陆军地面武器火控系统架构发展历程*

祁志民，刘 瑞，2

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.清华大学自动化系，北京 100084）

0 引言

在计算机发展初期，以模拟计算机为主[1]，火控信息处理其计算能力有限，集成度低，各设备均由一个独立的模拟计算机组成，相互之间无信息交互，称之为分立式火控系统；随着中小规模集成电路、模拟/数字转换和逻辑控制电路的发展[2]，火控信息处理逐步开始以数字计算机为中心，外围设备以低速数字接口或模拟接口采用点对点方式连接至火控计算机，在火控计算机中进行信息融合，此阶段火控系统是以火控计算机为中心的各独立功能设备的集成，称之为集中式火控系统；随着大规模集成电路和总线技术的发展，火控系统各设备数字化程度不断提高，设备之间通过统一的数据总线交联，信息量不断增加，更大程度地实现了信息共享和后端控制[3-4]，此阶段火控系统是以人机交互终端、火控计算机构成多中心的各功能设备的总线联合，称之为分布式火控系统。

随着高带宽、强实时总线网络的逐渐成熟和计算性能的不断提升，面向功能的设计导致资源重叠和功能耦合问题日益突出，火控系统从面向局部功能设计转为面向整个武器平台资源设计，依照“集中处理-分布控制”的思想，实现火控系统功能综合化、资源模块化、软件层次化和系统组合化，最终提高火控系统“三化”水平，此阶段火控系统是以功能综合化、资源模块化为特征的基型系统与功能组件的积木式组合，称之为综合模块化火控系统。未来随着武器装备功能不断丰富、设备日益增多、信息量指数级增长和网络信息体系下武器协同作战需求，子系统采用综合模块化架构实现局部信息综合；系统采用分布式架构，实现各安全关键等级子系统的相互独立和隔离。以“局部综合-全局分布”为架构特征的武器平台电子信息控制系统，称之为分布式综合模块化平台信息系统。

1 陆军地面武器火控系统概念

火控系统是武器火力控制系统的简称，控制武器自动或半自动地实施瞄准、发射的装备总称为火力控制系统[4]。陆军主战装备火控系统通常包括了炮兵压制武器火控、防空高炮武器火控、装甲突击武器火控和工程兵武器火控等武器类型[5]。按照目标获取方式、瞄准射击方式和弹道类型可将火控系统划分为直瞄射击和间瞄射击两大类，直瞄射击火控通常是通过战车的雷达或光电探测设备获取目标信息，实时跟踪目标，并进行诸元计算，控制火炮完成近距射击；装甲火控和防空火控属于直瞄射击武器；间瞄射击通常通过指挥系统或侦查系统获取目标信息，进行目标的诸元解算，进而控制火炮完成中远距离火力打击，炮兵压制武器火控和工程兵武器火控属于间瞄射击[6]。在公开发表的文献资料中，各型武器火控系统没有确切的定义，通常以功能组成来描述各型火控系统。如坦克火控系统包括了火控计算机、目标跟踪系统（包括激光测距仪、瞄准镜）、操作控制系统（包括炮长终端和车长终端）、火炮随动系统等设备组成[7]，某型步战车火控系统包括了火控计算机、调炮控制器、炮长综合瞄准镜和姿态测定仪等设备[8]。新型坦克火控系统则包括了火控计算机（智能打击计算机、智能规划计算机等）、车长操纵台、周视镜、激光测距仪、炮控系统、各类传感器及定位定向设备等[9-10]。防空火控通常由目标探测与跟踪设备、火控计算机、通信设备等组成[11]。炮兵武器火控通常包括了火控计算机、显示终端、定位定向设备、高低方位传感器、发射控制等设备。

通常来讲，传统装甲火控系统包括了目标识别与跟踪、传输显示、镜控稳瞄、武器遥控、炮车控制、炮班通信等各类设备。防空火控系统包括目标识别与跟踪、传输显示、镜控稳瞄、炮车控制、发射控制、定位导航、炮班通信和弹上通信等。炮兵武器火控系统包含了平台指挥通信、炮车控制、发射控制、传输显示、定位导航、弹上通信设备以及各类传感器和执行机构等各类设备。虽然火控系统在不同兵种的武器系统中范畴不尽相同，但是包括了武器系统中绝大部分的电子设备，也承载了武器系统中的通信控制、目标识别与跟踪、炮车控制、镜体控制、定位导航和传输显示等最主要和最关键的作战任务，是武器系统交互控制的汇聚点和核心，是武器现代化的标志，是武器火力威力的倍增器。

