飛機目視瞄準(zhǔn)解算及測距誤差影響因素淺析

趙鵬飛 許子健 李勇軍

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

飛行員在飛機對地目視瞄準(zhǔn)訓(xùn)練過程中，通過平顯瞄準(zhǔn)目標(biāo)來投放炸彈等非制導(dǎo)武器，經(jīng)常出現(xiàn)無法準(zhǔn)確命中地面目標(biāo)的問題。飛行員對地面目標(biāo)進行目視瞄準(zhǔn)時，主要由載機與目標(biāo)的距離及姿態(tài)參數(shù)共同確定瞄準(zhǔn)線的方向，除載機與目標(biāo)之間的距離以外，其他參數(shù)均由機上配備的各種傳感器測定，且測量精度相對較高；而對于載機與目標(biāo)之前的距離測定，飛機需裝備構(gòu)造復(fù)雜的遠(yuǎn)距高精度激光測距器來完成。激光測距器是利用激光技術(shù)測量目標(biāo)距離的激光設(shè)備，是航空火力控制系統(tǒng)的重要組成部分，因為其產(chǎn)品故障率高，調(diào)校難度大，所以激光測距器產(chǎn)生的測距誤差是引起目視瞄準(zhǔn)誤差的主要因素之一。

1 基本概念

1.1 對地目視瞄準(zhǔn)基本概念

對地目視瞄準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理和瞄準(zhǔn)線解算由機載火控計算機完成，利用本機姿態(tài)參數(shù)、環(huán)境風(fēng)速、大氣密度、載機與目標(biāo)物的距離等參數(shù)，通過火控計算機內(nèi)部軟件計算出目標(biāo)的瞄準(zhǔn)線角坐標(biāo)。角坐標(biāo)用于確定平顯上顯示的瞄準(zhǔn)標(biāo)記的精確位置，如圖1所示。飛行員通過瞄準(zhǔn)標(biāo)記來觀察地面的目標(biāo)物，當(dāng)兩者重合時，即完成了一次瞄準(zhǔn)操作。此時，飛行員進行炸彈等非制導(dǎo)武器的投放，武器將按照預(yù)定軌跡命中目標(biāo)物。

圖1 對地目視瞄準(zhǔn)示意圖

1.2 飛機常用測距方法介紹

目標(biāo)距離測量方法一般可以分為三角測距法和激光測距法。三角測距法是將載機高度和姿態(tài)角度參數(shù)代入三角函數(shù)，從而間接計算目標(biāo)距離，其計算精度相對較低。激光測距法是利用激光往返所經(jīng)歷的時間與光速的乘積計算目標(biāo)距離，其計算精度相對較高。為提高對地面目標(biāo)打擊的精度，國內(nèi)外具備對地攻擊功能的三代機和先進的武裝直升機一般都裝備有高精度激光測距器，其測距量程可達(dá)10km以上。

2 瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)角度的計算

2.1 瞄準(zhǔn)線角度確定

空中投放炸彈等非制導(dǎo)武器可以看作是一個近似的自由落體運動，炸彈著點的位置受載機的高度、速度、側(cè)滑角、迎角、傾斜角、俯仰角及目標(biāo)距離等參數(shù)影響，同時也與載機所處的環(huán)境風(fēng)速和大氣密度相關(guān)。這些參數(shù)由載機上安裝的各種傳感器測得，提供給機載火控計算機，并通過火控計算機內(nèi)部軟件程序完成炸彈投放坐標(biāo)系的構(gòu)建和幾何運算，計算出瞄準(zhǔn)線方位角φA和俯視角φB，從而控制瞄準(zhǔn)標(biāo)記在平顯上的精確位置。

2.2 瞄準(zhǔn)線矢量方程的建立

炸彈等非制導(dǎo)武器被投放后，可近似為有初速度的自由落體運動，下落過程中受環(huán)境風(fēng)速和大氣密度影響。構(gòu)建投放點到理論彈著點的幾何圖形，如圖2所示。圖中無風(fēng)射程為A0，炸彈落下時間為T，炸彈投放高度為H，載機速度為V，載機攻角為υ（俯沖時為負(fù)值）。在圖2上炸彈投放點用O表示，在無風(fēng)時降落點用A表示，在有風(fēng)速度為U時，降落點用B表示。

2.2.1 俯仰角的計算

在三角形OO'E 內(nèi)建立三角函數(shù)關(guān)系計算公式：

由式（1）計算可得彈著點俯仰角坐標(biāo)φB：

圖2 對地目視瞄準(zhǔn)矢量圖

2.2.2 彈著點方位角的計算

根據(jù)圖2可得下式：

式中，A0為炸彈的無風(fēng)射程，具有在水平面上的飛機速度投影方向，圖2中O′A；T為炸彈落下時間；D為離彈著點的距離，圖2中OB；Uy為Y軸上的風(fēng)速投影，圖2中CE；Ux為X軸上的風(fēng)速投影，圖2中DF；χ為炸彈偏移與Y軸之間夾角。

3 瞄準(zhǔn)線角坐標(biāo)影響分析

3.1 瞄準(zhǔn)線俯仰角誤差分析

為了更明確地分析激光測距對瞄準(zhǔn)標(biāo)記的影響程度，假定其他參數(shù)為常數(shù)，把距離參數(shù)作為變量。通過瞄準(zhǔn)線矢量方程的計算可知，瞄準(zhǔn)線俯仰角φB僅由載機高度、速度、側(cè)滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態(tài)參數(shù)確定，這些參數(shù)由載機上配備的各種傳感器進行測定，無需進行復(fù)雜的校準(zhǔn)。通常情況下，精確度容易得到有效控制，是導(dǎo)致瞄準(zhǔn)誤差產(chǎn)生的次要因素。

