智能化坦克火控系統(tǒng)結構設計及其關鍵技術研究

趙立陽，常天慶，戴文君，郭理彬，張 雷

(陸軍裝甲兵學院，北京 100072)

隨著現(xiàn)代數(shù)字化戰(zhàn)場對坦克等裝甲車輛需求的不斷提高和人工智能、信息技術等新技術的廣泛應用，世界各國都在加強其主戰(zhàn)裝甲裝備的信息化和智能化建設，并對適應未來戰(zhàn)場的新型火控系統(tǒng)或新型火力打擊系統(tǒng)進行研究，使坦克具有信息化程度高、遠程火力打擊精度高、智能化程度高的特點。坦克作為地面戰(zhàn)爭的主要武器力量，是確保戰(zhàn)爭勝利的有力保障。而坦克火控系統(tǒng)作為發(fā)揮坦克作戰(zhàn)火力的重要部分，是完成目標搜索、目標瞄準、火炮控制和目標打擊的系統(tǒng)[1-2]。因此，坦克火控系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到坦克裝甲車輛整體戰(zhàn)斗能力的強弱[3]。

1 坦克火控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

目前，坦克火控系統(tǒng)的操作大多采用人為操作，目標搜索和跟蹤慢，控制精度低，決策時間長，且受乘員心理素質、生理狀態(tài)以及戰(zhàn)場環(huán)境的影響較大，嚴重制約現(xiàn)有坦克火控系統(tǒng)首發(fā)命中率和射擊反應時間，使火控系統(tǒng)的性能難以發(fā)揮。

隨著目標識別、智能控制、威脅評估等技術的不斷成熟[4-5]，以及各類傳感器和智能武器自主技術在軍事裝備上的廣泛應用，坦克火控系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、自主化的發(fā)展趨勢，最后隨著智能無人技術和信息融合技術的不斷發(fā)展，實現(xiàn)坦克無人化的作戰(zhàn)能力。

但目前，國內外的學者對火控系統(tǒng)的智能化和自主化沒有明確的定義和界限。普遍的認為智能化火控系統(tǒng)是一個具有良好的人機交互性[6-7]，可以自主完成目標智能搜索、目標識別、目標跟蹤、信息共享、智能輔助決策、智能火力打擊等功能，能夠極大簡化坦克乘員操控復雜程度、減輕乘員負擔的火控系統(tǒng)。自主化火控系統(tǒng)是在目標自主搜索和識別、目標自主跟蹤、打擊優(yōu)化決策、自動火力打擊實施等技術的基礎上，利用人工智能、自主控制等技術,實現(xiàn)目標火力打擊全過程無人化、自主化的火控系統(tǒng)。自主化火控系統(tǒng)與智能化火控系統(tǒng)相比，自主化火控系統(tǒng)更加強調在整個火控系統(tǒng)的工作過程中沒有人為因素的干預，完全依靠系統(tǒng)本身實現(xiàn)在非結構戰(zhàn)場環(huán)境下的火力打擊。在自主化火控系統(tǒng)中，人只起到環(huán)外的監(jiān)視作用，不干預火控系統(tǒng)的行為。

實現(xiàn)坦克火控系統(tǒng)的自主化和無人化是必然的趨勢[8]。但由于地面作戰(zhàn)環(huán)境復雜，情況多變，作戰(zhàn)任務多樣，突發(fā)狀況頻出，仍有許多問題需要人為的決策解決，且地面環(huán)境下目標易于遮擋和偽裝，對目標的自主識別難度遠大于空中和海上的目標辨識，現(xiàn)階段實現(xiàn)坦克火控系統(tǒng)的無人化和自主化存在較大的困難。

