現代火控理論與應用基礎（簡體書）

《現代火控理論與應用基礎》從火控系統的性能與功能出發，以其數學模型為主要研究對象，以研究各類不同火炮與戰術導彈火控系統的共性，屬技術基礎理論。在介紹了火控系統定義和分類的基礎上，系統、全面的論述了現代火控系統研究範疇，主要內容包括：目標航跡處理、命中分析、行進間火力控制、平穩動態誤差分析、射擊效能、校射、智能火控策略，這些是作者近二十年來系統研製、技術開發與理論研究成果的概括，特別是在"先期毀傷"思想指導下，在將誤差特性由空間擴展為時空特性的基礎上，將觀察跟蹤視窗、射擊門、靶標、複瞄靈敏區等抽象為目的域，演繹了隨機穿越特徵量理論及其在射擊效能中的應用技術，更屬獨創。本書主要適用於具有本科以上學歷、中級以上專業技術職務，從事火控系統論證、設計、驗收、鑒定工作的工程技術人員及相關專業科研人員、大專院校師生參考。

《現代火控理論與應用基礎》由薄煜明、郭治、錢龍軍、王軍、李銀伢等人著，全書從火控系統的性能與功能出發，以其數學模型為主要研究對象，以研究各類不同火炮與戰術導彈火控系統的共性，屬技術基礎理論。在介紹了火控系統定義和分類的基礎上，系統、全面的論述了現代火控系統研究范疇，主要內容包括：目標航跡處理、命中分析、行進間火力控制、平穩動態誤差分析、射擊效能、校射、智能火控策略，這些是作者近二十年來系統研制、技術開發與理論研究成果的概括，特別是在“先期毀傷”思想指導下，在將誤差特性由空間擴展為時空特性的基礎上，將觀察跟蹤視窗、射擊門、靶標、復瞄靈敏區等抽象為目的域，演繹了隨機穿越特征量理論及其在射擊效能中的應用技術，更屬獨創。本書主要適用于具有本科以上學歷、中級以上專業技術職務，從事火控系統論證、設計、驗收、鑒定工作的工程技術人員及相關專業科研人員、大專院校師生參考。

前言
第1章緒論
1．1火控系統及其任務
1．2火控系統功能
1．3火控系統分類
1．4火控技術發展
1．5火控理論範疇
參考文獻

第2章目標航跡處理
2．1目標跟蹤
2．1．1目標跟蹤的基本環節
2．1．2常用術語
2．1．3實例說明
2．2航跡模型
2．2．1多項式模型
2．2．2隨機模型
2．2．3多模態航跡模型
2．3航跡測量模型
2．3．1直接測量模型
2．3．2間接測量模型
2．3．3觀測器模型
2．3．4廣義差分測量模型
2．4航跡濾波與預測
2．4．1估計概論
2．4．2最小方差估計
2．4．3線性最小方差估計
2．4．4遞推濾波與預測
2．4．5最小二乘估計算法
2．4．6常用的非線性濾波算法
2．5目標狀態的多模型估計方法概述
2．5．1多模型方法簡述
2．5．2定結構多模型估計
2．5．3交互式多模型
參考文獻

第3章命中分析
3．1命中概論
3．2彈道方程與射表
3．2．1彈道方程
3．2．2射表
3．2．3射表逼近與延拓
3．3命中方程與命中方程的求解
3．3．1命中方程
3．3．2命中方程的求解
3．3．3命中解的競爭與射擊時機分析
3．3．4命中問題的順解法與逆解法
3．4命中方程分析
3．4．1命中方程解的存在性、唯一性和光滑性
3．4．2命中方程解的收斂性分析
3．5允許與禁止射擊區域
3．5．1允許射擊條件與允許射擊區域
3．5．2禁止射擊區域
參考文獻

