現代陸戰平台電子信息系統的中國觀

　　現代陸戰平台電子信息系統的中國觀[上]

　　周啟煌 （少將）

　　陸戰平台是各型譜坦克、自行火炮、步兵戰車的統稱。現代陸戰平台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、無人戰鬥平台(美軍稱之為「未來戰鬥系統」)，除發展火力控制、指揮控制等系統外，還要增加網路通信等功能系統。

　　圖1

　　

　　電子信息系統是現代陸戰平台中發展最快、最具潛力的系統。從本質上說，由於電子信息系統與飛速發展的信息技術有著天然的親和力，陸戰平台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，使陸戰平台的火力性能得到突飛猛進的發展。一個必然的趨勢是，陸戰平台電子信息系統的功能將愈來愈多、結構也將愈來愈複雜，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台火控系統

　　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體來實現，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。

　　圖2

　　

　　什麼是控制主線?陸戰平台在射擊目標時，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)，然後控制火炮(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，並據此控制瞄準線。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。

　　圖3

　　

　　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台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台停止運動的情況下，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於瞄準線。由於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，並承擔射角裝定任務。

　　指揮儀式火控系統的出現，大大提高了陸戰平台行進間對運動目標射擊的命中率，是當前陸戰平台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範圍、加快了反應速度，能同時對2個目標進行跟蹤與瞄準，也是在陸戰平台基礎上組建指揮控制系統的硬體條件。

　　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，為陸戰平台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台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製，使其具備多目標自動跟蹤、多運動目標模型假定及互動式目標信息處理(簡稱IMM)功能。

　　圖4

　　

　　圖5

　　

　　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後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。

　　圖6

　　

　　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餘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，有助於人們掌握系統不同發展階段中的關鍵技術。如系統處於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。

　　圖7

　　

　　控制主線中各控制分系統的任務分工相對明確，有利於按控制主線的工作規律來分析系統體系結構的優劣。例如，得益於這一系統分析方法，人們發現了位於控制主線末端的火炮軸線控制是系統中最薄弱的環節。由於控制主線中各分系統是按前置或後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繫，這就有利於系統的模塊化設計，以及在陸戰平台電子綜合化系統中的分佈與配置；也有利於系統戰技指標和精度的合理分配。

　　我國陸戰平台火控系統的理論研究

　　在陸戰平台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。在世界範圍內，火控系統的理論研究遠遠落後於火控系統的研製。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後的情況下，加強陸戰平台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，我國陸戰平台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：

　　圖8

　　

　　(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；並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，為後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，系統結構愈來愈複雜，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。只採用增加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。

　　圖9

　　

　　(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，進行互動式的信息處理(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模擬條件下，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係數為變數，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。我國研究成功用於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。在射表和彈形係數未知的情況下，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於現代彈道的解算。這一模型的另一個特點是通用性，它的解算除了與射表、彈形係數無關外，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於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台的研製過程，通用彈道模型將在其中發揮重要作用。

　　圖10

　　

　　(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。這種方法把複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模擬理論研究取得成功。研製新型火控系統技術複雜、成本高、周期長，各種因素難以預測，因此研製風險大。通過火控系統半實物的實時模擬，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，降低系統的研製風險。陸戰平台要在複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，動力學模擬理論是各種搭載系統模擬理論的基礎。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。對於這種二次隨機效應，常用的動力特性數字模擬技術已難以適用。我國研究成功的運行剖面動力特性模擬理論解決了這一難題。

　　圖11

　　

　　(7)提出了火控系統總體性能模擬評估的理論途徑。模擬系統應用這一理論方法，不但可以實現新研製系統與部件的先期技術演示，還可在模擬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；陸戰平台火控系統射擊命中三要素函數模型及其誤差分析；陸戰平台火控系統運行剖面下動力特性模擬模型等。

　　現代陸戰平台電子信息系統的中國觀[下]

　　周啟煌 （少將）

　　陸戰平台是各型譜坦克，自行火炮、步兵戰車的統稱。現代陸戰平台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、無人戰鬥平台(美軍稱之為「未來戰鬥系統」)。除發展火力控制、指揮控制等系統外，還要增加網路通信等功能系統。