2 新型智能化火控系統(tǒng)的結構設計方案

2.1 基本原理

為解決現(xiàn)有火控系統(tǒng)在功能上的不足和智能化水平較低的問題，在坦克現(xiàn)有火控部件和傳感器的基礎上，添加跟蹤主機、系統(tǒng)主機、控制主機和圖像獲取單元等部件，構建一套人機協(xié)同的火控系統(tǒng)。在明確系統(tǒng)的人機分配問題和主要功能的分配問題基礎上[9-11]，以智能化的設備取代炮長進行目標跟蹤和火炮控制，輔助車長進行目標識別搜索和打擊決策，實現(xiàn)火控系統(tǒng)的智能化，其結構如圖1所示。

圖1 智能化火控系統(tǒng)結構設計框圖

2.2 系統(tǒng)結構

智能化火控系統(tǒng)可以分解為兩個層次，第一層由三套主機部件組成，第二層在第一層的基礎上繼續(xù)細分得到，包括大視場戰(zhàn)場圖像獲取子系統(tǒng)、目標檢測與識別子系統(tǒng)、多目標跟蹤子系統(tǒng)、多目標信息管理子系統(tǒng)、智能輔助決策子系統(tǒng)、武器高精度伺服控制子系統(tǒng)和目標自主打擊子系統(tǒng)，所應用的技術主要包括態(tài)勢信息感知技術、戰(zhàn)場目標管理技術、智能打擊決策技術和武器系統(tǒng)智能控制技術，其體系結構如圖2所示。

圖2 智能化火控系統(tǒng)體系結構框圖

2.3 工作流程

在保留原坦克火控系統(tǒng)光學通道的同時，通過圖像獲取單元實現(xiàn)對車、炮長視場中的圖像采集；系統(tǒng)主機負責多目標的管控，對多目標的威脅度進行評估，實現(xiàn)對目標打擊順序的排序，并完成多目標的圖像位置解算和粗略方位指示，同時作為整個設計系統(tǒng)的觸屏顯示模塊，實現(xiàn)目標類型輸入、彈種選擇、火控系統(tǒng)參數(shù)設置及狀態(tài)信息顯示、觸屏操控、電子圖像放大等動作；跟蹤主機負責進行目標的識別和跟蹤，并對目標打擊完成后情況進行毀傷評估；最后依靠控制主機貫穿搜索-決策-跟蹤-打擊-毀傷評估整個流程，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，其打擊流程如圖3所示。

圖3 智能化火控系統(tǒng)打擊流程框圖

與現(xiàn)有火控系統(tǒng)的打擊流程相比，智能化火控系統(tǒng)依靠多目標管理系統(tǒng)，能夠對多目標的位置信息進行及時管理，減少了打擊過程的系統(tǒng)反應時間，由機器代替人繼續(xù)跟蹤，提高了跟蹤的精度，并且在整個打擊流程中，人能夠有更多的時間和精力對戰(zhàn)場環(huán)境進行觀察和判斷，提高了作戰(zhàn)效能。

3 智能化火控系統(tǒng)的關鍵技術分析

要想實現(xiàn)坦克火控系統(tǒng)的智能化，在把握總體的基礎上，仍需對火控系統(tǒng)的關鍵技術進行重點研究。

1) 車內的總體體系結構設計

體系結構設計是實現(xiàn)火控系統(tǒng)相關操控技術智能化的首要工作[12]，也是系統(tǒng)中其他技術實現(xiàn)的前提和基礎?；鹂叵到y(tǒng)內部結構和各部件之間的功能分配復雜，涉及方面眾多，對新系統(tǒng)的軟硬件設計有很大的影響。在融合多項智能輔助新技術時應對系統(tǒng)設計的合理性、軟件程序嵌入的可行性和控制流程的復雜性進行充分的分析和論證。

