自行高炮光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑分析_蘇建剛

Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．７火力與指揮控制第３８卷第７期

Ｊｕｌ，２０１３ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌ＆ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ２０１３年７月

文章編號(hào)：１００２－０６４０（２０１３）０７－０１６０－０４

自行高炮光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑分析

*

蘇建剛，黃艷俊，王志生，曾嫦娥，楊迪

（）

北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京１０００９４

摘要：介紹了自行高炮光電火控系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)的基本原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，提出了光電火控系統(tǒng)仿真

屏幕反射式和準(zhǔn)直投射式等３種目標(biāo)模試驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑主要取決于目標(biāo)模擬方式的觀點(diǎn)。描述了圖像注入式、

擬方式的功能、組成和工作原理。針對(duì)光電火控系統(tǒng)性能指標(biāo)鑒定試驗(yàn)的特點(diǎn)，深入分析了３種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為

屏幕反射式和準(zhǔn)直投射式適用于鑒定試驗(yàn)，根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展水平，可優(yōu)先發(fā)展準(zhǔn)直投射式。

關(guān)鍵詞：自行高炮，光電火控，半實(shí)物仿真，技術(shù)途徑，目標(biāo)模擬

中圖分類號(hào)：ＴＪ３５文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

AnalysisofRealizationonSelf-PropelledAnti-AircraftGun

PhotoelectricFireControlHardware-in-LoopSimulationSystem

ＳＵＪｉａｎ－ｇａｎｇ，ＨＵＡＮＧＹａｎ－ｊｕｎ，ＷＡＮＧＺｈｉ－ｓｈｅｎｇ，ＺＥＮＧＣｈａｎｇ－ｅ，ＹＡＮＧＤｉ

（）

BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnologyBeijingChina

，１０００９４，

Abstract：

Thetheoryandtechnic-approachoflf-propelledanti-aircraftgunphotoelectricfire

theviewpointofhowphotoelectricfirecontrolhardware-in-loopsimulationtestareprantedmeanwhile

，

controlsimulationtestrealizedbadontargetsimulationmodeisintroduced.Thefunctioncomposing

，

andworkprincipleofimageinjectmodescreenreflectmodeandcollimationprojectmodearedescribed.

，

Inallusiontothetraitofevaluationtestonphotoelectricfirecontroltheadvantageanddisadvantageof

，

threemodeareanalyzed.Theresultthatscreenreflectmodeandcollimationprojectmodearesuitto

evaluationtest.Badontechnicdevelopinglevelshoulddevelopcollimationprojectmodefirst.

，

Keywords：ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｄａｎｔｉ－ａｉｒｃｒａｆｔｇｕｎ，ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，

ｔｅｃｈｎｉｃ－ａｐｐｒｏａｃｈ，ｔａｒｇｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

引言

射擊精度是自行高炮武器系統(tǒng)最重要的性能指

標(biāo)之一，而火控系統(tǒng)性能又是影響射擊精度的最主

要因素。目前對(duì)自行高炮武器系統(tǒng)射擊精度的鑒定

試驗(yàn)，主要靠實(shí)彈射擊的方式進(jìn)行。這種試驗(yàn)方式接

近實(shí)戰(zhàn)條件，可有效考核武器系統(tǒng)的綜合效能，是一

種不可替代的試驗(yàn)方法。但是，這種方法也存在著試

驗(yàn)規(guī)模大、試驗(yàn)耗費(fèi)高、試驗(yàn)組織難、邊界條件無(wú)法

考核等問(wèn)題。通過(guò)大量的仿真試驗(yàn)，并結(jié)合適量的實(shí)

彈射擊試驗(yàn)，可以有效解決單純射擊試驗(yàn)所帶來(lái)的

收稿日期：２０１２－０６－１８修回日期：２０１２－０８－２９

軍隊(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

＊

問(wèn)題。例如，在德國(guó)已經(jīng)建設(shè)了用于光電火控和制導(dǎo)

