基于光電跟蹤系統(tǒng)的一種瞄準(zhǔn)線獨(dú)立設(shè)計

中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院 雷 霖

1 緒論

現(xiàn)代大火控系統(tǒng)包含了光電跟蹤系統(tǒng)子系統(tǒng)，武器射擊子系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間相互獨(dú)立而又協(xié)同工作。對近防武器來說光電跟蹤子系統(tǒng)的使用，是直接將光電跟蹤轉(zhuǎn)臺安裝在武器平臺上的，所以，光電跟蹤系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線同武器的射擊線會發(fā)生牽連與耦合。

近防武器在跟蹤目標(biāo)時，火控計算機(jī)會對光電跟蹤系統(tǒng)提供的目標(biāo)信息進(jìn)行分析處理，并得出一個提前量；武器射擊單元則會根據(jù)指示轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，假如此時光電跟蹤系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線隨武器平臺一起轉(zhuǎn)動，那么光電跟蹤系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線會偏離被跟蹤目標(biāo)，會因此而丟失被跟蹤目標(biāo)，這種擾動是由武器平臺的轉(zhuǎn)動而引起的。

假如當(dāng)武器射擊單元接到指示轉(zhuǎn)過一定提前量的同時，光電跟蹤系統(tǒng)也做出指示，使瞄準(zhǔn)線立即反向轉(zhuǎn)動補(bǔ)償因武器轉(zhuǎn)動而引起的擾動，那么武器瞄準(zhǔn)線與被跟蹤目標(biāo)相對靜止，該種跟蹤方式為“獨(dú)立式跟蹤” ，此時光電跟蹤系統(tǒng)具備瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能。由此可以做出結(jié)論，瞄準(zhǔn)線獨(dú)立的設(shè)計的本意為消弭因武器平臺的運(yùn)動而對瞄準(zhǔn)線造成的擾動[1]。光電跟蹤系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線獨(dú)立經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，從早期簡單的機(jī)械式到逐步成熟的模擬式，再到今天高效可靠的數(shù)字式的過程。

2 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立方案

2.1 設(shè)計構(gòu)想

光電跟蹤系統(tǒng)中的瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能是其核心組成，所以，瞄準(zhǔn)線獨(dú)立設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)對近防武器在半自動式跟蹤工作模式和自動式工作跟蹤模式下，由武器平臺運(yùn)動而造成的對光電跟蹤系統(tǒng)的擾動分別進(jìn)行補(bǔ)償。并且這種補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方案應(yīng)當(dāng)簡便易行，可靠有效，精確及時，對硬件與軟件要求要低，便于開發(fā)、使用與維護(hù)。

由前文的敘述可知，只要在武器轉(zhuǎn)動的同時，光電跟蹤轉(zhuǎn)臺也轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動的速度、加速度與武器射擊單元轉(zhuǎn)動的速度、加速度大小一致，轉(zhuǎn)過的角度與武器轉(zhuǎn)過的角度大小相等，方向相反才可保證跟蹤系統(tǒng)不因擾動而丟失目標(biāo)，才使得光電跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的獨(dú)立功能。

2.2 分析與建模

自動式跟蹤工作模式是由近防武器自身的光電跟蹤系統(tǒng)搜索、發(fā)現(xiàn)、定位、跟蹤、反饋目標(biāo)并指引武器的射擊單元精確攻擊目標(biāo)的一種跟蹤工作模式。

半自動式跟蹤工作模式是操縱人員或者外部跟蹤設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并提供位置信息。近防武器的光電跟蹤系統(tǒng)則會根據(jù)所提供的目標(biāo)位置信息做出反應(yīng)，控制光電跟蹤轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，使被跟蹤目標(biāo)迅速進(jìn)入近防武器自身的跟蹤視場。在火控計算機(jī)指引下，武器射擊單元將依照提供的信息打擊目標(biāo)。 兩種跟蹤工作模式如圖1所示。