2) 地面大視場范圍內的目標自主識別技術

地面作戰(zhàn)與空中和海上作戰(zhàn)相比，戰(zhàn)斗環(huán)境更加復雜，情況多出，受地形地貌、植被等自然因素和偽裝、隱蔽、遮擋等人為因素影響較大，且地面戰(zhàn)爭作戰(zhàn)形式多樣，對我方坦克造成威脅的目標種類較多，機器通過深度學習的方式進行目標識別需要學習的信息量較大[13]。利用大視場進行目標搜索和識別，目標在視場內所占比重和信息量小，特征不明顯，容易受到各類噪聲的影響，且目標區(qū)域圖像受到車體振動等因素的影響，容易會產(chǎn)生不規(guī)則運動或抖動，造成圖像的清晰度不高，在眾多因素的影響下，更是大幅度加大目標自主搜索和識別的難度，而目前在復雜背景下的目標自主探測識別技術還不夠成熟，對地面復雜環(huán)境下大范圍內的目標自主識別還不夠可靠。

3) 多目標的跟蹤和定位技術

現(xiàn)階段各國坦克使用的自動跟蹤系統(tǒng)大多數(shù)采用目標圖像與背景圖像灰度差值進行識別，而后用識別的“樣本圖像”與視場圖像進行信息匹配的方法進行跟蹤，此跟蹤算法易于實現(xiàn)，但在目標被遮擋重新出現(xiàn)時，無法再次對目標進行鎖定跟蹤。雖有針對特定目標和特定環(huán)境的多種算法融合的目標跟蹤算法，但對地面環(huán)境目標跟蹤的通用算法一直沒有實現(xiàn)[14]。且在動態(tài)戰(zhàn)斗過程中，在對某一目標進行打擊時，后續(xù)跟蹤目標的目標位置、車體本身的姿態(tài)和火炮位置都會發(fā)生變化，對多目標的打擊定位會產(chǎn)生很大的影響[15-17]。

4) 多目標威脅度評估與自主決策技術

坦克作為地面戰(zhàn)爭的主要進攻性武器，實現(xiàn)對目標的科學合理打擊是發(fā)揮其火力的關鍵[18-19]。但地面戰(zhàn)爭背景和作戰(zhàn)環(huán)境復雜，造成地面多目標威脅評估的不確定因素增多和各類威脅要素的權重難以確定[20-21]，且多目標威脅度評估的自主決策手段主要應用在空戰(zhàn)和海戰(zhàn)當中，在地面作戰(zhàn)領域的應用較少，以現(xiàn)有目標探測傳感器的精度和決策手段難以保證戰(zhàn)斗自主決策的準確性和可靠性。

5) 武器系統(tǒng)智能控制技術

現(xiàn)代坦克的機動性能不斷提高且在在戰(zhàn)場環(huán)境下經(jīng)常做非線性運動，參數(shù)固定的傳統(tǒng)PID控制難以滿足坦克火炮對跟蹤精度高和抗負載變化能力強的要求。先進的控制算法具有較好的魯棒性、自適應性和非線性條件下的逼近能力，但先進的智能算法運算量較傳統(tǒng)控制算法成倍增加[22]。并且智能控制算法直接應用到控制器中進行運算處理，控制器的處理速度可能達不到實時控制的要求，需要將先進控制算法的復雜邏輯運算進行轉換。

4 新型智能化坦克火控系統(tǒng)的特點

通過對現(xiàn)有坦克火控系統(tǒng)部分功能的智能化改造和設計，綜合運用智能控制、圖像處理、優(yōu)化決策等技術以及計算機控制系統(tǒng)快速準確的優(yōu)勢，實現(xiàn)坦克火控系統(tǒng)操控的智能化[23]，不僅能夠簡化乘員的操控復雜程度，縮短射擊反應時間，而且能夠提高射擊精度，做到“先敵發(fā)現(xiàn)，先敵開火”。與普通的火控系統(tǒng)相比，新型智能化火控系統(tǒng)具有以下幾點突出的特點[24]。

