图像制导导弹火控系统设计

何亚娟

（中国航天四院第四十一研究所，西安 710025）

图像制导导弹火控系统设计

何亚娟

（中国航天四院第四十一研究所，西安 710025）

针对车载图像制导导弹武器打击任务多样、作战使用灵活、多弹种、多人协同操作等特点，详细描述了火控系统功能需求分析、系统构型、工作原理、人机配合和信息交互等设计过程。由于系统任务的高效执行取决于操作人员对综合信息的准确掌握和对设备的便利操控，重点说明了以人员操控为主导，设备智能化处理配合完成工作流程控制的设计思想。该设计方法已成功应用于某型导弹武器火控系统的设计过程中，经试验验证，火控系统的功能、性能及操纵效果满足要求，且满足模块化、信息化、智能化等通用要求。

图像制导导弹，车载，火控系统，人机配合

引言

图像制导导弹作为精确制导导弹的一个重要分支，近年来得到了极大的发展。以色列的“长钉”家族作为其中的优秀代表，最大射程从800 m发展到25 km；战斗模式从单一的“发射后不管”发展到“发射并全程操控”，能够有效地实施远程精确打击，是目前实施外科手术式打击、无间接损伤的最先进武器之一。设计了新型战斗部，用于将反坦克导弹武器转变成“突击”或“多任务”武器［1］，已发展为典型的多用途导弹。平台多用途化和载弹量有限的矛盾催生导弹多用途化的需求［2］。多用途既可以指同一型号通用于不同发射平台，也可以指通用于在不同战场环境、对不同目标的攻击。多用途导弹可打击陆地固定或移动装甲目标、坚固工事、近海小型舰船和低空低速飞行器，并且具有全天时作战和抗干扰能力，随着技术的发展具备了间瞄射击能力［3］。导弹与火控的联系更加紧密，弹上承载的信息越来越多，导弹在准备、发射、飞行和引爆全过程中对火控系统提出了很多新的要求。

火控系统的功能、性能及操纵效果对于导弹发射平台至关重要，将直接影响武器系统的作战效率和有效完成任务的能力。

1 系统功能需求分析与分解

本文以车载长钉-NLOS型导弹为例进行讨论。该导弹采用加密无线数据链进行图像、指令传输，中段惯性制导，末端人在回路利用电视/红外图像寻的，可非瞄准线（也称间瞄）发射，可换装多种战斗部。由于当前目标自主搜索识别、自主智能决策等关键技术在陆战领域应用条件仍不成熟，导致火控系统和导弹的目标搜索打击效率、任务可靠性等多项性能指标不能达到战术要求，可见短期内火控系统仍然需要以人员参与作为主要工作方式［4］。

具有间瞄射击能力的导弹火控系统要求既能够对自主发现目标进行打击，也能够对外部提供目标进行打击，这样发射车须具备定位定向能力。要实现自主搜索发现目标，导弹发射车配装光电侦察装置和对应的操控台以满足操作人员在昼夜间对目标搜索、跟踪与测量；需要火控计算机完成目标信息处理、发射架调转指令和发射诸元解算等基本功能外，还需要完成系统内各单体工作状态监控和弹药状态监控；需要发控装置实现导弹的射前检查、发射条件判断、发射与发射后的人在回路控制；定位定向设备实现本车的定位、定向，并为导弹提供初始位置与姿态；需要伺服控制装置与发射架配合赋予导弹初始射向与射角；需要车体姿态传感器为火控计算机提供车体姿态信息用于发射诸元解算。

2 系统组成与工作原理

2.1 系统组成

模块化、通用化、信息化、智能化是火控系统发展的必然方向。总线体系结构以其开放性、互操作性、互用性、现场环境适应性、系统结构高度分散性等优点，已经成为构建开放式体系结构的主要技术手段。目前最新型号装备火控系统体系结构均采用CAN总线［5］。基于以上原则构建的火控系统如图1所示。光电观瞄装置由CCD摄像机、红外热像仪、激光测距机和稳像系统等组成，定位定向设备由卫星定位与惯性导航两部分组成。

2.2 系统工作原理与流程

在发射准备阶段，火控系统各设备开机自检，定位定向设备初始参数装订、寻北，光电侦察装置升起开始搜索目标，利用车载电源为导弹上电并完成射前准备。

图1 系统组成与体系结构

当本车搜索到目标或接收到外部（如前方无人侦察机）发送的一个或多个目标信息后，火控计算机自动对目标信息进行筛选（将不在攻击范围的目标暂时剔除）、融合、威胁度计算；操作人员选择或火控计算机根据威胁排序结果自动选择待攻击目标后，火控计算机自动完成目标规划（根据当前天候条件和目标类型、距离、威胁度选择合适的弹种、引信启动方式、用弹量、发射前锁定或发射后锁定等），发射架调转指令和发射诸元解算，输出伺服控制装置驱动指令，调转发射架；操作人员选弹后，自动完成数据链通路检查；在射前锁定情况下，射手观察下传视频，利用手柄完成目标跟踪后再击发导弹；射手击发后，发控装置自动按时序完成发射诸元装定、弹上惯导启动、弹上电源启动和发动机点火等工作。以上提到的自动执行部分需要设计专门的辅助解算决策软件，由相应设备执行。