圖1 近防武器跟蹤工作模式

圖2 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立模型

在這兩種跟蹤工作模式下，最終呈現(xiàn)的都是角的位置，所以，在每個控制周期內(nèi)首先是對武器火控系統(tǒng)提供的武器轉(zhuǎn)過的提前量由積分器進(jìn)行積分，得出角位置增量，這便是光電跟蹤轉(zhuǎn)臺在該控制周期中要轉(zhuǎn)過的角度；然后對武器轉(zhuǎn)過的提前量進(jìn)行二次積分便可得到角加速度，這是光電跟蹤轉(zhuǎn)臺在該控制周期內(nèi)應(yīng)該具有的速度，如圖2所示[2]。

3 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計中瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能的實(shí)現(xiàn)是在光電跟蹤系統(tǒng)軟件控制程序中添加武器射擊單元轉(zhuǎn)過角度的提前量后，依靠軟件的處理與運(yùn)算，控制光電跟蹤轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相對應(yīng)的補(bǔ)償角后實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的獨(dú)立。所以對于本設(shè)計來說，瞄準(zhǔn)線獨(dú)立系統(tǒng)的硬件條件完全是構(gòu)筑在光電跟蹤系統(tǒng)大的硬件部分之上的，無需添加其他任何的硬件設(shè)備，只需與火控射擊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在原有系統(tǒng)內(nèi)部就可以實(shí)現(xiàn)武器轉(zhuǎn)過提前量的信息交換與光電跟蹤轉(zhuǎn)臺的補(bǔ)償轉(zhuǎn)動控制。

武器射擊單元的轉(zhuǎn)動雖然由武器火控系統(tǒng)來指引，但是它轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)是由武器平臺內(nèi)部的伺服控制系統(tǒng)完成的，對現(xiàn)代近防武器大火控系統(tǒng)來說包含光電跟蹤系統(tǒng)，光電跟蹤系統(tǒng)是其內(nèi)部的一個子系統(tǒng)，大系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)的采集與交換，是由內(nèi)部專用的數(shù)據(jù)交換電路板實(shí)現(xiàn)的，而光電跟蹤轉(zhuǎn)臺的控制則由光電跟蹤系統(tǒng)硬件電路里的伺服控制部分來完成的。由此可見對于近防武器火控系統(tǒng)來說，內(nèi)部硬件的良好、有效的工作模式本身就為瞄準(zhǔn)線的獨(dú)立功能實(shí)現(xiàn)提供了保障。

圖3 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立程序流程圖

4 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立軟件設(shè)計

在本設(shè)計中實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線獨(dú)立的軟件設(shè)計十分容易，無需復(fù)雜的算法與書寫大量的代碼。只需在光電跟蹤系統(tǒng)的伺服控制軟件中，在原有伺服控制程序的設(shè)定上，將參數(shù)修改為本文提出的方案來實(shí)現(xiàn)，其流程如圖3所示。

5 瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能檢測

圖4是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，武器水平方向上的運(yùn)動軌跡是黑色線，光電跟蹤轉(zhuǎn)臺水平方向運(yùn)動軌跡是藍(lán)色線。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對圖4中兩條曲線的對比發(fā)現(xiàn)，光電跟蹤轉(zhuǎn)臺在水平方向上反向轉(zhuǎn)過的角度與武器在水平方向上轉(zhuǎn)過的角度基本相同，這表明光電跟蹤轉(zhuǎn)臺對由武器引起的擾動做出了及時而準(zhǔn)確的反應(yīng)——反向補(bǔ)償水平方向上的偏移，證明瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能在水平方向基本實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語

本論文提出了一種基于光電跟蹤系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線獨(dú)立的設(shè)計方案，論證了兩種跟蹤模式下的建模與設(shè)計，并提出了實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線獨(dú)立功能的硬件與軟件的設(shè)計方案。根據(jù)本設(shè)計，經(jīng)過初步檢驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)了在水平方向的瞄準(zhǔn)線獨(dú)立，系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的提高與改進(jìn)。

[1]郭治.現(xiàn)代火控理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[2]王文清.數(shù)字位置差動瞄準(zhǔn)線獨(dú)立控制系統(tǒng)原理分析與試驗(yàn)研究[J].火力與指揮控制,1994(02).