自行高炮光电火控半实物仿真系统技术实现途径分析_苏建刚

Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．７火力与指挥控制第３８卷第７期

Ｊｕｌ，２０１３ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌ＆ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ２０１３年７月

文章编号：１００２－０６４０（２０１３）０７－０１６０－０４

自行高炮光电火控半实物仿真系统技术实现途径分析

*

苏建刚，黄艳俊，王志生，曾嫦娥，杨迪

（）

北京跟踪与通信技术研究所，北京１０００９４

摘要：介绍了自行高炮光电火控系统半实物仿真试验的基本原理和技术实现途径，提出了光电火控系统仿真

屏幕反射式和准直投射式等３种目标模试验的技术实现途径主要取决于目标模拟方式的观点。描述了图像注入式、

拟方式的功能、组成和工作原理。针对光电火控系统性能指标鉴定试验的特点，深入分析了３种方式的优缺点，认为

屏幕反射式和准直投射式适用于鉴定试验，根据目前的技术发展水平，可优先发展准直投射式。

关键词：自行高炮，光电火控，半实物仿真，技术途径，目标模拟

中图分类号：ＴＪ３５文献标识码：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

射击精度是自行高炮武器系统最重要的性能指

标之一，而火控系统性能又是影响射击精度的最主

要因素。目前对自行高炮武器系统射击精度的鉴定

试验，主要靠实弹射击的方式进行。这种试验方式接

近实战条件，可有效考核武器系统的综合效能，是一

种不可替代的试验方法。但是，这种方法也存在着试

验规模大、试验耗费高、试验组织难、边界条件无法

考核等问题。通过大量的仿真试验，并结合适量的实

弹射击试验，可以有效解决单纯射击试验所带来的

收稿日期：２０１２－０６－１８修回日期：２０１２－０８－２９

军队重点项目基金项目：

＊

问题。例如，在德国已经建设了用于光电火控和制导

［１］

武器的半实物仿真实验室，在国内也建立了多个

用于光电火控半实物仿真试验的实验室

［２－４］

。然而，

由于武器装备鉴定试验的特殊性，现行的仿真试验

方法是否适用？什么方法适用于自行高炮光电火控

性能指标的鉴定试验？正是本文要回答的问题。

１光电火控半实物仿真技术实现途

径概述

１．１光电火控系统原理

自行高炮火控系统一般由目标探测系统、火控

作者简介：苏建刚（1963-），男，河南灵宝人，研究员，博士。研究方向：武器装备试验与鉴定技术

。

·１６０·

苏建刚，等：自行高炮光电火控半实物仿真系统技术实现途径分析（总第３８－１２４５）

计算机、武器随动系统、稳定系统以及弹道气象测目标模拟分系统为光电探测分系统提供模拟目

量装置等组成，其原理框图如图１所示。标，包括可见光、红外和激光模拟目标。姿态运动模

拟分系统用于模拟自行高炮行进过程的车体姿态，

仿真试验中，自行高炮置于姿态运动模拟分系统上。

参数测试分系统用于在仿真试验中测试光电火控系

统输出参数，主要有：探测分系统输出的目标坐标

俯仰角和距离）、火控计算机输出的射击诸（方位角、

元、火炮随动系统输出的火炮身管指向参数以及通

过外测系统获得的火炮身管实际指向数据。仿真计

算机用于实时生成目标航路和车体姿态数据，并实

时计算弹丸弹道数据以及弹丸脱靶量数据等。总控

制台主要用于试验过程管理与控制。网络传输系统

用于仿真试验设备之间的实时信息传输。

１．３技术实现途径概述

对于图２所示的光电火控半实物仿真系统，除

目标模拟分系统外，其他分系统都可以采用成熟技

光电火控半实物仿真术实现，本文不再赘述。这样，

系统的技术实现主要依赖于目标模拟分系统的技

术实现。

光电火控系统探测分系统的探测传感器主要

包括激光测距机和电视、红外摄像机。对于激光测

距机，可采用延时法来模拟激光传输过程，这种方

法较为成熟，本文不再赘述。而对于电视和红外摄

像机，为其提供模拟目标的方法较多，决定着整个

半实物仿真系统的技术实现方式。也就是说，只要

确定了电视／红外目标模拟技术途径，就可以确定