［１］

武器的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)內(nèi)也建立了多個(gè)

用于光電火控半實(shí)物仿真試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室

［２－４］

。然而，

由于武器裝備鑒定試驗(yàn)的特殊性，現(xiàn)行的仿真試驗(yàn)

方法是否適用？什么方法適用于自行高炮光電火控

性能指標(biāo)的鑒定試驗(yàn)？正是本文要回答的問(wèn)題。

１光電火控半實(shí)物仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)途

徑概述

１．１光電火控系統(tǒng)原理

自行高炮火控系統(tǒng)一般由目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、火控

作者簡(jiǎn)介：蘇建剛（1963-），男，河南靈寶人，研究員，博士。研究方向：武器裝備試驗(yàn)與鑒定技術(shù)

。

·１６０·

蘇建剛，等：自行高炮光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑分析（總第３８－１２４５）

計(jì)算機(jī)、武器隨動(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)以及彈道氣象測(cè)目標(biāo)模擬分系統(tǒng)為光電探測(cè)分系統(tǒng)提供模擬目

量裝置等組成，其原理框圖如圖１所示。標(biāo)，包括可見(jiàn)光、紅外和激光模擬目標(biāo)。姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模

擬分系統(tǒng)用于模擬自行高炮行進(jìn)過(guò)程的車體姿態(tài)，

仿真試驗(yàn)中，自行高炮置于姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬分系統(tǒng)上。

參數(shù)測(cè)試分系統(tǒng)用于在仿真試驗(yàn)中測(cè)試光電火控系

統(tǒng)輸出參數(shù)，主要有：探測(cè)分系統(tǒng)輸出的目標(biāo)坐標(biāo)

俯仰角和距離）、火控計(jì)算機(jī)輸出的射擊諸（方位角、

元、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)輸出的火炮身管指向參數(shù)以及通

過(guò)外測(cè)系統(tǒng)獲得的火炮身管實(shí)際指向數(shù)據(jù)。仿真計(jì)

算機(jī)用于實(shí)時(shí)生成目標(biāo)航路和車體姿態(tài)數(shù)據(jù)，并實(shí)

時(shí)計(jì)算彈丸彈道數(shù)據(jù)以及彈丸脫靶量數(shù)據(jù)等。總控

制臺(tái)主要用于試驗(yàn)過(guò)程管理與控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

用于仿真試驗(yàn)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)信息傳輸。

１．３技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑概述

對(duì)于圖２所示的光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)，除

目標(biāo)模擬分系統(tǒng)外，其他分系統(tǒng)都可以采用成熟技

光電火控半實(shí)物仿真術(shù)實(shí)現(xiàn)，本文不再贅述。這樣，

系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要依賴于目標(biāo)模擬分系統(tǒng)的技

術(shù)實(shí)現(xiàn)。

光電火控系統(tǒng)探測(cè)分系統(tǒng)的探測(cè)傳感器主要

包括激光測(cè)距機(jī)和電視、紅外攝像機(jī)。對(duì)于激光測(cè)

距機(jī)，可采用延時(shí)法來(lái)模擬激光傳輸過(guò)程，這種方

法較為成熟，本文不再贅述。而對(duì)于電視和紅外攝

像機(jī)，為其提供模擬目標(biāo)的方法較多，決定著整個(gè)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。也就是說(shuō)，只要

確定了電視／紅外目標(biāo)模擬技術(shù)途徑，就可以確定

光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。目前常

用的電視和紅外成像目標(biāo)模擬方式主要有３種：信

號(hào)注入式、投影反射式和準(zhǔn)直投射式。下面就針對(duì)

這３種目標(biāo)模擬方式進(jìn)行分析。

圖1自行高炮火控系統(tǒng)原理框圖

目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)坐標(biāo)，穩(wěn)定系統(tǒng)測(cè)量載