1) 智能化程度更高

新型智能化火控系統(tǒng)通過傳感器能夠自動獲取目標距離、圖像、運動狀態(tài)等信息，對多目標進行統(tǒng)一捕捉和跟蹤，依據(jù)智能輔助決策子系統(tǒng)對目標進行威脅度評估，實現(xiàn)對目標的實施規(guī)劃和打擊決策，與原火控系統(tǒng)中乘員依據(jù)平時作戰(zhàn)經(jīng)驗和目標發(fā)現(xiàn)順序進行目標打擊的方式，具有更高的科學性和合理性。此外，通過目標識別子系統(tǒng)、目標跟蹤子系統(tǒng)和目標自主打擊子系統(tǒng)，可以代替炮長自主完成對戰(zhàn)場目標的搜索、跟蹤、瞄準和打擊。新型火控系統(tǒng)采用“人機協(xié)同集中捕獲目標，系統(tǒng)智能打擊”的打擊模式，在減少乘員的基礎上，做到了“功能不減反增，性能不降反提”，提高了火控系統(tǒng)的整體性能。

2) 戰(zhàn)場信息管理能力更強

采用屏幕顯示技術，將武器控制狀態(tài)信息和外部戰(zhàn)場環(huán)境信息疊加到綜合顯示系統(tǒng)上，增強了戰(zhàn)場環(huán)境的感知能力[25]，不僅可實現(xiàn)對戰(zhàn)場目標的實時管理，還可實現(xiàn)戰(zhàn)場指揮的自動化，為信息化條件下的高效協(xié)同和體系最優(yōu)作戰(zhàn)提供基礎。

3) 精確快速化水平更高

充分發(fā)揮計算機運算速度快、精度高，反應時間短的優(yōu)勢，采用目標自動跟蹤和自主打擊的方式，克服在目標機動條件下人為操作誤差大、效率低、火控系統(tǒng)解命中精度低的缺點，大大提高坦克對目標的快速瞄準和精確打擊，減輕人為操作的負擔。此外，新型智能化火控系統(tǒng)采用“人機協(xié)同集中捕獲目標，系統(tǒng)智能打擊”的打擊模式，可提高戰(zhàn)場目標搜索指示和目標連續(xù)打擊的效率，大幅度減少系統(tǒng)反應時間。

4) 坦克戰(zhàn)術性能更強

通過智能化的設備替代炮長進行操作，節(jié)省了車內的空間，減小車輛全重，提高了坦克的機動性，更加滿足未來戰(zhàn)場環(huán)境下裝甲裝備投送的需要?；蛟诒３盅b甲裝備全重不變的情況下，可增加坦克的防護性能，用裝甲裝備代替人員進行工作，進一步減少人員傷亡。

5 結論

本文首先分析了坦克火控系統(tǒng)智能化、自主化的發(fā)展趨勢，對智能化火控系統(tǒng)和自主化火控系統(tǒng)進行了對比說明。綜合運用智能控制、圖像處理、優(yōu)化決策等技術，在現(xiàn)有坦克火控系統(tǒng)的基礎上，增添了跟蹤主機、控制主機和系統(tǒng)主機等部件的功能設計，完成了一種新型智能化火控系統(tǒng)的設計，并對新型智能化火控系統(tǒng)需要重點解決的地面大視場范圍內的目標自主識別、多目標的跟蹤和定位、多目標威脅度評估與自主決策以及武器系統(tǒng)智能控制等關鍵技術進行了深入研討。最后通過與普通火控系統(tǒng)相比，總結了新型智能化火控系統(tǒng)智能化程度高、戰(zhàn)場信息管理能力強、精準快速化水平更高、戰(zhàn)術性能更強的特點。通過對新型火控系統(tǒng)的設計，合理的減少了坦克車內乘員，充分發(fā)揮了人機協(xié)同的巨大優(yōu)勢，提高了火控系統(tǒng)的性能，此結構框架的提出將促進陸戰(zhàn)平臺武器系統(tǒng)智能技術的發(fā)展，為裝甲裝備自主火力打擊系統(tǒng)提供技術基礎，并且相關技術的研究可為其他智能化武器裝備的研發(fā)提供參考和借鑒。