光电火控半实物仿真系统的技术实现途径。目前常

用的电视和红外成像目标模拟方式主要有３种：信

号注入式、投影反射式和准直投射式。下面就针对

这３种目标模拟方式进行分析。

图1自行高炮火控系统原理框图

目标探测系统测量目标坐标，稳定系统测量载

气象等射体的姿态，弹道气象测量装置测量弹道、

击条件偏差，火控计算机实时接收这些信息，并根

据这些信息和目标运动假设、弹道特性等实时连续

计算出武器射击所需的数据（射击诸元），通过随动

火系统将武器调整到射击方向。由图１可以看出，

控系统的主要功能可概括为：测量、计算和控制。测

量是指对目标坐标、车体姿态和射击条件偏差的测

量，计算是指对射击诸元和各种控制量的计算，控

制是指对目标探测器和发射装置的控制。

按目标探测手段的不同，火控系统可分为光电

火控系统和雷达火控系统。光电火控系统一般采用

电视和红外成像探测器获取目标方位角和俯仰角

信息，采用激光测距机获取目标距离信息。

１．２半实物仿真系统基本方案

仿真试验就是要在实验室内，给光电火控系统

提供如同实战一样的工作条件，使光电火控系统如

同在实战中一样工作，从而评定其战术技术指标是

否符合要求。为此需要构建如图２所示的自行高炮

光电火控系统半实物仿真系统。

２图像注入式

图３是光电火控目标探测系统工作原理框图，

其中：和表示目标的方位角和高低角；和

AEAE

CC

表示瞄准线的方位角和高低角；和表示目标

△A△E

在瞄准线方位和高低方向上的偏离量，通常称为目

标脱靶量或脱靶量；和是脱靶量在电视红

△A△E/

TT

图2仿真试验系统组成框图

△

△

△

△

外成像器件上的图像信息；和是脱靶量的

△A△E

CC

测量值。

△

△

图3光电火控目标探测系统原理框图

·１６１·

（总第３８－１２４６）火力与指挥控制２０１３年第７期

图像注入式是指利用计算机产生图像代替电

视／红外摄像机图像的目标模拟方法，即由仿真计

算机产生和直接注入到视频处理器的输

△A△E

TT

入端。和可以根据预先设定的航路由仿真计算

AE

机实时计算得到，和一般通过测量跟踪器轴

AE

CC

角编码器上的输出值得到，由此可以得到和

△A△E

的值。仿真计算机根据预设战情和和值产

△A△E

生一幅图像，从而得到和，并注入到视频处

△A△E

TT

理器的输入端。这就是图像注入式目标模拟方法的

工作原理。

图像注入式目标模拟方法简单、易行，在武器

装备的训练中得到了广泛应用，并取得了很好效

这种方法也有应果。尽管在武器装备鉴定试验中，

用的报道，但由于下述原因，将这种方法应用到鉴

定试验中值得商榷。首先，计算机在产生和

△A△E

TT

时，需要武器装备产生的信息和

AE

CC

。也就是说，

目标信息中包含了被试装备的信息。对于鉴定试

验，将被试装备信息作为输入来考核其性能，有失

客观性，是应该避免的。其次，和是瞄准线指

AE

CC

向的测量值，与瞄准线真值之间存在误差，而该误

差又通过视频处理器和跟踪器环节加到试验数据

中，难以分离，增加了鉴定结论的不确定因素。最

后，这种方法忽略了电视／红外摄像机环节，无法考

核该环节的性能及其对武器装备性能的影响。

图4自行高炮半实物仿真测试系统

这种方式与自行高炮的作战使用方式接近，具

有效果直观、沉浸感良好等一系列优势，在武器装

备研制试验中得到了越来越多的应用。但受技术条

件限制，这种方式尚存在以下几方面的不足。首先，

在红外目标模拟方面，反射式体制仅仅能够通过激

光器来实现点源目标的模拟，无法模拟面目标，更

无法模拟既有背景又有目标的红外动态场景。其

次，自行高炮电视摄像机通常是望远系统，最小成

像距离往往大于５０ｍ，但在室内试验环境下，球形

幕半径难以超过２０ｍ。如果通过调整焦距而降低摄

像机的最小成像距离，将使试验结果的客观性大打

折扣，对于武器装备的鉴定试验是难以接受的。最

精度、分辨率后，为实现所需目标与场景模拟范围、

要求，往往需要采用大量高分辨率、高亮度投影仪

和性能极高的图形工作站和投影仪，并对反射屏幕

的平整度等提出了很高要求，使得系统建设复杂，

建设经费高。

３屏幕投影式

屏幕投影式，就是利用投影机将仿真计算机所

