彈炮結合戰車綜合指控系統的集成化設計研究

張宇　楊華　王肖晨

摘要：文章針對導彈指控系統與高炮的火控系統綜合集成化設計，研究以數據總線為核心，利用計算機解算和控制、數字通信和CAN總線等技術，實現戰車探測跟蹤、射擊指揮、作戰管理、通信等綜合控制。戰車在綜合指控系統的指揮協調下，實現對低空、近距離目標的快速反應和多次攔截，發揮火力強、毀傷概率高的突出優勢，以達到最佳的近程防御系統作戰效果。

關鍵詞：彈炮結合；綜合指控系統；車載電子綜合化系統；CAN總線

中圖分類號：TG484 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0008-03

彈炮結合武器系統是將地空導彈和高炮結合構成的低空近程防空武器系統，結合了地空導彈射擊精度高、單發殺傷概率大、射程較遠的優點和高炮快速機動、持續射擊、抗干擾能力強、成本低的優點，是抗擊低空、超低空目標的有效武器。

本文將地空導彈指控系統與高炮火控系統進行綜合集成化設計，得到射擊指揮、通信等功能和火控功能綜合為一體的綜合指控系統。設計方案通過搭建戰車新型車載電子綜合化系統硬件平臺（以下簡稱電子平臺），集中實現指控系統和火控系統功能。電子平臺以數據總線為核心，將各分系統按速率不同分層次地連接在總線上，實現綜合指控系統與發射平臺、跟蹤探測系統、導航定位系統、敵我詢問、伺服系統、電站等設備計算機的數據交鏈、模塊化管理，完成戰車上各分系統維護監控、實現作戰參數的實時傳輸、計算和顯示，從而實現彈炮結合戰車的射擊指揮、火力控制、作戰管理、效能評估以及日常維護和訓練。

1 彈炮結合戰車典型組成

彈炮結合戰車通常為自行輪式或履帶式車輛，主要由導彈分系統、高炮分系統、跟蹤探測分系統、導彈指控系統、高炮火控系統、戰車轉塔、底盤、空調系統及語音系統等組成。在指控系統和火控系統的共同控制下，一輛戰車就能夠完成目標搜索、威脅判斷、敵我識別、導彈射擊、截獲、制導，直至目標離戰車較近時的高炮攻擊等功能。

2 指控系統綜合集成設計可行性分析

2.1 功能分析

彈炮結合戰車需完成目標的跟蹤探測、導彈和高炮的發射控制，其自動化程度要求高，但戰車操作艙內部空間極為有限，不可能完整地將導彈指控系統和高炮火控系統進行各自硬件設備的配置和設計。再者，從指控系統和火控系統在戰術性和實時性的要求來說，它們的部分功能是相重合的。指控系統和火控系統都基于高性能計算機系統完成各分系統模型參數解算和控制，實現單一火力單元的控制，為此利用性能更高的計算機系統集成搭建新的電子平臺，以綜合實現指控系統和火控系統的功能是可行，也是必須的。

2.2 方案選擇

伴隨著導彈指控系統、高炮火控系統同時在戰車上出現的還有車載電子系統，隨著現代計算機、總線技術的發展，集成化、智能化的電子平臺勢必會逐漸取代傳統的車載電子系統。電子平臺除了具備數據總線上的數據傳輸功能外，在系統設計方面，它所提供的最大優勢是，可實現信息共享，并在信息共享的基礎上實現功能的綜合，能在有限的空間內增加電子系統的容量。

2.2.1 傳統的車載電子系統具有以下的缺點：采用功能與設備一對一堆積的設計方法，這導致戰車操作艙內需容納更多的電子設備；標準性和兼容性差，更新換代周期加長；車內電子電氣線纜布線繁雜，電磁干擾問題嚴重，車內空間更為擁擠，可靠性、可維修性低；操作員操作負擔過重，以致影響戰技性能發揮。

2.2.2 電子平臺具有以下優點：采用綜合信息化技術；改觀傳統設計方法的面貌，能夠提高作戰車輛整體的系統性能、可靠性；采用串行數據總線傳輸方式，減少體積和重量，便于維護，便于更換系統及功能的擴展；通過定義信息格式和電氣接口特性來貫徹多路傳輸，實現綜合的設計思路，采用相應的硬件和軟件來完成功能的執行，有利于各子系統的功能設計與更新升級。