第4章行進間火力控制
4．1載體運動分析
4．1．1載體轉動
4．1．2載體平移
4．2載體運動參數測量
4．3共軸與解耦
4．3．1跟蹤線與武器線共軸
4．3．2解耦
4．3．3驅動方式
4．4載體轉動的隔離
4．5載體平移的利用
4．5．1平移對測量方程的影響
4．5．2行進與火力綜合控制
4．5．3動態測量基線
4．6行進間射擊命中問題
參考文獻

第5章平穩動態誤差分析
5．1誤差的時空特徵量
5．1．1時空特徵量
5．1．2誤差的自然頻率
5．2目的域
5．2．1目的域的由來
5．2．2目的域的作用
5．3離散序列對目的域的隨機穿越特徵量
5．3．1引言
5．3．2概率轉移陣
5．3．3隨機穿越特性分析
5．4連續過程對目的域的隨機穿越特徵量
5．4．1對水平線的穿越頻率
5．4．2對水平直線帶的穿越頻率
5．4．3隨機穿越的概率轉移速度
5．4．4隨機穿越的概率特性
5．5首次穿越特性分析
5．5．1首次待機時間
5．5．2首次滯留時間
5．5．3N維馬爾可夫序列首次穿越特性
參考文獻

第6章射擊效能分析
6．1脫靶量的定義與檢測
6．1．1脫靶量定義
6．1．2脫靶量檢測
6．1．3折合彈目偏差
6．2射擊誤差分解
6．2．1射擊誤差的零狀態
6．2．2碰炸彈藥與近炸彈藥的射擊誤差
6．2．3火控解算誤差分解
6．2．4隨動誤差分解
6．2．5火炮誤差分解
6．2．6射擊衝擊誤差分解
6．2．7誤差的相關性分類．
6．3有限歷程的各態歷經序列的統計特性
6．3．1一階各態歷經序列的數學模型
6．3．2有限歷程均值與有限歷程方差
6．4射擊誤差分析
6．4．1射擊誤差的數學模型．
6．4．2射擊誤差統計特徵的完備集
6．4．3射擊誤差的完備戰技指標集
6．5武器系統的命中概率
6．5．1逐發瞄準武器系統的命中概率
6．5．2速射武器系統的命中概率
6．6武器系統的毀傷概率
6．6．1幾何毀傷律
6．6．2毀傷概率計算式
參考文獻

第7章校射
7．1概述
7．1．1校射效益指數
7．1．2校射程式
7．2示蹤瞄準
7．3大閉環校射
7．3．1逐發大閉環校射
7．3．2點射大閉環校射
7．4實時閉環校射
7．4．1彈頭狀態方程
7．4．2期望彈道
7．4．3彈頭控制量與實際彈道
7．4．4目標運動模型
7．4．5命中方程
7．4．6命中方程求解
參考文獻