氣象等射體的姿態(tài)，彈道氣象測(cè)量裝置測(cè)量彈道、

擊條件偏差，火控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收這些信息，并根

據(jù)這些信息和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)假設(shè)、彈道特性等實(shí)時(shí)連續(xù)

計(jì)算出武器射擊所需的數(shù)據(jù)（射擊諸元），通過(guò)隨動(dòng)

火系統(tǒng)將武器調(diào)整到射擊方向。由圖１可以看出，

控系統(tǒng)的主要功能可概括為：測(cè)量、計(jì)算和控制。測(cè)

量是指對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)、車體姿態(tài)和射擊條件偏差的測(cè)

量，計(jì)算是指對(duì)射擊諸元和各種控制量的計(jì)算，控

制是指對(duì)目標(biāo)探測(cè)器和發(fā)射裝置的控制。

按目標(biāo)探測(cè)手段的不同，火控系統(tǒng)可分為光電

火控系統(tǒng)和雷達(dá)火控系統(tǒng)。光電火控系統(tǒng)一般采用

電視和紅外成像探測(cè)器獲取目標(biāo)方位角和俯仰角

信息，采用激光測(cè)距機(jī)獲取目標(biāo)距離信息。

１．２半實(shí)物仿真系統(tǒng)基本方案

仿真試驗(yàn)就是要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，給光電火控系統(tǒng)

提供如同實(shí)戰(zhàn)一樣的工作條件，使光電火控系統(tǒng)如

同在實(shí)戰(zhàn)中一樣工作，從而評(píng)定其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)是

否符合要求。為此需要構(gòu)建如圖２所示的自行高炮

光電火控系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

２圖像注入式

圖３是光電火控目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖，

其中：和表示目標(biāo)的方位角和高低角；和

AEAE

CC

表示瞄準(zhǔn)線的方位角和高低角；和表示目標(biāo)

△A△E

在瞄準(zhǔn)線方位和高低方向上的偏離量，通常稱為目

標(biāo)脫靶量或脫靶量；和是脫靶量在電視紅

△A△E/

TT

圖2仿真試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

△

△

△

△

外成像器件上的圖像信息；和是脫靶量的

△A△E

CC

測(cè)量值。

△

△

圖3光電火控目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)原理框圖

·１６１·

（總第３８－１２４６）火力與指揮控制２０１３年第７期

圖像注入式是指利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像代替電

視／紅外攝像機(jī)圖像的目標(biāo)模擬方法，即由仿真計(jì)

算機(jī)產(chǎn)生和直接注入到視頻處理器的輸

△A△E

TT

入端。和可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航路由仿真計(jì)算

AE

機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算得到，和一般通過(guò)測(cè)量跟蹤器軸

AE

CC

角編碼器上的輸出值得到，由此可以得到和

△A△E

的值。仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)戰(zhàn)情和和值產(chǎn)

△A△E

生一幅圖像，從而得到和，并注入到視頻處

△A△E

TT

理器的輸入端。這就是圖像注入式目標(biāo)模擬方法的

工作原理。

圖像注入式目標(biāo)模擬方法簡(jiǎn)單、易行，在武器

裝備的訓(xùn)練中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了很好效

這種方法也有應(yīng)果。盡管在武器裝備鑒定試驗(yàn)中，

用的報(bào)道，但由于下述原因，將這種方法應(yīng)用到鑒

定試驗(yàn)中值得商榷。首先，計(jì)算機(jī)在產(chǎn)生和

△A△E

TT

時(shí)，需要武器裝備產(chǎn)生的信息和

AE

CC

。也就是說(shuō)，

目標(biāo)信息中包含了被試裝備的信息。對(duì)于鑒定試

驗(yàn)，將被試裝備信息作為輸入來(lái)考核其性能，有失

客觀性，是應(yīng)該避免的。其次，和是瞄準(zhǔn)線指

AE

CC

向的測(cè)量值，與瞄準(zhǔn)線真值之間存在誤差，而該誤

差又通過(guò)視頻處理器和跟蹤器環(huán)節(jié)加到試驗(yàn)數(shù)據(jù)

