張宇　楊華　王肖晨

摘要：文章針對導(dǎo)彈指控系統(tǒng)與高炮的火控系統(tǒng)綜合集成化設(shè)計，研究以數(shù)據(jù)總線為核心，利用計算機解算和控制、數(shù)字通信和CAN總線等技術(shù)，實現(xiàn)戰(zhàn)車探測跟蹤、射擊指揮、作戰(zhàn)管理、通信等綜合控制。戰(zhàn)車在綜合指控系統(tǒng)的指揮協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)對低空、近距離目標的快速反應(yīng)和多次攔截，發(fā)揮火力強、毀傷概率高的突出優(yōu)勢，以達到最佳的近程防御系統(tǒng)作戰(zhàn)效果。

關(guān)鍵詞：彈炮結(jié)合；綜合指控系統(tǒng)；車載電子綜合化系統(tǒng)；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(jié)合武器系統(tǒng)是將地空導(dǎo)彈和高炮結(jié)合構(gòu)成的低空近程防空武器系統(tǒng)，結(jié)合了地空導(dǎo)彈射擊精度高、單發(fā)殺傷概率大、射程較遠的優(yōu)點和高炮快速機動、持續(xù)射擊、抗干擾能力強、成本低的優(yōu)點，是抗擊低空、超低空目標的有效武器。

本文將地空導(dǎo)彈指控系統(tǒng)與高炮火控系統(tǒng)進行綜合集成化設(shè)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(tǒng)。設(shè)計方案通過搭建戰(zhàn)車新型車載電子綜合化系統(tǒng)硬件平臺（以下簡稱電子平臺），集中實現(xiàn)指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)功能。電子平臺以數(shù)據(jù)總線為核心，將各分系統(tǒng)按速率不同分層次地連接在總線上，實現(xiàn)綜合指控系統(tǒng)與發(fā)射平臺、跟蹤探測系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、敵我詢問、伺服系統(tǒng)、電站等設(shè)備計算機的數(shù)據(jù)交鏈、模塊化管理，完成戰(zhàn)車上各分系統(tǒng)維護監(jiān)控、實現(xiàn)作戰(zhàn)參數(shù)的實時傳輸、計算和顯示，從而實現(xiàn)彈炮結(jié)合戰(zhàn)車的射擊指揮、火力控制、作戰(zhàn)管理、效能評估以及日常維護和訓(xùn)練。

1 彈炮結(jié)合戰(zhàn)車典型組成

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

2 指控系統(tǒng)綜合集成設(shè)計可行性分析

2.1 功能分析

彈炮結(jié)合戰(zhàn)車需完成目標的跟蹤探測、導(dǎo)彈和高炮的發(fā)射控制，其自動化程度要求高，但戰(zhàn)車操作艙內(nèi)部空間極為有限，不可能完整地將導(dǎo)彈指控系統(tǒng)和高炮火控系統(tǒng)進行各自硬件設(shè)備的配置和設(shè)計。再者，從指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)在戰(zhàn)術(shù)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(tǒng)和火控系統(tǒng)都基于高性能計算機系統(tǒng)完成各分系統(tǒng)模型參數(shù)解算和控制，實現(xiàn)單一火力單元的控制，為此利用性能更高的計算機系統(tǒng)集成搭建新的電子平臺，以綜合實現(xiàn)指控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)的功能是可行，也是必須的。

2.2 方案選擇

伴隨著導(dǎo)彈指控系統(tǒng)、高炮火控系統(tǒng)同時在戰(zhàn)車上出現(xiàn)的還有車載電子系統(tǒng)，隨著現(xiàn)代計算機、總線技術(shù)的發(fā)展，集成化、智能化的電子平臺勢必會逐漸取代傳統(tǒng)的車載電子系統(tǒng)。電子平臺除了具備數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸功能外，在系統(tǒng)設(shè)計方面，它所提供的最大優(yōu)勢是，可實現(xiàn)信息共享，并在信息共享的基礎(chǔ)上實現(xiàn)功能的綜合，能在有限的空間內(nèi)增加電子系統(tǒng)的容量。

2.2.1 傳統(tǒng)的車載電子系統(tǒng)具有以下的缺點：采用功能與設(shè)備一對一堆積的設(shè)計方法，這導(dǎo)致戰(zhàn)車操作艙內(nèi)需容納更多的電子設(shè)備；標準性和兼容性差，更新?lián)Q代周期加長；車內(nèi)電子電氣線纜布線繁雜，電磁干擾問題嚴重，車內(nèi)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(zhàn)技性能發(fā)揮。

