M109A6的基础上进行改进，主要体现在炮塔、火控系统和动力系统等方面。M109A7炮塔的液压冲程输弹机改为电动输弹/退弹机，采用最新型数字火控系统，并用目前生产型模块装药系统代替效率不高的老式药包装药，发电能力更是提高到70 kW，用来满足未来指挥、控制、通信和计算机设备增加的需求。

1.2 国内火炮信息化发展现状

通过近年装备信息化技术攻关、预先研究、演示验证和以某项目为代表的工程型号研制，武器装备在数字化、网络化方面已具备了一定的基础，实现了车内信息总线化、车外信息网络化，在乘员综合操作控制与显示、探测感知、信息融合处理以及自动化控制等方面取得了初步成效和经验，使装备的信息化水平有了一定提升。但是，随着信息技术的不断发展和我军对装备信息化需求的不断提升，尤其是一体化联合作战对武器装备作战使用、任务和功能提出了更高的要求，目前在信息化顶层设计、平台信息一体化控制、信息获取与传输、信息融合与综合控制、新型总线网络应用、人机交互等总体技术方面，在炮塔自动操控、具备动态寻北的光纤捷联式定位定向、高精度快速自动瞄准、弹道测量与修正、大功率高精度全数字随动和故障检测诊断等单项技术方面，还存在差距，网络化作战、信息共享、信息处理以及智能化控制等方面还有待提高，系统的反应速度、瞄准精度、机动定位精度及综合防护能力还有提升的空间。

2 火炮信息化关键技术分析

火炮是一个大系统，牵涉多种学科、多种理论和多种技术，不是用一项新工艺或新材料对某些重要部件进行单项改进就能提高整体战斗性能的，而是必须强调横向技术一体化，把完善系统，提高总体战斗效能作为火炮研发的重点。各国火炮信息化武器平台的发展均是利用高速数据总线、数字通信处理、智能控制等技术，将探测传感装置、平台控制装置、电源管理装置等组成一个一体化控制系统，通过先进的车内外通信体系，确保平台内、平台间以及与上级的纵、横向互联，使数字化武器平台融入到整个信息化战场中，成为战场信息网络的一个节点，使其具备信息化条件下联合作战能力，从而提高平台综合作战效能。笔者选取实现火炮内部信息传输的总线网络和图形化操作界面技术，以及实现火炮与外界信息交互的通信技术进行分析。

2.1 总线网络技术

随着火炮中电子控制单元数量越来越多，功能日益复杂，总线通信数据量不断增大。数据传输网络对通信容量、实时性、确定性、成熟性、可靠性(余度或冗余技术)和部署成本等都具有较高的要求。此外传输网络还要满足平台内部实现一体化、综合化、信息共享和多元多层次信息融合的需要。由于以太网具有多址接入、高速宽带、灵活可靠及总线节点接口通用等技术优势，多年来其得到了稳定发展和广泛应用。在以太网的基础上，作适当的修改使其满足火炮内部平台数据传输的要求。以此构建火炮内部平台主干网络，以交换机为中心，采用星形网络拓扑结构。全炮各分系统的装置和设备通过连接交换机的端口接入总线网络。各类数据通过交换机进行交换和分发。为满足火炮内各类数据信息快速、可靠传输，必须采用时间同步的数据传输机制和余度设计的方法，并对不同类型的数据采取有效的服务质量控制措施，实现为多元信息提供等级化、差别化的通信服务。

2.1.1 时间同步的数据传输机制

为保证实时数据的传输质量，同时尽量降低系统对专用技术和专用硬件的依赖，总线网络可以采用全系统时间同步的数据传输机制。具体实现方法是通过同步帧在网络中广播实现。在总线网络中，同步帧由总线网络交换机内部管理节点发出，并实时地分发到网络中的每个终端节点。终端节点在接收到同步帧后，可根据帧内包含的时间信息进行同步。如图1所示，每个通信周期都是由交换机发出的同步帧发起的，并且不断循环。专属时隙为终端用于实时数据帧通信的独享时间间隔，以保证不同类型的终端都具备充分的时间响应能力。网络终端在收到交换机发出的同步帧后，根据预先安排的时隙分配表，决定在本周期内的具体发送时刻，并设置软/硬件定时器，在定时器计时到达时传输实时数据。

2.1.2 余度的设计方法

网络采用余度设计的方法对抗单点故障问题，使用两台交换机，采用聚合链路将其背对背连接。各网络节点安装两块网络接口卡，并通过独立电缆分别连接到两台交换机上，从而有效保证网络传输可靠性。