第1章 緒論
當代的陸基、車載、艦載、機載、星載的硬殺傷武器，如各種火炮（牽引炮、自行炮、坦克炮、艦炮、航炮等）、炸彈、魚雷、水雷、戰術火箭與戰術導彈等，其彈頭或戰斗部（以下統稱彈頭）都有一個殺傷威力范圍，為了充分發揮彈頭的毀傷能力，必須及時準確地將彈頭發射到敵方目標區域。因此，需要為硬殺傷武器配置一系列裝置與設備，構成一個武器系統，協同執行作戰任務。一個武器系統通常由三部分組成：火力系統、控制系統與運載系統。一個完備的武器控制系統應包括：火控系統、制導系統、指控系統、導航系統。現代的武器控制系統集控制、計算機、電子、光學、導航、信息與通信等先進技術于一體，它不僅是武器系統不可缺少的一部分，而且是武器系統現代化程度的標志，被譽為武器火力威力的倍增器。
武器研發的重要任務之一就是為硬殺傷武器配備先進的火控系統，因此火控理論的研究是一項重要的基礎性工作，結合作者的研究工作介紹相關應用技術基礎，則可為缺乏實際經驗的讀者降低入門的門檻。為了使讀者能概略地了解本書，作為緒論，本章先來闡述火控系統研究的對象、目的與范疇。
1.1 火控系統及其任務
控制武器自動或半自動地實施瞄準與發射的裝備總稱為武器火力控制系統，簡稱火控系統。為了完成火控任務，火控系統必須搜索、瞄準并跟蹤目標，預測彈頭與目標的相遇點，并控制武器對相遇點實施射擊。火控系統通常包括：火控計算機、目標搜索與指示裝備、目標跟蹤與測量裝備、氣象與彈道條件測量裝備、載體運動參數測量裝備、定位定向裝備、脫靶量測量裝備、武器發射控制系統、載體控制系統以及通信系統。
射擊諸元是指，能將彈頭送達目標區域所相應的武器身管或發射軌的方位角與高低角，對具有時間引信的彈頭還有引信分劃，對制導武器與水中武器還可能包括飛行距離、轉向角、定深和散角。準確、實時地求出射擊諸元并將其賦予武器是火控系統最核心的任務之一。
為了提高瞄準、發射的快速性與準確性，增強對惡劣戰場環境的適應性，充分發揮武器對目標的毀傷能力，非制導武器應配備火控系統。戰術制導武器常配備簡易火控系統。簡易火控系統為武器提供概略的射擊諸元，可明顯地改善制導系統的工作條件，減少制導系統的失誤率。
將彈頭送達目標區域是武器的火控系統與制導系統共同的任務。傳統意義上，這兩個系統分工的界面在彈頭離開身管或發射軌的那一瞬時。火控系統對彈頭的控制主要是通過對武器的身管或發射軌的控制來實現的，也就是說，它在于賦予彈頭以初速的方向。至于火控系統賦予彈頭的飛行時間、飛行距離、轉向角、定深和散角等，均是在彈頭離開身管或發射軌那一瞬時前的預測值。彈頭一旦離開身管或發射軌，火控系統將失去對彈頭的控制。因此，火控系統的誤差必須嚴格控制。對制導武器而言，糾正并克服發射時控制誤差與預測誤差導致的彈頭對目標的偏離，是制導系統的任務。
隨著技術的發展，介于導彈和無控彈頭之間的各種智能彈藥大量涌現，成為低成本精確打擊的主力軍。傳統意義上，火控系統與制導系統以離開身管瞬間作為分界點又有了新的問題，火控與制導功能兼備的實時閉環校射火控系統應運而生。
實時閉環校射火控系統是將傳統火控反饋控制功能一直延伸到彈頭的火控系統，兼具傳統火控系統及制導控制系統的功能。
在以高技術裝備的武器體系相對抗的現代戰爭中，火控系統是戰術C3 I（指揮、控制、通信與情報）系統的一個重要終端。它搜尋并跟蹤指控系統分配給它的目標，并依照指控系統的指令及指揮員發射彈頭的命令實施射擊。
1.2 火控系統功能
為了完成火控系統的任務，火控系統通常包括如圖1.1所示的功能模塊。
1.目標搜索與辨識