　　圖1：

　　

　　現代陸戰平台需要指控系統

　　20世紀80年代，西方各國開始了在坦克上加裝指控系統的論證與研製工作。軍事家稱，坦克已進入四大性能的發展階段――在火力、機動、防護三大性能的基礎上，增加了指揮控制性能。90年代，當以色列和日本還忙於坦克自動跟蹤火控系統的研製及裝備時，美、法、德、英等國已正式在各自的坦克(MIA2、「勒克萊爾」……)上裝備了名稱各異的指控系統，使陸戰平台電子信息系統進入火控、指控並存的複雜系統階段。這種趨勢的出現有以下幾個原因。

　　(1)隨著電子、信息技術的快速發展，坦克原有的火力、機動、防護三大性能，在概念上已經有了質的變化：不再僅僅取決於坦克相應的單一分系統，而是由多個系統的綜合性能所決定。例如，火力就不僅僅取決於火炮本身，還與火控系統的性能密切相關。如何在複雜多變的戰場條件下使坦克發揮出最佳性能，就成為對坦克指揮控制系統的軍事需求。

　　(2)火控系統固然是作戰體系的基本要素，但終究不過是一發彈的射擊問題；而戰場上任何武器的射擊都是在相應的戰術環境中進行的。在電子信息技術與自動控制技術高度發展的今天，為了提高武器的射擊效能，就既要發展火控系統，又要發展更重要的指揮系統，使得坦克的總體性能得到協調發展。

　　(3)在未來戰爭中，部隊將趨向於以較小的單位高度機動，遂行獨立性較大的行動；再加上現代戰爭中作戰信息的急劇增加，這就要求，每輛坦克都要以平台指控系統為終端，成為更高級指控系統的一個節點。這樣，即使是一輛坦克單獨完成任務，它也不是孤立的，而是與大系統有緊密聯繫的一個作戰單元。

　　(4)坦克的各種資源中，以人力資源最為寶貴，許多複雜情況只有靠人的參與才能合理解決。但與自動化設備相比，人也存在著反應速度慢、體力有限、持續能力不強的缺陷，要靠自動化設備來支持和輔助。指控系統正好能在作戰的指揮與控制上減輕乘員的體力消耗，使他們把精力集中在關乎戰鬥勝負的關鍵作戰環節之上。

　　陸戰平台指控系統的特殊屬性

　　陸戰平台指揮控制系統是實現平台指揮自動化與實時作戰控制的車載式人一機系統。雖然也屬於C3I系統，但與一般的C3I系統有很大不同。第一，在系統布局上，一般C3I系統多為分散布置，而陸戰平台指控系統卻要在平台內集中布置，極大地增加了系統的組建難度；第二，在實時性上，一般C3I系統的使用時機多為戰爭的準備和實施階段，而陸戰平台指控系統屬於戰術指控系統，主要是在瞬息萬變的戰鬥過程中發揮作用，對實時性的要求特別高；第三，在作用範圍上，一般C3I系統主要在指揮部(所)之間發揮作用，而陸戰平台指控系統除了與上級指揮所交換信息外，還要兼顧車際和乘員間的通信，以及平台內各子系統的功能控制。其中，對武器射擊的實時控制，是系統的主要功能之一。

　　由於陸戰平台內的空間極其有限，決定了它難以自成體系，而只能在平台中綜合集成。即利用平台內數據匯流排，按照信息共享、功能綜合的原則，在平台內進行統籌考慮和整體設計。要在充分發揮火控系統作用的基礎上，進行指控系統的系統集成。

　　很顯然，就功能和組成而言，指控系統與火控系統存在著十分緊密的關係。它們互為信息流的始端和末端，互為功能、結構的延伸與發展。側如，火控系統的目標觀瞄系統、圖像處理系統、計算機數據處理系統等，就可以作為構成指控系統中某些子系統的雛形；而指控系統中有關控制的大部分任務則是由火控系統高質量完成的。現代主戰坦克之所以對這類系統的命名各不相同，一個重要原因就是為了在火控系統之外突出其他功能系統，如「車際通信系統」、「戰場管理系統」等。不很嚴謹地說，上述系統再加上火控系統，就是一個具備基本功能的指控系統。