2.1.3 服务质量控制措施

导致交换式以太网性能恶化的主要原因是交换过程输出端口的拥塞问题。通用以太网交换机在处理拥塞时通常采用先入先出原则，因此可能出现实时性或优先级高的数据排在低级数据后面，导致服务降级。当拥塞时间较长时，由于交换机缓冲队列的长度有限，还可能发生队列溢出，此时交换机将直接丢弃排在队尾的数据，造成队尾丢包。可以通过3种措施处理交换拥塞问题：通过网络数据流前期规划，控制全网共享带宽的占用率，避免网络发生长时拥塞；通过交换机Diff-Serv监管器实现数据流的带宽控制，避免异常情况下超流量数据对其他数据的影响；采用基于优先级的流量调度算法，对各类流实现合理调度，提供等级化的服务质量保证。

2.2 人机交互图形化界面技术

人机交互界面正处于图形用户界面阶段，并逐步向以网络用户界面以及多通道、多媒体的智能人机交互阶段发展。火炮人机交互应以优化乘员任务分工和易于向无人炮塔移植为设计目标，采用模块化方式构建通用集中显控装置，其硬件由显控单元组合构成多屏人机交互界面。显控单元可随意组合、拆分，其外形尺寸、操作方式以及界面风格基本一致，采用总体制定的标准电气、机械接口和软件通信协议。火炮人机交互涉及到的主要内容包括战场态势图、控制任务界面和软硬件支持。

2.2.1 战场态势图

采用基于战场态势图的可视化显控界面，将作战任务、定位定向导航、电子地图、火炮状态、战场态势、通信指挥以及操作策略进行集中显控，将信息尽量以图形的方式进行显示，使乘员能快速掌握战场态势及本炮状态，迅速对作战任务进行决策，缩短火力打击的反应时间，达到信息化的本质目的，战场态势图能够以软件模块的方式嵌入显控单元。

2.2.2 控制任务界面

改变传统的“数据+指示灯”的人机交互显控界面设计方式，采用图形化操作界面技术实现主要控制任务的人机交互，使乘员更快速、直观地了解火炮任务的执行情况，实现火炮状态的可视化监控，并结合操作控制策略，提高系统的智能化程度，达到降低乘员操作强度的目的。

2.2.3 软硬件支持

为达到显控单元通用化和模块化的目的，采用国产嵌入式实时操作系统和国产化的嵌入式视窗技术构建人机交互界面。高可靠、强实时的国产嵌入式实时操作系统，能根据需要对操作系统内核进行配置、裁剪、扩展与定制，提供符合实时规范的接口，支持多种主流的硬件体系结构并提供典型的设备驱动。实时响应时间为微秒级，系统最小配置小于20 KB。国产嵌入式视窗软件构件是面向实时嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统，具有良好的软件架构，可在目前主流操作系统平台上运行。

2.3 无线电通信技术

现代战争中，战场电磁环境复杂、恶劣，再加上频谱资源的紧缺，传统无线电通信系统的质量面临巨大挑战[4]。因此，近年来软件无线电和认知无线电逐渐兴起。软件无线电是在传统无线电上增加软件体系结构，具有高可配置和软件升级能力，提供可变的服务质量保障范围，支持协议和接口可变。认知无线电是具有智能、感知、学习和观察能力的软件无线电，自身能够创建新的波形，可以根据应用指定的信号环境调节自身运行，以满足服务质量的要求[5]。

实现认知无线电通信系统的关键是频谱感知技术。目前，最常用的频谱感知算法有能量检测法、循环平稳特征检测法、无线电标识检测法、匹配滤波器检测法、波形检测法[6]。这几种频谱感知算法的性能比较如图2所示。

能量检测法是使用普遍的信号检测方法，由于接收机不需要主用户的先验知识，计算量和实现复杂度都较低，通常用于初步感知阶段。循环平稳特征检测法感知调制信号相关函数的周期性，计算较复杂，效果很好。但是，该方法对采样时钟的精确度要求很高，时钟存在误差，性能就会急剧下降。无线电识别检测法和匹配滤波器检测法均要知道用户信号的所有特征(带宽、工作频率、调制方式、脉冲成形、数据帧格式等)，而且本身算法的复杂度很高，执行各种接收机算法对能耗需求大。波形检测法的相关处理过程中利用了先验确定的信号分量，故波形检测法对频谱感知的准确度要高，但是需要事先知道接收信号的先验知识。综上所述，一般会根据通信系统的特征选择检测方法，并加以适当的改进。

3 结束语

现代战争已不再是“人力消耗战”和“钢铁消耗战”，而是运用各种高科技的海陆空多位一体局部战争，也不再以攻城夺地、消灭有生力量为主要目标，而是强调精确打击和杀伤效果，避免误伤。认清现代战争特点，更新火炮发展观念，是实现火炮信息化的前提。当今世界已进入信息网络时代，火炮通过信息化集成改造，成为集目标侦察、威胁判断、情报处理、信息传递、弹道计算、火炮发射、目标杀伤效果评估、模拟训练以及试验检测等高新技术为一体的自动化火炮。它作为军队在现代战争中作战体系强有力的一个环节，与其他作战装备紧密合作，快速高效地完成各项作战任务。

参考文献(References)

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