自動直瞄方式在某型自行火炮上的應(yīng)用研究

劉愛峰，秦鵬飛，鄒定美，韓璇璇，付心釗

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

自動直瞄方式在某型自行火炮上的應(yīng)用研究

劉愛峰，秦鵬飛，鄒定美，韓璇璇，付心釗

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某型自行火炮在實際應(yīng)用中存在目標可見但不能直接瞄準的現(xiàn)象，為了彌補這一缺陷，引入自動直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式。自動直瞄方式是使用激光測距儀測量火炮至目標直線距離，結(jié)合當前身管方向和姿態(tài)，求解出大地坐標系下的炮目高差和炮目距離，采用3D彈道解算模型求解出射擊裝定諸元，經(jīng)過操瞄解算得出調(diào)炮諸元。試驗結(jié)果表明，自動直瞄方式系統(tǒng)反應(yīng)時間短、瞄準精度高、使用范圍廣，能夠?qū)σ晥鰞?nèi)任意目標進行直接瞄準，性能優(yōu)于傳統(tǒng)直瞄方式。

自動直瞄；自行火炮；激光測距；彈道解算；操瞄解算

當前，某型自行火炮具有直瞄和間瞄兩種工作方式。直瞄方式的操作步驟是測距、瞄準、射角裝定、調(diào)炮到位[1]，大多在遭遇戰(zhàn)時使用，受到直瞄鏡距離分劃的限制，有效射擊距離在2 000 m以內(nèi)，瞄準精度不大于1.20 mrad。間瞄方式有手動裝定諸元和自動裝定諸元兩種方式，手動裝定諸元方式的操作步驟是周視鏡橫向和縱向規(guī)正、調(diào)炮至基準射向、獲取裝定諸元、諸元裝定、調(diào)炮到位，在不考慮空回情況下，瞄準精度不大于1.31 mrad；自動裝定諸元方式的操作步驟是獲取坐標信息、彈道解算后自動裝定諸元，瞄準手確認后執(zhí)行調(diào)炮到位，瞄準精度不大于1 mrad，間接瞄準的有效射擊距離在500～9 500 m以內(nèi)，主要在遠程火力壓制時使用。通過對比發(fā)現(xiàn)：在作戰(zhàn)使用方面，直瞄方式主要應(yīng)用在遭遇戰(zhàn)[2]，實現(xiàn)殲滅、摧毀可視目標的目的，間瞄方式主要在實現(xiàn)遠程火力壓制時使用；在瞄準精度方面，自動裝定諸元間瞄方式的瞄準精度最高，直瞄方式的瞄準精度次之，手動裝定諸元間瞄方式的瞄準精度最低；在反應(yīng)速度方面，直瞄方式和手動裝定諸元間瞄方式主要受到操作人員熟練程度的影響，自動裝定諸元間瞄方式主要受到彈道解算速度和隨動系統(tǒng)反應(yīng)速度的影響。

該型自行火炮的直瞄鏡可視距離為5 000 m，當目標與火炮距離大于2 000 m且小于5 000 m時，由于直瞄鏡沒有大于2 000 m的距離分劃，故只能通過偵察指揮系統(tǒng)獲取裝定諸元或目標信息后，使用間瞄方式進行作戰(zhàn)，與直瞄方式相比增加了作戰(zhàn)步驟，造成目標可見但不能快速摧毀的現(xiàn)象。為了彌補這一缺陷，引入自動直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式具有一定意義。自動直瞄方式的操作步驟是瞄準、瞄準手執(zhí)行激光測距并確認數(shù)據(jù)、執(zhí)行彈道解算并裝定諸元、瞄準手再次確認后自動調(diào)炮到位，顯著提高武器系統(tǒng)在直瞄射擊時的快速反應(yīng)能力和自動化水平[2]。

