坦克火控系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移的補(bǔ)償方法

郝 強(qiáng)，南立軍，劉 斌，劉文齊

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所 信息與控制技術(shù)部，北京 100072)

先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊、首發(fā)命中是未來(lái)主戰(zhàn)坦克火控系統(tǒng)發(fā)展的方向，也是決定坦克對(duì)攻作戰(zhàn)成敗的關(guān)鍵。在現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)條件下，坦克火控系統(tǒng)的性能，尤其是高速機(jī)動(dòng)條件下的精確打擊性能成為保全自己、消滅敵人的殺手锏。筆者對(duì)現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)在高機(jī)動(dòng)條件下的瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移及其補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，以期降低瞄準(zhǔn)難度，減小瞄準(zhǔn)誤差，提高射擊命中率[1-2]。

1 穩(wěn)像式火控系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)代坦克普遍使用穩(wěn)像式火控系統(tǒng)。穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的特點(diǎn)是瞄準(zhǔn)線(xiàn)和火炮分離，分別有獨(dú)立的穩(wěn)定裝置，其工作原理圖如圖1所示。穩(wěn)像式火控系統(tǒng)中，火炮不再受炮手直接控制，而是隨動(dòng)于瞄準(zhǔn)線(xiàn)。炮手通過(guò)操縱臺(tái)驅(qū)動(dòng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)(上反射鏡)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，由瞄準(zhǔn)鏡和火炮位置傳感器得到瞄準(zhǔn)線(xiàn)與火炮的失調(diào)角?；鹋诳刂破饕源耸д{(diào)角為輸入，驅(qū)動(dòng)火炮高精度隨動(dòng)于瞄準(zhǔn)線(xiàn)。炮手對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，火控計(jì)算機(jī)進(jìn)行彈道解算并驅(qū)動(dòng)火炮控制器控制火炮裝定射角和提前量，之后炮手可以進(jìn)行擊發(fā)[3]。

使用雙軸陀螺對(duì)瞄準(zhǔn)線(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定，陀螺的兩個(gè)敏感軸分別與被穩(wěn)定平臺(tái)的方位、俯仰軸相平行。在一般情況下，平臺(tái)的支承和電刷、滑環(huán)中總會(huì)存在一定的摩擦，平臺(tái)部件的平衡也不會(huì)達(dá)到理想狀態(tài)，還有導(dǎo)線(xiàn)及各種電磁元件也會(huì)產(chǎn)生干擾力矩，所以，在運(yùn)載體或基座相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平臺(tái)就會(huì)跟運(yùn)載體或基座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺敏感平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出相應(yīng)的角速度信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)校正和功率放大后，控制平臺(tái)的穩(wěn)定電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)力矩，使平臺(tái)向基座轉(zhuǎn)動(dòng)的相反方向運(yùn)動(dòng)以回到初始位置，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定。

穩(wěn)像式火控系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)是瞄準(zhǔn)線(xiàn)可以得到高精度的穩(wěn)定(穩(wěn)定一個(gè)光路元件無(wú)疑要比穩(wěn)定一個(gè)火炮容易得多)，使得車(chē)體運(yùn)動(dòng)時(shí)炮手仍可以搜索和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)和火炮的失調(diào)角小于允許的門(mén)限時(shí)，即可進(jìn)行擊發(fā)[4-5]。

2 穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移

穩(wěn)像式火控系統(tǒng)可以克服車(chē)體運(yùn)動(dòng)時(shí)俯仰向的角度顛簸，可以克服方位向車(chē)體轉(zhuǎn)彎帶來(lái)的角度誤差。但是陀螺穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理決定了穩(wěn)像式火控系統(tǒng)無(wú)法克服車(chē)體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。在高低向，地面的高度起伏相對(duì)于目標(biāo)的距離很小，可以忽略不計(jì)。在方位向，車(chē)體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)帶來(lái)瞄準(zhǔn)線(xiàn)的平移。

