第二节 火控系统的组成
一、火控系统的组成
目前，世界上各国的火力控制系统种类繁多，广泛应用于陆、海、空三军，也用于战略导弹部队。形式与组成多种多样，但是归纳起来，火控系统主要由三部分组成，如图1.2所示。
图1.2 火力控制系统的组成
但是仅靠图1.2中的三个系统组成的火控系统，在现代战场条件下是无法完成火控任务的，现代化的火控系统还需要有操作显控台、导航系统、姿态测量系统、弹道气象测量系统为火控计算机提供各类信息，因此现代火控系统一般划分为5个子系统，如图1.3所示。
图1.3 现代火力控制系统组成框图
目标搜索与跟踪系统包括目标搜索和跟踪传感器，其任务是测量目标的斜距离、方位角、高低角或其各阶变化率，目标的速度、航向或矩变率和横移率，并将这些数据送至火力控制计算机。常见的测量跟踪装置有光学瞄准镜、红外跟踪装置、被动雷达、激光测距机、雷达、激光雷达等。
导航和姿态参数测量系统可实时测量武器载体的地理位置、速度、加速度信号和载体的姿态参数。气象参数测量系统可实时测量风速、风向、大气温度、大气压力等参数，并将这些测量参数传输到火控计算机，为解命中问题提供支撑。例如常用的装置有电罗经、磁罗经、平台水平仪、平台罗经、卫星导航装置（GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU）、惯性导航系统、寻北仪、横风传感器、气压计、气温计等。
火控计算机的主要任务是接收目标搜索与跟踪装置提供的目标数据（斜距离D，方位角β、高低角ε或其各阶变化率），接收导航设备、姿态测量装置和大气测量系统提供的武器载体导航信息、载体姿态信息、运动参数信息和大气的参数；依据操作显控台的控制自动或半自动地估计目标的运动状态（目标的位置、速度和加速度）信息，计算武器的射击诸元等，如导弹自控时间、武器的发射架瞄准角等。
随动系统就是接收火控计算机计算的射击诸元，驱动武器身管或发射架；按照射击控制程序，进行击发射击。
火控系统的操作显控台是人机交互的平台，通过操作显控台的按钮、开关、键盘使火控系统各个分系统协调地工作，例如使火控计算机完成相应的计算和控制动作。通过数码管、指示灯、显示器把文字、图像、光和声音等以多媒体手段形象地将交互信息提供给操作人员，操作人员可通过控制台控制武器发射。当系统处于全自动状态时，操作显控台只是用来监控各个系统的工作状态，不需要人为干预，直到发出需要人为干预警报时才需要人员操作。此外操作显控台还可以实现指示故障部位、指导模拟训练等功能。
二、可独立自主作战火炮武器系统的火控系统组成
不同武器的火控系统虽然作战使命与控制任务不同，但其功能和实现这些功能的分系统却大体相同。如果一个武器系统要求有独立自主作战的能力，那么它的火控系统要求具有目标搜索与跟踪功能、弹道气象测量等功能，下面仅从火控系统应完成的功能出发，给出一种具有独立自主作战能力的自行高炮火控系统的组成框图，如图1.4所示。
图1.4 自行高炮火控系统的组成框图
应当指出，并不是所有的自行高炮火控系统都必须具备图中所有的分系统，而是根据战术需要、经费支持情况可以增减的，形成同一体系结构、不同配置的火控系统。
火控系统的构成不是唯一的，需根据武器系统战术技术要求，选择火力控制系统的技术设备，构成不同档次、不同销售价格的火力控制系统，以满足不同用户在不同使用环境下的需求。但目标跟踪分系统、火控计算机分系统、弹道与气象测量分系统、操作显控台和供电分系统是必不可少的组成部分。
下面概述各分系统的功能。
1．目标搜索分系统
目标搜索分系统的功能是：独立实施防区内的目标搜索或依据上级给出的目标指示实施指定区域内的目标搜索；概略估计搜索到的目标类型、数量、位置、运动参数，显示目标航迹；完成目标敌我识别与敌方目标对我方目标的威胁度估计；测量目标粗略坐标，并为目标跟踪分系统指示目标，引导其截获目标。一般由目标搜索分系统的敌我识别器识别敌、我目标。概略估计目标的特征与性质由计算机自动完成。这里之所以是概略估计，是因为搜索装置的测程大、搜索区域广，难以得到准确测量值。
完成目标搜索任务的装置种类繁多，主要有：警戒与搜索雷达、无人侦察飞机、侦察校射雷达、红外预警系统、声测系统、变倍大视场光学观测器材等。