1 自動直瞄方式數(shù)學(xué)模型

1.1 自動直瞄方案

該型自行火炮已經(jīng)具備彈道解算和自動操瞄調(diào)炮的功能，只需將炮上直瞄鏡更換成具有激光測距功能的直瞄鏡，要求激光測距機能夠與火控計算機通信，將測距數(shù)據(jù)發(fā)送到火控計算機上用于彈道解算。對目標進行射擊時，瞄準手用半自動操縱臺控制火炮，用直瞄鏡瞄準目標后按下激光測距按鈕，火控計算機接收到測距數(shù)據(jù)后瞄準手進行確認，數(shù)據(jù)有效則進行彈道解算并自動裝定諸元，數(shù)據(jù)無效則重新快速測距。彈道解算完成后，經(jīng)過瞄準手確認執(zhí)行調(diào)炮，控制火炮調(diào)炮到位，瞄準手按下?lián)舭l(fā)按鈕即可射擊。

1.2 坐標系定義

定義1 地圖坐標系{Om,xm,ym,Hm}:Om點為地圖原點；Omxm軸指向大地正北向；Omym軸指向大地正東向；OmHm軸指向鉛垂向上[3]。

定義2 大地坐標系{O,xd,yd,Hd}:O點為炮塔回轉(zhuǎn)中心；Oxd軸指向大地正北向；Oyd軸指向大地正東向；OHd軸指向鉛垂向上。

定義3 炮塔軸線：火炮高低角ε和方位角β均為0時的身管軸線。

定義4 炮耳軸坐標系{O,x1,y1,H1}:O點為炮塔回轉(zhuǎn)中心；Ox1軸指向炮塔軸線方向；Oy1軸指向炮塔耳軸方向；向右為正，OH1軸按左手坐標系確定，向上為正。

定義5 定向角α：炮塔軸線在大地坐標系上的投影，與大地正北向的夾角，順時針為正。

定義6 炮塔平面縱傾角ψ：Ox1軸與平面Oxdyd的夾角，前傾為正。

定義7 炮塔平面橫傾角θ：Oy1軸與平面Oxdyd的夾角，右傾為正。

定義8 炮耳軸水平坐標系{O,x0,y0,H0}:當ψ=θ= 0時的炮耳軸坐標系。

定義9 坐標轉(zhuǎn)移矩陣A[4]：坐標點由炮耳軸水平坐標系轉(zhuǎn)移到炮耳軸坐標系的轉(zhuǎn)移矩陣，依據(jù)定義1～8可推導(dǎo)出：

(1)

定義10 射擊面坐標系{OJ,xJ,yJ,zJ}:OJ點為炮口射出點；OJyJ軸為地心與OJ的連線，向上為正；OJxJ軸為射擊面與過OJ點水平面的交線且在射擊面內(nèi)與OJyJ軸垂直，沿射向方向為正；OJzJ軸垂直于射面，其正向按右手準則確定。

各坐標系的關(guān)系如圖1所示。

炮耳軸水平坐標系與大地坐標系原點相同，OH0與OHd指向相同，Ox0與Oxd夾角為定向角α。設(shè)空間中一點在炮耳軸坐標系和炮耳軸水平坐標系下的坐標分別為(x1,y1,H1)和(x0,y0,H0)，則轉(zhuǎn)換關(guān)系為(x1,y1,H1)=(x0,y0,H0)A，其中A是坐標變換矩陣，由于A滿足ATA=I，所以(x0,y0,H0)=(x1,y1,H1)AT。

1.3 求解炮目高差HPM和炮目距離DPM

如圖2所示，{O,x0,y0,H0}為炮耳軸水平坐標系，{O,x1,y1,H1}為炮耳軸坐標系，M點為目標點，通過直瞄鏡內(nèi)的激光測距儀測量目標至本炮的直線距離D，采集到當前火炮定向角α，高低角ε，方位角β，炮塔平面縱傾角ψ，炮塔平面橫傾角θ。

取方位角β=0時的炮目直線單位向量e，則e在炮耳軸坐標系中坐標為

(x1,y1，H1)=(cosε,0,sinε)