中，難以分離，增加了鑒定結(jié)論的不確定因素。最

后，這種方法忽略了電視／紅外攝像機(jī)環(huán)節(jié)，無(wú)法考

核該環(huán)節(jié)的性能及其對(duì)武器裝備性能的影響。

圖4自行高炮半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)

這種方式與自行高炮的作戰(zhàn)使用方式接近，具

有效果直觀、沉浸感良好等一系列優(yōu)勢(shì)，在武器裝

備研制試驗(yàn)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但受技術(shù)條

件限制，這種方式尚存在以下幾方面的不足。首先，

在紅外目標(biāo)模擬方面，反射式體制僅僅能夠通過(guò)激

光器來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源目標(biāo)的模擬，無(wú)法模擬面目標(biāo)，更

無(wú)法模擬既有背景又有目標(biāo)的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。其

次，自行高炮電視攝像機(jī)通常是望遠(yuǎn)系統(tǒng)，最小成

像距離往往大于５０ｍ，但在室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境下，球形

幕半徑難以超過(guò)２０ｍ。如果通過(guò)調(diào)整焦距而降低攝

像機(jī)的最小成像距離，將使試驗(yàn)結(jié)果的客觀性大打

折扣，對(duì)于武器裝備的鑒定試驗(yàn)是難以接受的。最

精度、分辨率后，為實(shí)現(xiàn)所需目標(biāo)與場(chǎng)景模擬范圍、

要求，往往需要采用大量高分辨率、高亮度投影儀

和性能極高的圖形工作站和投影儀，并對(duì)反射屏幕

的平整度等提出了很高要求，使得系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜，

建設(shè)經(jīng)費(fèi)高。

３屏幕投影式

屏幕投影式，就是利用投影機(jī)將仿真計(jì)算機(jī)所

生成的目標(biāo)與背景圖像在一個(gè)屏幕上正投影顯示

出來(lái)，被試產(chǎn)品位于屏幕的幾何中心或附近，瞄準(zhǔn)

并跟蹤屏幕上目標(biāo)的一種方法。

圖４是一個(gè)采用屏幕投影式方法構(gòu)建的自行

［５］

，主要由球形幕、目標(biāo)／背景高炮半實(shí)物仿真系統(tǒng)

投影儀組、二軸轉(zhuǎn)臺(tái)、六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器、數(shù)據(jù)采

主控計(jì)算機(jī)等組成。為了滿足光電集與評(píng)估裝置、

跟蹤系統(tǒng)工作范圍的要求，采用球形投影幕。將自

行高炮整車放置于半球形實(shí)驗(yàn)室中心的大功率六

自由度運(yùn)動(dòng)模擬器上，可以模擬自行高炮行進(jìn)間跟

蹤目標(biāo)的情況。目標(biāo)／背景投影儀組由背景投影儀

陣列和目標(biāo)投影儀組成。背景投影儀陣列由多臺(tái)投

影儀組成，通過(guò)圖像拼接融合在球幕上形成背景圖

像。一臺(tái)投影儀專門用于目標(biāo)圖像的投射，將目標(biāo)

投射器置于二軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)二軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在

球形幕上形成模擬目標(biāo)航路

。被試自行高炮光電火

瞄準(zhǔn)、跟蹤，控系統(tǒng)對(duì)球幕上的模擬目標(biāo)進(jìn)行搜索、

從而進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

·１６２·

４準(zhǔn)直投射式

準(zhǔn)直投射式，是將仿真計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的目標(biāo)與背

景圖像通過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，按照所需視場(chǎng)大

小投射到武器裝備光學(xué)探測(cè)器的入瞳內(nèi)的一種方

法。這種方法已經(jīng)在光學(xué)導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真試驗(yàn)中

得到了廣泛應(yīng)用，在小型光電探測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)中也得

到了應(yīng)用。

下頁(yè)圖５所示是一種用于光電成像導(dǎo)引頭半

實(shí)物仿真試驗(yàn)的五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)