火控系統首先根據指控系統關于目標分配的指令或指揮員的命令，在指定的方位或區域內搜索目標，一旦搜索到目標即轉入目標辨識，辨明了目標的敵我屬性和特性才能進行下一步的工作。
目標搜索與辨識可以由人工或借助觀測器材完成，火控系統中常用的觀測器材有：雷達、光學器材、微光夜視儀、紅外熱像儀、電視跟蹤儀、聲測機、聲吶等。對固定目標還可使用地圖，航空、衛星照片等。搜索到目標后，應進一步對目標的類型（車輛、飛機、艦船、導彈、設施、人員等）、型號、數量及敵我屬性進行辨識。目標辨識應盡量自動化，在現有條件下，敵我辨識最有效的工具是電子敵我識別器。
2.目標跟蹤與測量
完成目標的搜索和識別后即可對目標進行跟蹤與測量。具有較高精度的觀測器材都可以用來測量目標位置參數。對于靜止的目標，只需測量其位置參數；對于運動的目標，除了要測量其位置參數外，還需測量其運動參數。火控系統中所需的目標運動參數，如速度或加速度，主要靠估值理論，利用目標位置參數的實測值來加以估計，所以必須高精度地跟蹤目標，不斷地測量目標坐標。
一些特殊的應用場合，火控系統也常利用一些特殊手段來測量運動參數。例如，坦克主動防護系統會采用多普勒效應測量目標相對觀測器材之縱向速度，等速圓弧運動假定的火控系統可利用測速陀螺測量目標相對觀測器材的角速度等。
3.氣象與彈道條件測量
氣溫、氣壓、風速、風向等氣象條件參數和彈頭初速、藥溫、彈重等彈道條件參數均會對實際彈道產生影響，必須及時測量，并在求解射擊諸元時予以考慮。
彈重偏差標于彈藥之上，其余參數通常使用溫度計、氣壓計、風速計、彈頭初速測量儀測得。氣象雷達與彈頭初速測量雷達是目前較為先進的氣象與彈道條件測量設備。由于氣象條件是對全彈道起作用的，所以要測量不同高度的氣象參數。
4.載體運動參數測量
運載火控與火力系統的車輛、飛機與艦船如果處于運動之中，它們的平移參數（升沉、橫移與縱移及其速度）與轉動參數（偏航、俯仰、橫滾及其角速度）既惡化了觀測條件又改變了彈道條件，如不采取隔離與修正舉措，勢必嚴重影響射擊效果。
利用三軸陀螺系統可以實時地測出偏航、俯仰與橫滾三個角速度。在測出上述角速度的同時，令觀測軸與武器身管或發射架相對載體做一量值相等方向相反的運動，則載體的轉動即與整個射擊過程隔離開來。利用無線電或衛星定位裝置、加速度計等可以測知載體的平移量，并在計算射擊諸元時考慮其影響。對于振動式的平移，則應采取各種減振舉措予以抑制。
為統一指揮分散配置的武器，載體導航系統應不斷地向火控系統提供武器位置與基準方位信息，此即武器的定位與定向。
5.脫靶量測量
由于難以控制的未知與隨機因素的廣泛存在，出現彈目偏差是難以避免的，這種偏差稱為脫靶量。凡是能夠觀測并估計出脫靶量的觀測器材都可用于脫靶量測量。炮兵校射雷達可在其波瓣有效區域內估測出彈頭的落點，是一種先進的脫靶量測量工具。相控陣雷達可利用電子掃描實現高速多目標跟蹤，可以用于脫靶量測量。攝像設備如能將目標與彈頭同攝于一個視場之中，可以采用圖像處理技術求取脫靶量。
6.數據處理
現代火控系統由計算機來完成數據處理工作。這種計算機稱為火控計算機，俗稱指揮儀。這是火控系統數據處理的核心與中樞，其任務是存儲有關目標、脫靶量、氣象條件、彈道條件、武器載體的所有數據與信息；估算目標的位置與運動參數；根據彈道方程或存儲于火控計算機中的射表求解命中點坐標；計算射擊諸元并根據實測的脫靶量修正射擊諸元；評估射擊效果等。其目的是輸出控制指令給武器隨動系統，輸出操縱指令給自動駕駛儀，并依照顯示設備的要求輸出數據與信息。
7.武器發射控制
武器發射控制有兩個任務：控制武器到達正確的射擊位置；按指揮員命令與指控系統指令規定的方式實施射擊。