2．目标跟踪分系统
目标跟踪分系统的功能是：在搜索分系统的导引下截获目标；从背景中识别目标；精确地跟踪目标；测量并输出目标现在点坐标（距离、方位角、高低角）；显示目标与目标航迹；实现自行武器跟踪线的独立与稳定。
完成目标跟踪的主要装置有：各种跟踪雷达、白光、微光、电视、远红外（热成像）跟踪仪及激光跟踪仪或激光测距仪等。对回波跟踪体制，目标识别靠的是检测回波；对图像跟踪体制，靠的是图像处理技术；目标运动参数的求取主要使用计算机的滤波软件。跟踪线的独立与稳定则主要用惯性器件。
3．火控计算机分系统
武器火控系统的核心部分是火控计算机（又名射击指挥仪或弹道计算机），它存储与处理火控系统的全部信息与数据，估计目标运动状态，求解实战条件下的弹道方程或查询存储于其中的射表，决定射击诸元，并依据射击结果加以修正。为给火控计算机求解命中问题提供必要的数据，通常由雷达、光学测距机、激光测距机、声测机、电视跟踪仪等坐标测量装备或校射飞机，测定目标与炸点的坐标；由温度计、气压计、风速计、弹速测量仪等气象与弹道测量仪器，测定实战时的气象与弹道条件。
火控计算机分系统的主要功能是：接收目标指示数据、敌我识别标志、目标现在点坐标值、载体位置和姿态、弹道及气象修正和射击校正量等信息；求取目标运动参数、射击诸元、跟踪线和射击线稳定控制策略、武器随动系统控制策略、火控系统管理控制策略、最佳射击时机及射击时间；输出射击诸元、各种控制信号及系统控制面板的显示信息，检测火控系统功能，诊断其故障。应着重指出，现代火控计算机分系统的主要任务是完成火控系统的各种控制功能，火控解算功能仅是其中之一。
对集中式火控系统而言，这个分系统一般是一台数字式计算机及火控软件。模拟计算机在新研制的火控系统中早已不用。
对分布式火控系统而言，其计算任务将被分解为若干个软件，分散地插入相关的分系统之中。独立的火控计算机有可能不再存在。
4．武器随动分系统
武器随动分系统的功能是：接收火控计算机分系统给出的射击诸元，驱动武器身管或发射架；按照射击控制程序，进行击发射击。
主要射击诸元有：高低角与方位角。而对时间引信分划（弹头飞行时间）、水面或水中武器的转向角、爆炸深等，则在弹头发射前由相应控制机构完成。武器随动分系统通常采用直流或交流机电随动系统，功率较大时，则采用液压式随动系统。对自行武器，该分系统还应具备武器线稳定功能。为提高武器随动分系统的快速性及平衡性，有的武器随动分系统采用了前馈补偿原理，因此，还必须接收射击诸元的一阶导数及二阶导数。
5．定位定向分系统
定位定向分系统的功能是：测量载体纵轴相对正北方向的偏航角、载体的地理经纬坐标。用于外部目标指示及载体驾驶导航。
自动寻北的主要设备有陀螺寻北仪、磁或电磁寻北仪。如再配以计程仪，即可完成武器定位任务。卫星定位系统（美国为GPS，俄罗斯为GLONASS，欧盟为“伽利略系统”，中国为“北斗卫星系统”）的地面接收器可给出武器的地理经纬坐标，如使用其差分工作方式，还可完成自动寻北任务。该分系统是武器协同作战时必不可少的，如仅考虑独立作战且不考虑车辆导航时则不需要定位定向分系统。
6．载体姿态测量分系统
载体姿态测量分系统的功能是：在载体运动中测量载体旋转运动的三个分量，即偏航角、纵倾角、横滚角或它们的角速度。载体静止状态下，载体相对地面的倾斜角常用倾斜传感器测量。用惯性陀螺仪可很方便地测量出载体的三个旋转角度或角速度，这些量不仅用于射击诸元计算，而且还可用于稳定跟踪线和武器线。
7．弹道与气象测量分系统
弹道与气象测量分系统的功能是：测量并输出为修正射击诸元所必需的全部弹道与气象条件。它包括弹头初速、药温等弹道条件及气温、空气密度、湿度、风速、风向等气象条件。各种气象传感器既可分散单独使用，也可组成气象站。弹头初速测量雷达与气象测量雷达则是日益广泛应用的先进弹道与气象条件检测设备。
8．脱靶量检测分系统
脱靶量检测分系统检测出来的脱靶量主要用于评估射击效果，实施校射。地炮校射雷达用跟踪弹道末端的弹头轨迹来推算落点，从而计算出脱靶量。对空中活动目标，需要用能同时跟踪目标与弹头的观测器材来检测脱靶量，如相控阵雷达、大视场光电实时成像系统均可完成这一任务。因能实时测量脱靶量，则可构成大闭环火控系统，提高射击精度。