2 分立式架构特征及其典型装备

早在20世纪60年代，北方自动控制技术研究所率先在火控系统中引入模拟技术和数字化技术，并先后研制了高炮数字指挥仪、地炮数字计算机和高炮模拟式指挥仪，并研制了多个系列的防空和压制武器火控系统。20世纪70年代，北方自动控制技术研究所在坦克装甲领域率先研制了稳像式坦克弹道计算机。1980年以后，随着数字计算机精度不断提高，光学器材的不断发展，引入集成电路的火控系统逐步列装。该阶段的武器系统功能相对简单，其配备的火控系统功能也较为单一，其火控系统的特点是专用性强、灵活性差、信息交换困难[12]。代表装备有早期的上光点式火控、火箭炮自动操瞄系统、上反稳像式坦克火控系统等，其装备的火控系统是以机械式和模拟电路技术为基础，为分立式系统架构。

该阶段火控系统功能简单，主要是配备了自动瞄准功能，控制设备以模拟电路为主。火控系统的传感器、控制器、执行机构均为模拟设备，人机交互接口主要是模拟式和机械式仪表，各设备相互之间互相独立，之间交联较少或基本没有，不存在中心控制计算机，信息处理能力弱，火控系统则是通过开发承载各功能设备的堆积完成系统的升级。

3 集中式架构及其典型装备

3.1 集中式架构概述

从20世纪末期至21世纪初期，随着数字电子技术和机电技术的发展，陆军地面武器装备中开始装备配备数字式计算机的武器系统，该阶段的火控系统开始以火控计算机为中心，大量接入外围的控制设备和传感器，属于典型的集中式功能系统。其特点是设备专用强、数字化程度低、信息共享能力弱、“三化”程度低，代表装备有该阶段装备部队的加榴炮、高炮和步战车火控系统等。

该阶段火控系统以火控计算机为核心，其他设备通过点对点的方式连接至火控计算机。其特点是系统架构开放性差，连接关系复杂；设备接口类型和电气参数专用性强；同时外围的非直接连接的设备组件接入系统时，必须借助中心节点转发，该接入方式增加了系统的接入难度，降低了系统的可扩展性。

3.2 典型装备介绍

装甲兵某型火控系统如图1所示，由火控计算机、炮长终端、炮控系统、镜控系统和传感器等设备组成。内部信息以火控计算机为中心进行信息交互；设备接口类型和电气参数均为定制。在执行火控系统作战任务时，作战任务指令、控制器数据、传感器数据和执行机构均以火控计算机为中心进行信息交互。属于典型的集中式系统架构。

4 分布式架构及其典型装备

4.1 分布式架构概述

进入2005年以后，随着总线网络的引入，逐步形成以网络总线为信息交互纽带的分布式火控系统。根据火控系统功能要求，各类传感器和执行机构以星型或总线型拓扑结构接入火控系统。该阶段火控系统特点为：面向功能设计、较高的数字化程度、较高的自动化水平、信息共享能力有所提升。代表装备有炮兵、防空兵、装甲兵的信息化改进项目。

该阶段火控系统面向功能进行专用设计，火控系统各设备通过统一的数据总线进行数据交互，各设备独立完成指定功能；功能与硬件架构和通信接口紧密耦合，制约了武器平台性能提升和功能拓展。

4.2 典型装备介绍

炮兵某型火控系统如图2所示，显示终端、炮控系统、定位导航系统、初速测量雷达、药温实时测量装置和初速雷达等全部挂接在CAN总线上，各设备通过CAN总线，以格式化报文完成设备间通信，属于典型分布式系统架构。相比集中式火控系统，其信息交互方式不再通过中心节点转发，信息交互更加多样化，信息综合与共享能力显著增加，系统扩展性也更强。