為了賦予武器射擊諸元，通常用電液式或機電式隨動系統分別控制武器的方位角與高低角，使之與火控計算機的輸出值相一致。如果有設置在彈頭上的射擊諸元，如引信分劃（等價于彈頭飛行時間）、飛行距離、轉向角、定深與散角等，既可用數字通信方式，在彈頭發射前輸給彈內控制艙中的存儲器，當然，也可考慮使用隨動系統在發射前裝定。當武器與其載體完全或部分固連時，如機載火炮、火箭與炸彈，其身管或發射軌完全與飛機固連，此時，火控計算機輸出信息應傳輸給自動駕駛儀，驅動武器的載體向能使彈頭命中目標的方向運動。
火控系統只是在求得射擊諸元并將其賦予武器后，才給出允許射擊的信息，而不形成射擊的命令。在火控計算機給出允許射擊的信息后，再按指揮員命令與指控系統指令規定的方式實施射擊。
8.信息顯示與系統控制
為了充分發揮指揮與操作人員的主觀能動性，火控系統中設置有信息顯示與系統控制面板。它能直觀形象地顯示數據處理結果，簡捷快速地輸入與更新信息，以保證指揮與操作人員可以很方便地干預整個火控系統的控制流程。
9.信息傳輸
火控系統各個部分之間以及它同外部的信息傳遞由有線或無線的、數字或模擬的信息傳輸與通信設備來完成，它們將火控系統連成一個整體，并成為戰術C3 I系統的一個有機組成部分。
為了便于火控系統擴充設備、增加功能、升級換代、向下兼容，火控系統必須是一個采用標準接口、規范網絡的開放式的系統。作為C3 I系統連接起來的整個戰場上統一的武器體系的一個終端，火控系統內部通信與外部通信都必須服從整個武器體系所采用的計算機網絡所規定的通信協議。
一個實用的火控系統所具有的功能模塊的種類與規模是根據其所控制的武器性能與使用環境來設計與裝備的。例如，用于停止間射擊的武器，其火控系統就無須具有載體運動參數測量的功能；為了減輕重量、降低造價，某些山炮往往不配置武器隨動系統，而由炮手按火控計算機給出的射擊諸元在火炮上直接裝定；由于既能跟蹤快速目標又能同時觀測高速彈頭的設備技術復雜，價格昂貴，過去的高炮系統多不進行脫靶量測量，因而不能自動校射；用于近程反導彈的轉管火炮與多聯裝火炮的火控系統，為了確保彈頭的命中率，大多進行脫靶量自動檢測，構成自動校射的大閉環火控系統。為了發揮不同觀測器材的特點，確保在各種環境中均能獲取所需信息，并提高它們在戰場上的機動性，經常把多種觀測器材組裝在同一載體之中，構成相應的偵察車、偵察飛機、空中系留平臺等裝備。氣象觀測站（車、船）更集各種氣象觀測器材于一身，以完成大范圍內的氣象觀測與通報任務。這些載有多種器材的偵察或觀測車、船與飛機雖在承擔火控系統中的任務，卻自成一體獨立于火控系統。為充分利用電子數字計算機的功能，可用同一部計算機分時完成火控、指控、制導與導航的任務。上述分析表明，從功能模塊上界定火控系統的范圍是容易的，但在硬設備上劃定火控系統的界限是困難的。至于火控系統的用戶，則完全可以根據管理與使用的方便劃定火控系統的范疇，并隸屬不同的單位，不宜也不可能做出統一的規定。
1.3 火控系統分類
火控系統按其控制的對象分類，有：火炮火控系統、火箭火控系統、導彈火控系統、魚雷火控系統、水雷火控系統、炸彈火控系統等。就火炮火控系統而言，又可分地炮、高炮、坦克、艦炮、航炮等火控系統。
火控系統按其服役的軍種分類，有：地面火控系統、艦船火控系統、航空火控系統、航天火控系統。
火控系統按控制的目標函數分類，有：首發命中體制的火控系統、全射擊過程毀傷體制的火控系統。
例如，某型坦克裝備了首發命中體制的坦克火控系統，首先該火控系統是坦克火控系統，同時，該火控系統按控制的目標函數分類是首發命中體制的火控系統。