导弹发射后，导引头摄取的目标/背景图像通过数据链下传，显示在发控装置的射手显示器上，射手通过观察显示图像识别目标，利用手柄进行目标跟踪与控制指令发送，手柄控制指令和目标信息通过数据链上传到弹上，实现导引头对目标的跟踪和导弹对目标的攻击。

在设计工作流程时，首先根据工作时序，将发射车的工作过程划分为技术阵地准备、发射阵地准备、导弹发射与射后控制、阵地转移与撤收等4个阶段［6］；再设计每一个阶段火控系统的工作流程，规定流程中各事件的顺序与并行关系。考虑行军战斗转换、火控系统反应和战斗行军转换等时间指标要求，将指标合理分配于各火控设备。

由以上工作原理可知系统的工作过程包括诸多事件，系统状态的改变主要是由一些离散时间上的事件引起，人员的操作命令发送、收到侦察指挥系统的目标信息等都为离散事件。可应用离散事件建模和仿真方法对系统的结构和流程进行分析，合理评估系统的性能优劣。基于Petri网的建模技术已被广泛应用于工业、经济、军事等领域对离散事件动态系统的建模和仿真中，其具有形式简洁、易于描述系统结构和状态变化、分析模型是否存在碰撞、冲突等异常特征等优点［7］。

3 人-机设计

3.1 操作人员分工

火控系统是一个由操作人员参与控制管理的人机系统，为了提高整个人机系统的效能，设计上必须解决人与操作设备相适应的问题。人与操作设备的适应性包括：操作设备适应人体要求和人的使用、人与设备间职能的合理分工和相互配合、人与设备间的信息交互、设备的特性与人的操纵特性相匹配等。

操作人员包括1名车长和1名～2名射手。车长作为火控和信息管理的核心，担负上级指挥命令的受领、战场态势观察和本车状态控制等任务，对人员素质要求相对较高。射手任务相对简单，主要完成导弹发射与发射后控制，在车长授权情况下完成目标侦察。车长分工包括：①火控系统电源管理；②与上级指挥系统通信；③设备自检与系统自检控制；④定位定向设备与发射架工作状态控制；⑤目标选择（目标规划）；⑥光电侦察装置工作状态管理、目标侦察及授权控制。射手分工包括：①导弹准备；②选弹与击发；③控制导引头实现对目标的跟踪和导弹对目标的攻击；④射击效果报告；⑤光电侦察装置工作状态管理与目标侦察（车长授权时）。

3.2 操作与显示设计

3.2.1 车长操作与显示设计

车长主要通过车长显示器屏边键、键盘、车长手柄和显示界面完成与火控系统的交互。

屏边键的优点在于能够由软件灵活定义，按键的定义显示在其邻近的显示界面上，同一按键在不同的显示界面对应不同的功能定义，这样可以做到有限按键无限复用。同一事件在操作步骤较多的情况下可将屏边键分级使用，例如一侧为主级按键，另一侧为次级按键，车长首先通过选择主级按键进行功能选择，然后通过次级按键发出控制命令，次级按键的定义随着主级按键选择的不同而不同。触摸屏与屏边键可异曲同工，但存在低温稳定性和不便于戴手套操作等问题。

键盘作为屏边键的补充，仅包括数字、负号、小数点、退格、回车等按键。

车长手柄既可操纵光电侦察装置实现对目标的搜索、跟踪与测距，也可用于车长手动操纵发射架调转，手柄功能切换取决于当前的显示界面。手柄及其上按键布局可按图2设计。采用手柄的优点在于可使操作人员在需要专注观察显示屏的同时做到“手不离杆”，且能发出连续控制指令操作侦察装置/发射架高低、方位转动。

图2 车长手柄按键布局

根据工作独立性，将目标侦察从其他操作中独立，分为综合界面和侦察界面，每个界面固定位置设置“界面切换”按键。

综合界面分区显示各设备供电状态、定位定向设备工作状态、发射架工作状态与姿态、车体姿态、弹位状态、侦察装置操控权、上级指挥命令、目标信息、目标规划结果信息以及各种告警信息等。可用图标、字母、虚拟仪表、文字、表格、文本框等方式标识出各种信息。弹位状态要能区分出有／无弹、弹种、故障弹、是/否准备就绪等。要求简捷明了，目的是让车长能够实时准确掌握各种信息，利用此界面完成分工中除⑥项外的所有内容。