9．通信分系统
通信分系统的功能是：实施火控系统内部各个分系统间的信息传递以及它与外部的信息交换。各种有线与无线、模拟与数字式通信装置都能承担这一任务。但是，自行武器与外部交换信息只能采用无线通信方式。数字计算机的局域网通信技术也已进入这一领域。各种机电与数/模变换器件，如自整角机、旋转变压器、数/模变换器、模/数变换器、轴角编码器等，用于信息类型的自动转换。
10．操作显控台
火力控制计算机靠人进行操作，通过操作显控台的按钮、开关、键盘使火力控制计算机完成相应的计算和控制动作，操作显控台还通过数码管、指示灯或显示器把文字、图像、声音等以多媒体手段直观形象地将交互信息提供给操作员。操作员可通过操作显控台控制武器发射，还可以实现显示设备自控状态，指示故障部位，指导模拟训练等功能。
11．初级供电分系统
初级供电分系统的功能是：向各个分系统初级供电，并显示、检测初级供电的品质。它主要由主机电源和辅机电源组成。主机电源与武器的发动机相连接，向武器系统的全体用电设备提供电源；辅机电源主要由汽油或柴油发电机组成，在主机电源供电品质达不到要求时，自动切换到辅机电源并向武器系统的全体用电设备提供电源。
三、自行榴弹炮火控系统体系结构
目前世界上大量装备的比较先进的自行榴弹炮有105mm、122mm、152mm和155mm，例如德国的PzH2000155mm自行榴弹炮、美国的M109A6155mm自行榴弹炮、俄罗斯的2S35“联盟－SV”152mm自行榴弹炮、中国的PLZ－45155mm自行榴弹炮，无论是在火力性能、机动性能，火控技术上都是佼佼者，其火控系统各自有各自的特点。典型的自行榴弹炮火控系统组成如图1.5所示。
图1.5 自行榴弹炮火控系统的组成框图
四、坦克火控系统体系结构
现代战争对坦克火控系统的基本要求有：
（1）能全天候地快速搜索与识别目标。
（2）能有效地采集目标的各种参数，并能实时地对目标实施精密跟踪与瞄准。
（3）系统反应时间（或系统的射击准备时间）要短。
（4）要求坦克在行进中或短停间具有对运动目标的射击能力。
（5）要求达到较高的首发命中率。
（6）要求具有选择不同工作方式的能力。
（7）具有野战适应能力，可靠性高，并且操作简便、维护容易。
（8）具有故障自检能力。
因此常见的现代坦克火控系统框图如图1.6所示。
图1.6 现代坦克火控系统框图
1．目标观瞄系统
目标观瞄系统通常由激光测距仪、视场稳定的瞄准镜和目标运动参数传感器等组成，用以搜索、跟踪和瞄准目标，并可为系统提供目标距离和运动参数等信息。在目标观瞄系统中存在一条重要的光学轴线，即瞄准线，它是以瞄准镜物镜节点为起点，通过分划板瞄准指标的射线。在搜索和跟踪目标时，瞄准线与火炮轴线处于同轴控制的状态，而当系统射击时，瞄准线与火炮轴线（武器线）在高低和方向上均有一个按射击诸元装定的角度差，即提前量。
2．火控计算机
火控计算机是火控系统的核心部件。现代坦克火控系统均选用数字式计算机，并且应该具有以下功能：
（1）能根据不同的弹种，自动求解弹道方程，确定火炮在高低向的瞄准角。这是火控计算机的首要任务。这也是有些专著和教材将火控计算机称为弹道计算机的原因。
（2）能根据目标距离和运动信息，按照目标运动假定，解算弹丸与运动目标相遇的命中问题，求出火炮在高低和方向上的射角提前量。
（3）能自动采集对射击有影响的各种弹道和环境参数或根据人工输入的各类修正量，综合计算出火炮在高低向和方向上应有的修正量，再将这些修正量按一定的算法附加到已算出的高低角和方向角上，得到火炮最后的高低角和方向角。
（4）能控制一定的系统，以某种方式自动地装定高低角和方向角，然后指示炮手进行正确的瞄准、射击。
（5）不仅对计算机本身，而且对整个火控系统具有自检能力。
3．修正量传感器