2.2.2 電子平臺具有以下優(yōu)點：采用綜合信息化技術(shù)；改觀傳統(tǒng)設(shè)計方法的面貌，能夠提高作戰(zhàn)車輛整體的系統(tǒng)性能、可靠性；采用串行數(shù)據(jù)總線傳輸方式，減少體積和重量，便于維護，便于更換系統(tǒng)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(xiàn)綜合的設(shè)計思路，采用相應(yīng)的硬件和軟件來完成功能的執(zhí)行，有利于各子系統(tǒng)的功能設(shè)計與更新升級。

綜合指控系統(tǒng)，以指控計算機為中心，從數(shù)據(jù)總線上對全戰(zhàn)車相關(guān)信息進行調(diào)用，按信息共享、功能綜合的原則，將各分系統(tǒng)在戰(zhàn)車內(nèi)進行組建和設(shè)計，實現(xiàn)全戰(zhàn)車協(xié)調(diào)控制，共同實現(xiàn)導(dǎo)彈、高炮的統(tǒng)一作戰(zhàn)指揮。

3 電子平臺設(shè)計方案

3.1 CAN總線技術(shù)

目前車輛上的電子部件越來越多，數(shù)據(jù)交換量極為龐大，如仍然采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，即用導(dǎo)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(shù)據(jù)總線傳輸系統(tǒng)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(wǎng)總線，適用于車輛計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境惡劣、電磁輻射強的環(huán)境。CAN總線的主要特點：通信速率距離為5kbps/10km～1Mbps/40m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)可達110個，每個節(jié)點均可主動傳輸，通信介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或光纖；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳送時間短、受干擾概率低，有較強網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力；非破壞性總線競爭裁決技術(shù)保證當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)送信息時優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的信息傳遞實時性；當節(jié)點錯誤嚴重時，能自動切斷與總線的聯(lián)系，避免對系統(tǒng)工作造成影響。數(shù)據(jù)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(huán)冗余校驗碼（CRC）校驗措施，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)代彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)已經(jīng)數(shù)字化，各分系統(tǒng)都有信息處理能力，通過數(shù)據(jù)總線將各分系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成分布交互式的計算機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于彈炮結(jié)合戰(zhàn)車防空作戰(zhàn)強調(diào)實時性，數(shù)據(jù)總線也必須是實時總線。本設(shè)計方案就是以CAN總線為核心的電子平臺，將戰(zhàn)車中心計算機系統(tǒng)、跟蹤探測系統(tǒng)、戰(zhàn)車顯控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射裝置、高炮發(fā)射裝置、敵我詢問機、車體姿態(tài)裝置等信息有機聯(lián)系在一起，利用高性能計算機、數(shù)字通信和總線等技術(shù)所建立的綜合指控系統(tǒng)，綜合實現(xiàn)戰(zhàn)車探測跟蹤，導(dǎo)彈和高炮射擊指揮一體化控制，輔助完成作戰(zhàn)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(tǒng)有信息交互的分系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成一個實時控制的通信網(wǎng)絡(luò)。指令發(fā)出去之后，必須保證在一定的時間內(nèi)得到響應(yīng)，否則，就有可能發(fā)生重大事故，這就要求CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置。

此外，戰(zhàn)車在實際作戰(zhàn)或訓(xùn)練過程中，各分系統(tǒng)之間即網(wǎng)絡(luò)上的眾多節(jié)點之間需要進行大量的、實時性的數(shù)據(jù)交互。若各分系統(tǒng)的所有節(jié)點都連接在同一個CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)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(fā)生總線負荷過大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)實時響應(yīng)速度下降的情況。這對于實時性要求較高的彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)來說是絕對不允許的，因此在對網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點的實時性分析之后，根據(jù)各節(jié)點對實時性的要求，設(shè)計了高速、中速和低速三個速率不同的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將實時性要求最高的節(jié)點組成高速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將實時性要求相對較低的節(jié)點組成中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，將剩下的實時性要求最低的節(jié)點組成低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)。在高速、中速和低速三個速率不同的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間通過網(wǎng)關(guān)控制器連接起來，實現(xiàn)指控系統(tǒng)節(jié)點與其他節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。電子平臺上連接的各分系統(tǒng)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，戰(zhàn)車中心計算機系統(tǒng)、戰(zhàn)車顯控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練裝置共同構(gòu)成了綜合指控系統(tǒng)，為全車的中心，它需完成射擊指揮解算、作戰(zhàn)管理、模擬訓(xùn)練、通信等綜合控制，而目標搜索雷達、跟蹤制導(dǎo)雷達、光學設(shè)備需要完成目標和導(dǎo)彈的探測跟蹤、制導(dǎo)控制，車體姿態(tài)裝置需實時提供車體的三姿態(tài)信息，它們在武器系統(tǒng)中實時性均要求最高，因此將它們組成高速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為1Mbps。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔裝置、導(dǎo)彈發(fā)射俯仰、高炮發(fā)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(jié)點構(gòu)成中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為512kbps。