如圖2所示，如果車(chē)體運(yùn)動(dòng)方向正對(duì)著目標(biāo)，則車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中瞄準(zhǔn)線(xiàn)可以始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)；如果車(chē)體運(yùn)動(dòng)方向不是正對(duì)著目標(biāo)，則車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中瞄準(zhǔn)線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生平移，逐漸脫離目標(biāo)。

如果火控系統(tǒng)具備自動(dòng)跟蹤功能，此時(shí)可以使用自動(dòng)跟蹤使瞄準(zhǔn)線(xiàn)跟蹤目標(biāo)。如果火控系統(tǒng)不具備自動(dòng)跟蹤功能，就需要射手扳動(dòng)操縱桿不斷調(diào)整瞄準(zhǔn)線(xiàn)位置以跟蹤目標(biāo)。在目標(biāo)距離2 km，坦克車(chē)速30 km/h的條件下，射手最大需要控制瞄準(zhǔn)線(xiàn)以約4.2 mrad/s的角速度運(yùn)動(dòng)跟蹤目標(biāo)。在坦克高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，尤其是車(chē)速忽快忽慢時(shí)，瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移會(huì)使瞄準(zhǔn)難度提高，瞄準(zhǔn)誤差增大，影響射擊命中率。

3 瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移的補(bǔ)償方法

如圖3所示，車(chē)體運(yùn)動(dòng)引起瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移時(shí)，在不增加硬件成本的情況下，利用現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算瞄準(zhǔn)線(xiàn)的補(bǔ)償角速度值，驅(qū)動(dòng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使瞄準(zhǔn)線(xiàn)始終跟蹤目標(biāo)，減小瞄準(zhǔn)誤差，提高射擊命中率。實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移補(bǔ)償，需要獲取以下傳感器信息。

需要獲取初始時(shí)刻車(chē)體到目標(biāo)的距離，將其定義為D，通過(guò)火控系統(tǒng)激光測(cè)距機(jī)可獲取距離。

需要獲取初始時(shí)刻火炮相對(duì)車(chē)體的角度，將其定義為α。通過(guò)火控系統(tǒng)炮塔方位角傳感器可獲取火炮角度，定義火炮朝正前時(shí)α為0，火炮向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)α逐漸增大，α的取值范圍為0°≤α<360°。

需要獲取車(chē)體速度，將其定義為v。通過(guò)車(chē)內(nèi)總線(xiàn)可以從坦克變速箱獲取車(chē)體速度，定義車(chē)體前進(jìn)時(shí)速度為正，車(chē)體后退時(shí)速度為負(fù)。

定義ts為解算周期，α1為當(dāng)火炮始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)一個(gè)解算周期后火炮的角度。為使火炮始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)，火炮的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)速度為ω，則有

(1)

定義火炮向右旋轉(zhuǎn)時(shí)ω為正。將補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)速度ω與瞄準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行疊加，瞄準(zhǔn)線(xiàn)控制器即可控制瞄準(zhǔn)線(xiàn)始終跟蹤目標(biāo)。

一個(gè)解算周期之后(即ts時(shí)刻)，以當(dāng)前時(shí)刻為初始時(shí)刻，按照上述解算過(guò)程可進(jìn)行循環(huán)解算，使得火炮始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)。對(duì)于瞄準(zhǔn)線(xiàn)控制系統(tǒng)而言，平移補(bǔ)償相當(dāng)于前饋，不會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從以上分析可知，只要求得α1，就可以得到瞄準(zhǔn)線(xiàn)的補(bǔ)償角速度。解算α1分為4種情況，下面分別進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 當(dāng)0°≤α<90°時(shí)的解算

如圖4所示，A為初始時(shí)刻車(chē)體到目標(biāo)距離的水平分量，B為初始時(shí)刻車(chē)體到目標(biāo)距離的垂直分量，C為ts時(shí)間后車(chē)體移動(dòng)的距離。根據(jù)解算圖有：