修正量传感器是给现代坦克火控解算提供计算数据的必不可少的设备，常见修正量传感器有横风传感器、火炮耳轴倾斜传感器、气温传感器、气压传感器、药温传感器、炮膛磨损传感器、炮口偏移传感器等，这些数量众多、各种各样的传感器是现代火控系统自动化、智能化的重要标志。这些传感器可以实时地为火控计算机提供火控解算所必需的各种数据（各类参数的当前值或与标准状态的偏移值），一旦各参数偏离了建立弹道方程的标准值时，计算机可以实时地计算出相应的修正量予以补偿，以保证射击的准确性。有些火控系统为了简化设计、减小成本，常将一部分弹道、环境参数的传感器取消（例如：气压、气温、药温等），改为人工装定，并以数字量的形式直接输入计算机。
4．火炮控制系统
火炮控制系统（简称炮控系统）是火控系统的重要组成部分，火控系统的许多重要战术技术性能均是依赖它来实现的。
当前，各主战坦克都安装了火炮稳定系统，这种炮控系统除了在一定的精度范围内稳定火炮外，还应具有良好的控制性能，以便炮手和火控计算机能对它实施高质量的控制。
就坦克火炮稳定系统的系统结构而言，坦克炮控系统可以分为以下两类。
第一类火炮稳定系统，即常见的双向稳定系统，主要由高低向和水平向上的角度陀螺仪输出误差信号，可在两个方向上稳定火炮。这种系统的特点是瞄准线从动于火炮轴线，坦克在行进时，它虽可稳定和控制火炮，但瞄准线的稳定精度与火炮相同，无法实现精密跟踪与瞄准，坦克只能作短停射击。
第二类火炮稳定系统，是瞄准线独立稳定的火炮稳定系统。其最大特点是具有两套稳定系统，一套是稳定瞄准线，另一套同第一类，用于稳定火炮轴线，而且是火炮轴线随动与瞄准线。这种方案上的改进，使整个火控系统的综合精度大为提高，可以实现行进间对运动目标的射击。
就炮控系统的技术改进而言，当前有两个比较主流的技术途径。其一是采取复合控制技术，即在稳定系统的基础上增加前馈控制陀螺，可有效地提高稳定精度。其二是采用计算机控制技术将系统改造成数字式炮控系统，它除了可提高稳定精度外，还可明显地提高系统的综合性能，使火控与炮控之间的技术性能更加协调统一，这已成为当前各国火控系统数字化改造的重要方面之一。
5．操纵控制系统
该系统是坦克乘员（车长、炮长和瞄准手）对整个武器系统的火控系统进行人—机交互的系统，一般由显控终端、键盘、手柄等组成。操纵控制系统除了可以对火炮或瞄准线进行操纵外，还可以由坦克乘员根据具体使用情况选定不同的工作方式，通常包括战斗工作方式、自检工作方式、校炮工作方式、模拟训练工作方式等。每一种工作方式中，又可根据不同的情况，设置不同的初始工作状态。
五、总线形式的火控系统体系结构
众所周知，控制器局域网（Controller Area Network, CAN）具有高性能、高可靠性以及独特的设计，越来越受到人们的重视，并快速在军事工程上得到大量的运用。随着CAN在各种领域的应用和推广，对其通信格式标准化的要求日益增长。1991年9月Philips Semiconductors公司制定并发布了CAN技术规范，该技术规范包括A和B两个部分。CAN2.0A给出了CAN报文标准格式，而CAN2.0B给出了标准和扩展的两种格式。此后，1993年11月ISO（国际标准化组织）正式颁布了CAN国际标准ISO11898，为CAN的标准化和规范化铺平了道路。
与此同时，随着火控系统自动化、智能化、信息化程度越来越高，火控系统的体系结构也越来越复杂，电缆布线复杂，特别是由于坦克、自行火炮等武器系统的炮塔狭小，这种问题越来越突出。幸运的是，随着CAN标准化和规范化的实现，CAN总线技术得到了广泛的应用和长足的发展，火控系统的体系结构发生了质的变化，出现了一批以CAN总线为信息传输通道的火控系统。总线形式的火控系统分散配置、模块化程度高、接口标准、安装方便、布置灵活，可方便升级改造。
理论上讲，只要在两个CAN节点间连上通信电缆，就构成了最简单的CAN总线系统。但是一般CAN总线系统是由控制器节点、功能节点（执行器或传感器等）、监控节点以及人机界面组成。因此，典型的CAN总线形式的火控系统体系结构如图1.7所示。CAN总线的火控系统可靠性高，也可搭载更多的设备而不致信息堵塞，造成火控系统反应时间延长。
图1.7 CAN总线形式的火控系统体系结构
除了图1.7所示的分系统或设备外，还可根据武器系统战术技术要求，选择增加或减少火力控制系统的设备，构成不同档次、不同功能、不同销售价格的火力控制系统，以满足不同用户在不同使用环境下的需求。
各个模块的功能与传统体系结构中的一致，这里不再赘述。