依據(jù)上述炮耳軸水平坐標系和炮耳軸坐標系的關(guān)系，通過引入轉(zhuǎn)移矩陣AT進行計算，可知e在炮耳軸水平坐標系中的坐標為

(x0,y0,H0)=(cosε,0,sinε)AT

則e在炮耳軸水平坐標系中的高低角為

ε0=arcsin(cosεsinψ+sinεcosθcosψ)

方位角為

β0=arctan[(-sinεsinθ)/(cosεcosψ- sinεcosθsinψ)]

由上述分析可以得出，在炮耳軸水平坐標系中，炮目高差為HPM=Dsinε0，炮目距離為DPM=Dcosε0，方向修正量為Δβ1=β0。

由于直瞄鏡安裝后，瞄準線和身管軸線存在固定距離DMJ，如圖3所示，所以直瞄射擊方式中存在視角偏差Δβ2。

由圖3可得Δβ2=arctan(DMJ/DPM)。所以，直瞄射擊方式中，方向修正量Δβ=Δβ1+Δβ2。

1.4 彈道解算模型

在射擊面坐標系中，火炮坐標為(0,0,0)，目標坐標為(DPM,HPM,0)，利用如下3D彈道模型[3,5]解算所述諸元條件中彈種的射擊裝定諸元：

(2)

式中：ρ為空氣密度；h為彈丸附近的氣壓；τ為標準溫度(虛溫)；ux、uy、uz分別為相對于射擊面坐標系OJxJ、OJyJ、OJzJ軸的飛行速度；t為彈丸飛行時間；S為彈丸參考面積；m為彈重；g0為地球表面引力加速度；FD為彈丸的阻力符合系數(shù)；CD為彈丸的總阻力系數(shù)；v為彈丸相對于空氣的速度；vx、vy、vz分別為彈丸相對于空氣在OJxJ、OJyJ、OJzJ軸的速度分量。

在火炮發(fā)射初始狀態(tài)下，即t=0時，ux=u0cosθ0，uy=u0sinθ0，uz=0，x=0，y=0，z=0，h=h0，其中u0為實測初速，θ0為射角，h0為地面氣壓。

結(jié)合上述模型和給定諸元條件，可以得出射擊的裝定諸元，包括彈種、裝藥號、表尺ε0、方向β0(大地坐標系)這4個數(shù)據(jù)項。

1.5 操瞄解算調(diào)炮諸元火炮高低角ε和方位角β的數(shù)學(xué)模型

在大地坐標系中，取射擊裝定諸元的單位向量e，則e在大地坐標系中的坐標為

(xd,yd,Hd)=(cosε0cosβ0,cosε0sinβ0,sinε0)

依據(jù)上述炮耳軸水平坐標系與大地坐標系的關(guān)系，可知e在炮耳軸水平坐標系中的坐標為

(x0,y0,H0)=

(cosε0cos(β0-α),cosε0sin(β0-α),sinε0)

依據(jù)上述炮耳軸坐標系和炮耳軸水平坐標系的關(guān)系，通過引入轉(zhuǎn)移矩陣A進行計算，可知e在炮耳軸坐標系中的坐標[4]為

(x1,y1,H1)=

(cosε0cos(β0-α),cosε0sin(β0-α),sinε0)A

從而可知在炮耳軸坐標系下，射擊裝定諸元的身管高低角為

方位角為

β=arctan(y1/x1)

控制隨動系統(tǒng)自動進行高低和方位調(diào)炮，使炮塔旋轉(zhuǎn)至高低角ε，方位角β，調(diào)炮到位后，可以進行擊發(fā)射擊，自動直瞄射擊全過程執(zhí)行完畢。

2 自動直瞄方式與傳統(tǒng)直瞄方式的對比

2.1 使用范圍

該型火炮直瞄鏡中的測距分劃是依據(jù)2.7 m高的目標為標準，當目標高與標準高差距較大時，測距誤差偏大；距離分劃是依據(jù)榴彈全號裝藥設(shè)計的距離修正量，當火炮射擊使用彈種不是榴彈時，瞄準誤差偏大；距離分劃的最大值是2 000 m，當目標距離大于該值時，直瞄功能無法使用。因此傳統(tǒng)直瞄方式適用于使用榴彈全號裝藥，距離在2 000 m以內(nèi)，并且高度近似為2.7 m的目標。