　　指控系統與火控系統的綜合集成

　　陸戰平台指控系統是一個新興的電子信息系統，其功能將隨著軍事變革的深入而愈來愈多。但由於平台內部空間的限制，不可能按照軍事需求完整地進行系統配置；只有與其他電子信息功能系統進行綜合設計，實現結構不完整但功能完整的系統設計。

　　對於指控系統與火控系統進行綜合化設計的問題，美國F.J.布朗將軍首先進行過初步論證。60年代中期以來，在著名科學家錢學森院士的系統工程設計思想的指導下，我國開展了陸戰平台指控系統與火控系統綜合化設計理論的研究與探討，提出了相應的優化指標與工程設計方法。

　　我國陸戰平台指控系統的設計指標是：在滿足軍事需要、實現戰術技術指標規定的全部功能的前提下，通過數據匯流排上信息共享和功能綜合的技術途徑，實現系統結構的最小化。這是在滿足軍事需求與指控系統功能的前提下，對結構設計所提出的優化指標。事實表明，通過信息共享與功能綜合的技術途徑，是完全可以達到結構上的綜合化設計的。為實現上述優化設計指標，需要重點進行以下幾個工程設計過程：

　　(1)以軍事需求與戰術技術指標為目標，對指控系統按「系統一功能一信息」的順序逐一進行分解設計，得到指控系統具體的的功能需求和信息需求。由於信息是數據匯流排上傳輸數據的基本單元，而電子信息系統的功能又以信息的綜合與處理為實體，所以，這個系統分析與功能分解過程要一直延伸到信息層面。

　　(2)數據匯流排上其他功能電子系統(主要是火控系統)的功能與信息，也按「系統一功能一信息」的順序分解，以及進行必要的擴充設計，從中選擇出指控系統所需要的源信息，使之成為可在數據匯流排上直接利用的共享信息。

　　(3)按信息需求量與信息共享量的差，進行指控系統的結構設計。在系統綜合設計中，以信息需求量與信息共享量兩者之差作為實際設計的基礎，可以降低對硬體的需求。這正是綜合集成設計方法的優點所在。

　　(4)在信息需求量中各信息分量已全部生成后，再以功能需求量為目標，按上述分解的逆向順序即「信息一功能一系統」的順序，進行功能綜合與系統的組建，完成指控系統的全部功能設計。

　　圖2：

　　

　　未來陸戰平台的電子信息系統

　　現代信息技術的發展，例如空中多元導航定位系統、以C3ISR為基礎的自動化指揮系統以及多型譜陸戰平台指控系統的發展，賦予了戰時網路以新的作戰功能。通過戰時網路的實時指揮與控制，可實現戰場情報信息的共享，以及全戰場兵力的指揮與控制。現時局部戰場諸兵種的協同作戰，可發展為網路通信與指揮可及的大地域範圍內各種兵力的聯合作戰。這些無疑將極大地增強統帥部和各級指揮部對部隊及戰場的指揮與控制能力，顯著提高部隊及兵器在戰場上的聯合作戰能力與反應速度。

　　網路環境下新的作戰樣式的多樣性，提出了武器裝備小型化、精確化、可視化、智能化與一體化的發展要求，為各種作戰平台的發展提出了新的思路。例如，網路環境下戰場一體化防禦能力的形成，就為坦克等陸戰平台突出火力與機動性能並實現輕型化準備了條件，並會出現發展多型譜陸戰平台(即未來陸軍綜合作戰系統)的要求。

　　未來陸戰平台的電子信息系統的功能必將大量增加。除火控和指控功能系統外，還包括網路通信與網路指揮功能系統，功能多而空間小的矛盾進一步突出。此時只有加強電子信息複雜系統的理論研究，促進系統向功能多而結構簡單的方向發展。其中一個重要的技術途徑，是多功能的綜合化設計和單一功能的通用化設計。上文所提出的炮控系統設計新理論與火炮的通用彈道模型等，就包含了這一設計思想的部分理念。