綜合指控系統，以指控計算機為中心，從數據總線上對全戰車相關信息進行調用，按信息共享、功能綜合的原則，將各分系統在戰車內進行組建和設計，實現全戰車協調控制，共同實現導彈、高炮的統一作戰指揮。

3 電子平臺設計方案

3.1 CAN總線技術

目前車輛上的電子部件越來越多，數據交換量極為龐大，如仍然采用傳統數據交換，即用導線進行點對點連接的傳輸方式將是難以想象的，因此，采用多路串行數據總線傳輸系統取而代之就成為必然的選擇。

CAN總線是一種通信速率高、可靠性高、支持分布式控制和實時控制的串行多主站控制器局域網總線，適用于車輛計算機控制系統和環境惡劣、電磁輻射強的環境。CAN總線的主要特點：通信速率距離為5kbps/10km～1Mbps/40m，網絡節點數可達110個，每個節點均可主動傳輸，通信介質為雙絞線、同軸電纜或光纖；采用短幀結構，傳送時間短、受干擾概率低，有較強網絡抗干擾能力；非破壞性總線競爭裁決技術保證當兩個節點同時向網上發送信息時優先級低的節點主動停止發送數據，優先級高的信息傳遞實時性；當節點錯誤嚴重時，能自動切斷與總線的聯系，避免對系統工作造成影響。數據傳送方式包括點對點、一點對多點全局廣播方式和多主方式；有較完善的循環冗余校驗碼（CRC）校驗措施，數據出錯率低，保證了通信可靠性。

3.2 電子平臺

3.2.1 電子平臺CAN總線通信網絡。現代彈炮結合武器系統已經數字化，各分系統都有信息處理能力，通過數據總線將各分系統連接起來，構成分布交互式的計算機網絡控制系統，由于彈炮結合戰車防空作戰強調實時性，數據總線也必須是實時總線。本設計方案就是以CAN總線為核心的電子平臺，將戰車中心計算機系統、跟蹤探測系統、戰車顯控系統、通信系統、導航定位系統、導彈發射裝置、高炮發射裝置、敵我詢問機、車體姿態裝置等信息有機聯系在一起，利用高性能計算機、數字通信和總線等技術所建立的綜合指控系統，綜合實現戰車探測跟蹤，導彈和高炮射擊指揮一體化控制，輔助完成作戰管理、通信等綜合控制。

電子平臺通過CAN總線將其他直接或間接與綜合指控系統有信息交互的分系統連接起來，構成一個實時控制的通信網絡。指令發出去之后，必須保證在一定的時間內得到響應，否則，就有可能發生重大事故，這就要求CAN總線通信網絡有較高的波特率設置。

此外，戰車在實際作戰或訓練過程中，各分系統之間即網絡上的眾多節點之間需要進行大量的、實時性的數據交互。若各分系統的所有節點都連接在同一個CAN總線通信網絡上，眾多節點通過一條CAN總線進行通信，在信息管理配置上稍有不當，很容易發生總線負荷過大，從而導致系統實時響應速度下降的情況。這對于實時性要求較高的彈炮結合武器系統來說是絕對不允許的，因此在對網絡上各節點的實時性分析之后，根據各節點對實時性的要求，設計了高速、中速和低速三個速率不同的CAN總線通信網絡，將實時性要求最高的節點組成高速CAN總線通信網絡，將實時性要求相對較低的節點組成中速CAN總線通信網絡，將剩下的實時性要求最低的節點組成低速CAN總線通信網絡。在高速、中速和低速三個速率不同的CAN總線通信網絡之間通過網關控制器連接起來，實現指控系統節點與其他節點之間的數據共享。電子平臺上連接的各分系統CAN總線通信網絡拓撲結構如圖1所示。

從圖1可知，戰車中心計算機系統、戰車顯控系統、通信系統、模擬訓練裝置共同構成了綜合指控系統，為全車的中心，它需完成射擊指揮解算、作戰管理、模擬訓練、通信等綜合控制，而目標搜索雷達、跟蹤制導雷達、光學設備需要完成目標和導彈的探測跟蹤、制導控制，車體姿態裝置需實時提供車體的三姿態信息，它們在武器系統中實時性均要求最高，因此將它們組成高速CAN總線通信網絡，通信波特率設為1Mbps。