生成的目标与背景图像在一个屏幕上正投影显示

出来，被试产品位于屏幕的几何中心或附近，瞄准

并跟踪屏幕上目标的一种方法。

图４是一个采用屏幕投影式方法构建的自行

［５］

，主要由球形幕、目标／背景高炮半实物仿真系统

投影仪组、二轴转台、六自由度运动模拟器、数据采

主控计算机等组成。为了满足光电集与评估装置、

跟踪系统工作范围的要求，采用球形投影幕。将自

行高炮整车放置于半球形实验室中心的大功率六

自由度运动模拟器上，可以模拟自行高炮行进间跟

踪目标的情况。目标／背景投影仪组由背景投影仪

阵列和目标投影仪组成。背景投影仪阵列由多台投

影仪组成，通过图像拼接融合在球幕上形成背景图

像。一台投影仪专门用于目标图像的投射，将目标

投射器置于二轴转台上，通过二轴转台的转动，在

球形幕上形成模拟目标航路

。被试自行高炮光电火

瞄准、跟踪，控系统对球幕上的模拟目标进行搜索、

从而进行半实物仿真试验。

·１６２·

４准直投射式

准直投射式，是将仿真计算机产生的目标与背

景图像通过准直光学系统准直后，按照所需视场大

小投射到武器装备光学探测器的入瞳内的一种方

法。这种方法已经在光学导引头半实物仿真试验中

得到了广泛应用，在小型光电探测系统试验中也得

到了应用。

下页图５所示是一种用于光电成像导引头半

实物仿真试验的五轴仿真转台

［６］

。能够产生目标图

像的准直光学系统置于五轴仿真转台的外二轴上，

可围绕转台回转中心做方位和俯仰运动，以模拟目

标相对光电探测系统的运动特性。光电探测系统

（如光学导引头）置于内三轴转台的回转中心（也是

五轴仿真转台的回转中心）上，跟踪准直光学系统

产生的目标图像，达到半实物仿真试验的目的。

这种方式也能达到屏幕投影式所能达到的主

要优点，而且还能为光学探测器提供红外图像，因

苏建刚，等：自行高炮光电火控半实物仿真系统技术实现途径分析（总第３８－１２４７）

红外场景目标无法模拟以及需调整探在着投资大、

测系统焦距以适应近距离成像等问题，阻碍了它的

广泛应用。随着红外目标模拟技术的飞速前进，我

国国力的快速提高，有理由相信屏幕反射式必将在

自行高炮的鉴定试验中发挥越来越大的作用。

准直投射式同样也克服了图像注入式的缺点，

而且其投资规模和建设规模小于屏幕反射式，是目

前较理想的发展模式。但完全按照制导武器五轴仿

真转台的思路进行建设，将会遇到巨大的技术障

碍。为解决这一困局，国内多家单位都已开展了相

应的研究和设计工作，并取得了很大进展

［７－８］

。相信

在未来几年，可适用于自行高炮光电火控系统半实

图5五轴仿真转台结构示意图

物仿真试验的准直投射式目标模拟装置，将会应用

到实际中去。

参考文献：

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计［Ｊ］．光学精密工程，２００８，１２（１２）：２５０３－２５０９．

检测设备的设计与研究［Ｊ］．光学技术，２００９，３５（６）：

此，适用于光学导引头和小型光电探测系统半实物

考虑到炮塔回转仿真试验。但对于自行高炮而言，

半径以及火炮身管的尺寸，若采用图５所示的方

法，则准直光学系统距光学探测系统的距离应至少

大于３ｍ以上，这样将使准直光学系统的尺寸和重

量急剧增加，不仅给准直光学系统，也给五轴转台

的研制带来了巨大的难度，乃至无法克服的难度。

５结论

对于武器装备性能指标的鉴定试验而言，不希

望改变武器装备的状态，也不希望在试验中使用武

器装备的某个状态参数，以免影响鉴定试验的客观

性。因此，在自行高炮半实物仿真试验中，一般不建

议采用图像注入式方法。但在其他试验中，如武器

装备科研试验以及部队训练试验中，因其简单易行

而具有强大的生命力。

屏幕反射式克服了图像注入式依赖被试系统

状态参数的致命缺点，可为电视摄像机提供可见光

场景图像和为红外热像仪提供点源目标，是光电火

控系统半实物仿真试验较理想的方式。但该方式存

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

（上接第159页）

参考文献：

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·１６３·