語音系統(tǒng)、供電監(jiān)測系統(tǒng)的實時性相對來說最低，因此將這些節(jié)點構(gòu)成低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為256kbps。

高速和中速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間、中速和低速CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)之間分別由網(wǎng)關(guān)控制器連接，網(wǎng)關(guān)控制器通過對CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息的智能化處理，可以確保只有某類特定信息才能在網(wǎng)絡(luò)間傳輸。各節(jié)點根據(jù)自身需要，在特定通信協(xié)議下進行數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，完成與其他節(jié)點之間的信息交互。

3.2.2 總線通信軟件設(shè)計。本設(shè)計方案中的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)負責高速、中速和低速三條CAN總線上的數(shù)據(jù)交互，不存在對數(shù)據(jù)作任何改動或診斷，實現(xiàn)全透明傳輸。電子平臺工作時，連接在CAN總線上的分系統(tǒng)通過節(jié)點向CAN總線發(fā)送實時數(shù)據(jù)，而需要處理數(shù)據(jù)的分系統(tǒng)通過節(jié)點接收CAN總線數(shù)據(jù)，然后再作處理或診斷?？偩€通信軟件的總體架構(gòu)采用中斷結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀采用8位標準幀格式。CAN總線上的網(wǎng)關(guān)控制器的軟件工作流程圖如圖2所示。

3.3 冗余設(shè)計

3.3.1 中心計算機系統(tǒng)冗余設(shè)計。綜合指控系統(tǒng)是將導(dǎo)彈和高炮的射擊指揮、作戰(zhàn)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(tǒng)及直屬設(shè)備上實現(xiàn)的。其優(yōu)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(dǎo)致計算機故障甚至癱瘓，此時武器系統(tǒng)會喪失大部或全部功能。為了避免這樣的情況發(fā)生，可以在高速CAN總線上連接一組戰(zhàn)車中心計算機系統(tǒng)的備份計算機系統(tǒng)，這樣綜合指控系統(tǒng)運行的功能不只局限于一組中心計算機系統(tǒng)，而是多組中心計算機系統(tǒng)具有系統(tǒng)控制功能。當執(zhí)行系統(tǒng)控制任務(wù)的戰(zhàn)車一組中心計算機系統(tǒng)故障時，可以賦予戰(zhàn)車中心計算機備份計算機系統(tǒng)承擔控制任務(wù)。

3.3.2 總線冗余設(shè)計。為了保證武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)可靠性，電子平臺的CAN總線系統(tǒng)可采用雙冗余系統(tǒng)通信總線。基于CAN總線的雙冗余通信總線的基本設(shè)計思想是在各節(jié)點之間布下兩條基于CAN通信總線，即將各節(jié)點分別連接在CAN1總線和CAN2總線上。正常情況下優(yōu)先在CAN1總線上通信，當CAN1總線出現(xiàn)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(jié)語

綜合指控系統(tǒng)通過分層次的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，完成戰(zhàn)車上相關(guān)各分系統(tǒng)的集中控制，是真正實現(xiàn)有別于傳統(tǒng)指控系統(tǒng)，并具備高炮火控系統(tǒng)功能的綜合指控系統(tǒng)。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(tǒng)、底盤電子系統(tǒng)、故障監(jiān)測系統(tǒng)，真正實現(xiàn)整車通信網(wǎng)絡(luò)化控制。同時經(jīng)過實踐證明，CAN總線性能優(yōu)良，特別適合在強電磁環(huán)境下使用，完全滿足彈炮一體化戰(zhàn)車因高度集成所造成的復(fù)雜強電磁環(huán)境使用要求。

根據(jù)作戰(zhàn)需求，性能更加優(yōu)良、復(fù)雜程度更高的彈炮一體化武器研制必將成為以后的發(fā)展趨勢，這樣各分系統(tǒng)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(dǎo)雷達、光學設(shè)備等傳感器需要傳輸?shù)母咚俅笕萘繑?shù)據(jù)信息，若CAN總線傳輸數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)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(zhàn)車中心計算機系統(tǒng)，再通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他分系統(tǒng)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(shè)計研究所助理工程師，研究方向：指揮控制系統(tǒng)。

（責任編輯：黃銀芳）