侦察界面除了显示侦察视频外，还应分区显示光电侦察装置各组成部分的电源状态、桅杆升降状态、激光测距的首/末目标选择状态和红外视频显示极性等。车长通过此界面屏边键和手柄完成光电侦察装置状态控制与目标侦察。

3.2.2 射手操作与显示设计

射手主要通过射手显示器屏边键、左手柄、右手柄和显示界面完成与火控系统的交互。

左手柄仅用于导弹控制，不能作为摇杆使用，利用其上按键发出各种开关指令，为了防止误击发，需要在击发按键上设置保护措施。右手柄可进行功能切换，在操纵光电侦察时，其按键定义与车长手柄相同。在操纵导弹时，左、右手柄按键定义可如下页图3所示设计，力敏单杆控制导引头光轴转动。

图3 射手左、右手柄按键定义

射手显示界面分为综合界面、侦察界面和导引头视频界面。侦察目标的操作与显示与车长保持一致。

综合界面分区显示定位定向设备工作状态、发射架工作状态与姿态、车体姿态、弹位状态、侦察授权状态和射击任务信息（即目标规划结果）等，表示方式与车长对应界面一致。射手利用此界面完成状态查看、数据浏览、导弹准备、射击任务受领与选弹等任务。

导引头视频界面主要显示数据链下传的导引头视频，导弹选弹后自动切换至该界面。射手通过此界面利用手柄完成目标识别、跟踪与攻击。

4 信息交互设计

要求系统实现各功能、操作、显示、智能决策以及记录要求，需要明确在整个工作过程中各组成部分之间以及系统与外部的信息交互关系。

首先根据工作过程梳理出所有的离散事件，每一个事件会引起一连串的自动执行流程。定义所有的事件名称、事件的发起人/设备和事件发生的约束条件。接下来定义各事件发生引起的信息流，包括信息名称、信息源、目的地、信息的发送条件/时机、信息接收方的响应等。最后定义各信息包含内容（比如车体姿态信息包括横倾角和纵倾角）、数据格式（模拟/数字）、数据有效范围、数据单位、发送方式（单次/连续/周期）等，对于周期性发送信息要规定停止发送时机。

5 结束语

火控系统的设计要综合考虑系统的任务需求、现代武器系统综合化、信息化、数字化等发展趋势和当今电子、计算机、控制、网络等技术发展水平。设计合理的工作流程是保证火控系统完成状态转换、攻击任务的重要因素。总线技术是提高系统内电子设备之间及与外部设备的信息交换能力、信息传输速度、实现信息和资源共享的重要手段。智能化处理可提高系统反应时间、实现操作程序的智能化控制，简化人员操作，最大发挥作战单元的效能。操作人员的协同配合以及人与设备相协调统一，系统易于使用，也是提高系统整体能力的重要体现。

［1］张晓玲.向多用途武器转变的反坦克导弹［J］.外军炮兵，2010，14（6）：32-35.

［2］荆玉焕，王秀春，张振华.联合与多用途—美国引领导弹发展新方向［J］.战术导弹技术，2011，32（4）：1-4.

［3］宋怡然，蒋 琪，关世义.国外小型多用途导弹发展现状［J］.战术导弹技术，2012，33（6）：6-11.

［4］项 征，张 达，张佳南.谈武器装备智能化发展［J］.数字国防，2008，1（4）：41-43.

［5］荆玉焕，王秀春，张振华.压制兵器火控系统发展趋势［J］.火力与指挥控制，2012，37（6）：5-7.

［6］蔡淑华，黄运才.飞航导弹火控系统［M］.北京：宇航出版社，1996.

［7］深继承，刘付显，史豪杰.地空导弹指挥控制系统Petri网建模与分析［J］.现代防御技术，2009，37（1）：68-70.

Design of Firing Control System of Imaging Guidance Missile

He Ya-juan
（The 41th Institute of Fourth Academy of Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710025，China）

Aiming at the characteristic of imaging guidance weapon that have multifarious attack task，used flexibly，have several kinds，cooperated by several man.The analysis of function demanded，the structure of the firing control system，the working principle，the cooperation of human and facilities and the intercommunion are described in detail.The design idea is explained that the work should be finished by dominant human and equipment's intelligent and dutiful working.Because the efficiency of the system lies on the operator's exact mastery of the information and the simple operation to the equipment.The design method was used successfully in the design process of one type firing control system of missile weapon.The function，the capability and the yarage of the system were tested that were satisfied all requirements.And the system is modularized，information-based and intelligentized.

imaging guidance missile，lunched on vehicle，firing control system，cooperation of human and facilities

TN971

A

1002-0640（2014）09-0160-04

2013-07-05

2013-09-07

何亚娟（1974- ），女，陕西渭南人，研究员。研究方向：导弹武器系统总体设计。