應(yīng)用自動直瞄方式時，只要目標在直瞄鏡視場內(nèi)，激光測距機就能獲取目標距離信息，不受目標高度的影響，然后采用自動裝定諸元間瞄方式進行調(diào)炮到位?；鹂赜嬎銠C彈道模塊可以針對多種彈藥進行彈道解算，不受彈種約束。因此自動直瞄方式能夠應(yīng)用于直瞄鏡視場內(nèi)的所有目標。

2.2 系統(tǒng)反應(yīng)時間

傳統(tǒng)直瞄方式的操作步驟為：測距、瞄準、射角裝定、調(diào)炮到位，全部由瞄準手手工操作，其反應(yīng)時間從測距開始時刻計算至調(diào)炮到位時刻，包括3個時間段，分別是測距開始時刻至瞄準結(jié)束時間段t1，瞄準完成至射角裝定結(jié)束時間段t2，射角裝定完成至調(diào)炮到位時間段t3，傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時間t=t1+t2+t3。

安排同一名操作員進行2種方式系統(tǒng)反應(yīng)時間的測量，使用傳統(tǒng)直瞄方式測量距離1 500 m處2.7 m高的固定目標，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)直瞄方式反應(yīng)時間測量數(shù)據(jù)表 s

通過表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時間t≤21.9 s 。

通過對比兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：自動直瞄方式比傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時間更短。

2.3 自動直瞄瞄準精度分析

自動直瞄方式與自動裝定諸元間瞄方式相比，不同之處只是采用激光測距獲得目標信息，代替了通過偵察指揮系統(tǒng)獲取目標信息，后續(xù)作戰(zhàn)步驟不變，使得該型火炮繼承了自動裝定諸元間瞄方式的瞄準精度(小于1 mrad)，并且具有了更高的自主作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)束語

筆者詳細介紹了該型自行火炮的兩種瞄準方式并進行了對比，分析了傳統(tǒng)直瞄方式中目標可見但不能直接瞄準的原因，提出用自動直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式。提出了該型自行火炮使用自動直瞄方式的適應(yīng)性改造方案，對自動直瞄方式的數(shù)學(xué)模型和實現(xiàn)過程進行了建模分析，針對自動直瞄方式的系統(tǒng)反應(yīng)時間、瞄準精度、使用范圍3個方面，與傳統(tǒng)直瞄方式進行了對比，結(jié)果顯示自動直瞄方式性能優(yōu)于傳統(tǒng)直瞄方式。

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Application Research of Automatic Direct Aiming Method in aCertain Type of Self-propelled Artillery

LIU Aifeng, QIN Pengfei, ZOU Dingmei, HAN Xuanxuan, FU Xinzhao

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

In practical application, a certain type of self-propelled artillery has the phenomenon of not being able to aim directly at a visible target. In order to make up for this defect, automatic direct aiming method is introduced instead of the traditional direct aiming method. Automatic direct aiming method uses the laser range finder to measure the distance between the gun and the target so as to calculate the shot height difference and shot distance in geodetic coordinate system in combination with the current tube direction and posture. Automatic direct aiming method uses the 3D trajectory solving mo-del to solve the shooting binding elements and uses the aiming calculation model to solve the adjusting elements. Test results of automatic direct aiming show that system reaction time is short, that aiming precision is high, and that range of use is wide. Automatic direct aiming method can be used to directly aim at any target in the field of view, whose performance is superior to that of the traditional direct aiming method.

automatic direct aiming; self-propelled artillery; laser ranging; trajectory calculation; aiming calculation

2015-10-24

劉愛峰(1985—)，男，工程師，碩士，主要從事火控電氣系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：252576375@qq.com

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.02.008

TJ30

A

1673-6524(2017)02-0035-05