A=Dsinα

(2)

B=Dcosα

(3)

C=vts

(4)

3.1.1v≥0時(shí)

當(dāng)B>C時(shí)，有

(5)

當(dāng)B=C時(shí)，有

α1=90°

(6)

當(dāng)B

(7)

3.1.2v<0時(shí)

(8)

3.2 當(dāng)90°≤α<180°時(shí)的解算

如圖5所示，此時(shí)有

A=Dsin(180°-α)

(9)

B=Dcos(180°-α)

(10)

C=vts

(11)

3.2.1v≥0時(shí)

(12)

3.2.2v<0時(shí)

當(dāng)B>|C|時(shí)，有

(13)

當(dāng)B=|C|時(shí)，有

α1=90°

(14)

當(dāng)B<|C|時(shí)，有

(15)

3.3 當(dāng)180°≤α<270°時(shí)的解算

如圖6所示，此時(shí)有

A=Dsin(α-180°)

(16)

B=Dcos(α-180°)

(17)

C=vts

(18)

3.3.1v≥0時(shí)

(19)

3.3.2v<0時(shí)

當(dāng)B>|C|時(shí)，有

(20)

當(dāng)B=|C|時(shí)，有

α1=270°

(21)

當(dāng)B<|C|時(shí)，有

(22)

3.4 當(dāng)270°≤α<360°時(shí)的解算

如圖7所示，此時(shí)有

A=Dsin(360°-α)

(23)

B=Dcos(360°-α)

(24)

C=vts

(25)

3.4.1v≥0時(shí)

當(dāng)B>C時(shí)，有

(26)

當(dāng)B=C時(shí)，有

α1=270°

(27)

當(dāng)B

(28)

3.4.2v<0時(shí)

(29)

4 補(bǔ)償效果

為驗(yàn)證瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移的補(bǔ)償效果，在某型號(hào)坦克靶場(chǎng)試驗(yàn)期間，在同樣的距離、路面、車(chē)速和火炮初始角度條件下,讓同一個(gè)炮長(zhǎng)控制瞄準(zhǔn)線(xiàn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，通過(guò)瞄準(zhǔn)鏡CCD記錄的視頻，分析不使用瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移補(bǔ)償和使用瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移補(bǔ)償?shù)拿闇?zhǔn)精度。瞄準(zhǔn)鏡CCD記錄的靶板和十字線(xiàn)視頻畫(huà)面如圖8所示。

瞄準(zhǔn)鏡CCD記錄的視頻幀率為25幀/s，逐幀分析十字線(xiàn)中心距離靶心的距離，結(jié)合靶面大小和坦克距靶面距離，計(jì)算得到每幀的水平瞄準(zhǔn)誤差[6]，如圖9所示。

不使用瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移補(bǔ)償時(shí)，平均瞄準(zhǔn)誤差為0.16 mrad；使用瞄準(zhǔn)線(xiàn)平移補(bǔ)償時(shí)，平均瞄準(zhǔn)誤差為0.11 mrad，可見(jiàn)平移補(bǔ)償顯著減小了瞄準(zhǔn)誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

陀螺穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理決定了穩(wěn)像式火控系統(tǒng)無(wú)法克服車(chē)體線(xiàn)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差，車(chē)體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)帶來(lái)瞄準(zhǔn)線(xiàn)的平移。筆者通過(guò)分析穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的工作原理，提出了一種補(bǔ)償方法，在不增加硬件成本的情況下，利用現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算瞄準(zhǔn)線(xiàn)的補(bǔ)償角速度值，驅(qū)動(dòng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使瞄準(zhǔn)線(xiàn)始終跟蹤目標(biāo)，降低瞄準(zhǔn)難度，減小瞄準(zhǔn)誤差，提高射擊命中率。該補(bǔ)償方法已經(jīng)在某型號(hào)坦克火控系統(tǒng)中應(yīng)用，取得了良好的效果。