［６］

。能夠產(chǎn)生目標(biāo)圖

像的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)置于五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的外二軸上，

可圍繞轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心做方位和俯仰運(yùn)動(dòng)，以模擬目

標(biāo)相對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。光電探測(cè)系統(tǒng)

（如光學(xué)導(dǎo)引頭）置于內(nèi)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心（也是

五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心）上，跟蹤準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)

產(chǎn)生的目標(biāo)圖像，達(dá)到半實(shí)物仿真試驗(yàn)的目的。

這種方式也能達(dá)到屏幕投影式所能達(dá)到的主

要優(yōu)點(diǎn)，而且還能為光學(xué)探測(cè)器提供紅外圖像，因

蘇建剛，等：自行高炮光電火控半實(shí)物仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑分析（總第３８－１２４７）

紅外場(chǎng)景目標(biāo)無(wú)法模擬以及需調(diào)整探在著投資大、

測(cè)系統(tǒng)焦距以適應(yīng)近距離成像等問(wèn)題，阻礙了它的

廣泛應(yīng)用。隨著紅外目標(biāo)模擬技術(shù)的飛速前進(jìn)，我

國(guó)國(guó)力的快速提高，有理由相信屏幕反射式必將在

自行高炮的鑒定試驗(yàn)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

準(zhǔn)直投射式同樣也克服了圖像注入式的缺點(diǎn)，

而且其投資規(guī)模和建設(shè)規(guī)模小于屏幕反射式，是目

前較理想的發(fā)展模式。但完全按照制導(dǎo)武器五軸仿

真轉(zhuǎn)臺(tái)的思路進(jìn)行建設(shè)，將會(huì)遇到巨大的技術(shù)障

礙。為解決這一困局，國(guó)內(nèi)多家單位都已開(kāi)展了相

應(yīng)的研究和設(shè)計(jì)工作，并取得了很大進(jìn)展

［７－８］

。相信

在未來(lái)幾年，可適用于自行高炮光電火控系統(tǒng)半實(shí)

圖5五軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

物仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)直投射式目標(biāo)模擬裝置，將會(huì)應(yīng)用

到實(shí)際中去。

參考文獻(xiàn)：

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ｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ－ＬｏｏｐＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＯｐｔｒｏｎｉｃ

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檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究［Ｊ］．光學(xué)技術(shù)，２００９，３５（６）：

此，適用于光學(xué)導(dǎo)引頭和小型光電探測(cè)系統(tǒng)半實(shí)物

考慮到炮塔回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)。但對(duì)于自行高炮而言，

半徑以及火炮身管的尺寸，若采用圖５所示的方

法，則準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)距光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的距離應(yīng)至少

大于３ｍ以上，這樣將使準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重

量急劇增加，不僅給準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，也給五軸轉(zhuǎn)臺(tái)

的研制帶來(lái)了巨大的難度，乃至無(wú)法克服的難度。

５結(jié)論

對(duì)于武器裝備性能指標(biāo)的鑒定試驗(yàn)而言，不希

望改變武器裝備的狀態(tài)，也不希望在試驗(yàn)中使用武

器裝備的某個(gè)狀態(tài)參數(shù)，以免影響鑒定試驗(yàn)的客觀

性。因此，在自行高炮半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，一般不建

議采用圖像注入式方法。但在其他試驗(yàn)中，如武器

裝備科研試驗(yàn)以及部隊(duì)訓(xùn)練試驗(yàn)中，因其簡(jiǎn)單易行

而具有強(qiáng)大的生命力。

屏幕反射式克服了圖像注入式依賴被試系統(tǒng)

狀態(tài)參數(shù)的致命缺點(diǎn)，可為電視攝像機(jī)提供可見(jiàn)光

場(chǎng)景圖像和為紅外熱像儀提供點(diǎn)源目標(biāo)，是光電火

控系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)較理想的方式。但該方式存

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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