導航定位系統、轉塔裝置、導彈發射俯仰、高炮發射俯仰、敵我詢問機相比較來說實時性要求次之，因此將這些節點構成中速CAN總線通信網絡，通信波特率設為512kbps。

語音系統、供電監測系統的實時性相對來說最低，因此將這些節點構成低速CAN總線通信網絡，通信波特率設為256kbps。

高速和中速CAN總線通信網絡之間、中速和低速CAN總線通信網絡之間分別由網關控制器連接，網關控制器通過對CAN總線間待傳數據信息的智能化處理，可以確保只有某類特定信息才能在網絡間傳輸。各節點根據自身需要，在特定通信協議下進行數據信息的接收和發送，完成與其他節點之間的信息交互。

3.2.2 總線通信軟件設計。本設計方案中的CAN總線通信網絡負責高速、中速和低速三條CAN總線上的數據交互，不存在對數據作任何改動或診斷，實現全透明傳輸。電子平臺工作時，連接在CAN總線上的分系統通過節點向CAN總線發送實時數據，而需要處理數據的分系統通過節點接收CAN總線數據，然后再作處理或診斷。總線通信軟件的總體架構采用中斷結構，數據幀采用8位標準幀格式。CAN總線上的網關控制器的軟件工作流程圖如圖2所示。

3.3 冗余設計

3.3.1 中心計算機系統冗余設計。綜合指控系統是將導彈和高炮的射擊指揮、作戰管理、通信控制等集中在一臺中心計算機或一組中心計算機系統及直屬設備上實現的。其優點是計算機利用率高，缺點是由于計算機處理的信息過大或者計算機過熱等因素導致計算機故障甚至癱瘓，此時武器系統會喪失大部或全部功能。為了避免這樣的情況發生，可以在高速CAN總線上連接一組戰車中心計算機系統的備份計算機系統，這樣綜合指控系統運行的功能不只局限于一組中心計算機系統，而是多組中心計算機系統具有系統控制功能。當執行系統控制任務的戰車一組中心計算機系統故障時，可以賦予戰車中心計算機備份計算機系統承擔控制任務。

3.3.2 總線冗余設計。為了保證武器系統的作戰可靠性，電子平臺的CAN總線系統可采用雙冗余系統通信總線。基于CAN總線的雙冗余通信總線的基本設計思想是在各節點之間布下兩條基于CAN通信總線，即將各節點分別連接在CAN1總線和CAN2總線上。正常情況下優先在CAN1總線上通信，當CAN1總線出現故障時通過CAN2總線進行通信并重新初始化出錯的CAN1總線以備將來再用，這樣CAN1總線和CAN2總線之間即形成了冗余備份。

4 結語

綜合指控系統通過分層次的CAN總線網絡，完成戰車上相關各分系統的集中控制，是真正實現有別于傳統指控系統，并具備高炮火控系統功能的綜合指控系統。由于CAN總線具備良好的擴展性，還能擴展接入駕駛艙電子系統、底盤電子系統、故障監測系統，真正實現整車通信網絡化控制。同時經過實踐證明，CAN總線性能優良，特別適合在強電磁環境下使用，完全滿足彈炮一體化戰車因高度集成所造成的復雜強電磁環境使用要求。

根據作戰需求，性能更加優良、復雜程度更高的彈炮一體化武器研制必將成為以后的發展趨勢，這樣各分系統之間交互的信息量更加巨大、實時性要求更高，尤其目標搜索雷達、跟蹤制導雷達、光學設備等傳感器需要傳輸的高速大容量數據信息，若CAN總線傳輸數據容量及數據率暫時無法滿足傳輸要求的情況下，可采取將目標傳感器通過千兆光纖直接連接戰車中心計算機系統，再通過CAN總線通信網絡實現與其他分系統進行信息交互。

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作者簡介：張宇（1983—），男，貴州六盤水人，江南機電設計研究所助理工程師，研究方向：指揮控制系統。

（責任編輯：黃銀芳）