5 综合模块化架构及其典型装备

5.1 综合模块化架构概述

随着航空电子技术发展，陆军装备开始借鉴航空电子综合模块化系统架构，从面向局部功能设计子系统转为面向整个武器平台资源设计信息系统支撑平台。航空电子系统中规划了系统综合化、软件结构层次化、功能软件化、网络统一化、产品商用化、调度灵活化、认证累计化和维护中央化的综合模块化的系统架构[13-15]，以核心处理单元为业务的处理中心和管理中心，同时规划并设计了数据处理模块（Data Processing Module）、信号处理模块（Signal Processing Module）、图形图像处理模块（Graphic Processing Module）、大容量存储模块（Mass Memory Module）、网络支持模块（Network Support Module）、电源变换模块（Power Conversion Module）。航空综合电子系统的应用表明综合模块化电子系统体积可以减少约50%、重量可以减少约30%、功耗可以减少约16%，系统可靠性可至少提高20倍[16]。在地面武器装备炮兵压制武器领域面向火控系统也开展了综合模块化系统研究与设计，并逐步应用于陆军地面武器装备中。其特点是综合程度高、易于形成模块化通用货架产品、资源节约、软硬件可扩展性强、规模效益巨大。典型综合模块化架构如图3所示，该系统以综合处理单元为业务和管理的中心，通过统一共享的网络接入外围执行机构和传感器。

5.2 典型应用

以炮兵某火控系统为例，以“跨平台、开放性、可重构、高软硬件复用率、高任务可靠性”为需求牵引，按照“解耦+重构”设计并开发了具有功能综合化、软件结构层次化、资源模块化和模块通用化的火控系统。综合模块化技术架构改变了传统火控系统按功能划分子系统或设备的设计思路，以“解耦+重构”为核心思想，面向资源进行解耦和系统分区划分，以信息处理、信息显示、信息交换、信息采集、信息传输、信息转换来进行分区。将信息相关的通用部分进行综合化设计，形成基型系统加功能组件的综合模块化火控系统架构。

5.3 扩展应用

防空某型武器按照综合模块化系统架构，以综合处理单元为核心，以通用终端为人机交互接口，采用统一的“任务网+控制总线”双层网络架构，驾驶舱、后舱、动力舱和上装传感器和执行机构作为功能组件通过总线数据适配器接入基型系统，搜索跟踪雷达、光电跟踪系统、通信系统、定位导航系统等分系统直接接入基型系统，系统架构如图4所示。

6 分布式综合模块化架构

火控系统作为武器平台信息的交汇点和关键点，其功能性能紧密结合武器系统的作战使用特性[17]。随着火控系统功能不断增加、信息量的指数级增长，火控系统的外延和内涵也不断扩大至全车综合电子系统[18]和武器平台信息系统[19]，综合模块化火控系统将升级发展为分布式综合模块化武器平台信息系统，由原有的仅处理火控信息，提升为火控信息、车辆信息、平台指挥信息、传感信息的采集、传输、处理、应用与显示，以此实现武器平台信息资源的统一管理、配置和共享。

典型分布式综合模块化架构如下页图5所示。该阶段的火控系统局部采用综合模块化架构，系统采用分布式架构，可在保证系统信息高度共享的同时，保证各子系统相互独立，满足差异化安全等级要求。同时为系统提供完善的隔离机制，保证系统高度综合的同时，具有通过软硬件隔离方法阻止故障蔓延的能力[20]。针对网络信息体系对战斗协同的需求，系统提供资源的虚拟化能力和软件服务化封装技术，可提供车际间资源共享和柔性重组，提供车际间互联互通互操作能力。武器火控系统开始向面向未来一体化联合作战的平台信息系统发展，其特点是信息与火力紧密铰链、装备资源“解耦”和网络化共享、武器平台自主协同和国产化程度高等。

7 结论

梳理了陆军地面武器火控系统的发展历程，并针对每个发展阶段介绍了架构特征和典型装备，总结了各个阶段火控系统架构的特点，同时规划了未来分布式综合模块化架构在火控系统中的应用。从火控系统各个阶段的发展来看，信息的共享程度、共享效率与故障隔离问题是系统架构发展的侧重点，随着未来信息的指数级增长，数据和模型的重要性将日益增大，如何利用武器平台信息系统的大数据信息，结合数据挖掘技术、人工智能技术进行数据的价值提炼与应用，同时结合人工智能方法建立武器平台信息系统智能故障诊断，为分布式综合模块化系统提供完善的故障检测、隔离机制，进而提升武器效能，将是未来研究的重点。