3.2 瞄準(zhǔn)線方位角誤差分析

在瞄準(zhǔn)線方位角φA的確定過程中，除載機高度、速度、側(cè)滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態(tài)參數(shù)參與運算外，載機與地面目標(biāo)的距離參數(shù)直接參與瞄準(zhǔn)線方位角度的計算，距離是影響瞄準(zhǔn)標(biāo)記在平顯上顯示位置的關(guān)鍵參數(shù)，同時也是戰(zhàn)機日常作訓(xùn)中導(dǎo)致對地目視瞄準(zhǔn)誤差形成的主要原因。

4 激光測距誤差產(chǎn)生的原因及解決措施

機載激光測距器安裝于飛機的前側(cè)，可根據(jù)必要的工作狀態(tài)形成輻射探測脈沖，接收和處理來自目標(biāo)的回波脈沖，并通過計算得出空中和地面目標(biāo)的真實距離。激光測距器的精度除由產(chǎn)品硬件性能保證之外，更大程度上需通過調(diào)校平顯瞄準(zhǔn)線和激光測距器軸線的平行度來保證。對地面目標(biāo)物進行瞄準(zhǔn)的狀態(tài)下，激光輻射的軸線受控于平顯的瞄準(zhǔn)線，兩者的平行度決定著激光測距點與目標(biāo)物的同一性，如圖3所示。當(dāng)平行度不符合要求時，激光測距點就會偏離目標(biāo)物，產(chǎn)生距離失真，從而形成較大的測距誤差。

4.1 激光測距器性能故障

4.1.1 原因分析

三代戰(zhàn)機激光測距器一般由輻射器、接收－發(fā)射裝置和電子組件3個子系統(tǒng)組成。輻射器用來建立具有預(yù)定光譜、時間和能量特性的電磁能輻射，激光輻射僅作為測距器的發(fā)射部分，無相關(guān)信號處理和過程運算，因此輻射器對激光測距精度無影響。接收－發(fā)射裝置以激光發(fā)射時產(chǎn)生的脈沖干擾作為基準(zhǔn)信號使用，接收目標(biāo)反射信號，并將這些光信號轉(zhuǎn)換為電信號，放大后以模擬形式通過一個通道發(fā)送給電子組件的時間間隔測量器，從而計算出激光發(fā)射和接收的時間間隔T。綜上分析，接收－發(fā)射裝置故障將會導(dǎo)致發(fā)射和接收的時間間隔T不準(zhǔn)確，而距離值由時間間隔與光速的乘積計算得出，因此可知對激光測距的精度影響較大。電子組件主要根據(jù)接收部件提供的脈沖間隔，生成激光發(fā)射與接收的時間差值T，模塊內(nèi)部程序進行距離的運算，得到目標(biāo)物的距離D，將距離參數(shù)發(fā)送給火控計算機，用于瞄準(zhǔn)線的計算。電子組件為激光測距器的核心部件，若出現(xiàn)性能故障，會產(chǎn)生測距不連續(xù)、精度不高等問題。

4.1.2 解決措施

機載激光測距器設(shè)置有自檢功能，用以評判測距性能指標(biāo)。當(dāng)執(zhí)行自檢命令時，時間間隔測量器中可產(chǎn)生一對間隔時間為(20±1)μs、頻率?=10Hz的間隔控制脈沖（基準(zhǔn)+回波）。這對脈沖可保證控制發(fā)光二極管的觸發(fā)。發(fā)光二極管的輻射流落在雪崩式光電探測裝置的光敏場，并在電子組件的輸出端轉(zhuǎn)換為兩個延遲時間為(20±1)μs的信號。當(dāng)該信號的延遲時間與時間間隔測量器中早先確定的延遲時間相符時，時間間隔量器即給出與距離D=(3000±150)m相一致的檢測碼，當(dāng)超出規(guī)定范圍后，需要依次更換接收－發(fā)射裝置、時間間隔器和電子組件排除故障。

圖3 激光測距示意圖

4.2 掃描鏡零位漂移

4.2.1 原因分析

火控計算機控制激光輻射的光軸方向，這個功能由激光測距器內(nèi)部可移動的掃描鏡完成。根據(jù)所需打擊的目標(biāo)，火控計算機產(chǎn)生掃描機構(gòu)傳動指令，控制掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度，確定激光向外部空間發(fā)射的軸線，指向需要瞄準(zhǔn)的目標(biāo)物。方位傳感器、俯仰角傳感器和傾角傳感器測定掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度值，以格雷碼形式提供給格雷碼變換器，格雷碼變換器可將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字碼，反饋給掃描鏡控制器，從而對掃描鏡形成閉環(huán)控制。當(dāng)傳感器零位出現(xiàn)一定的偏差時，會導(dǎo)致掃描鏡角度控制存在誤差，激光輻射軸線出現(xiàn)偏差，那么激光照射的物體與所瞄準(zhǔn)的目標(biāo)物將不是同一物體，就會造成激光測距失真，形成測距誤差。

4.2.2 解決措施

激光測距器內(nèi)部設(shè)置有掃描鏡零位校準(zhǔn)傳感器，用于補償激光測距器零位傳感器的安裝誤差，對于國內(nèi)外三代戰(zhàn)機裝備的激光測距器，零位角度允許誤差要求在± 5s之內(nèi)，則對測距精度的影響在可接受范圍內(nèi)。若誤差超出規(guī)定值，需按照使用維護說明書調(diào)整校準(zhǔn)傳感器的開關(guān)位置，用以對激光測距器的零位偏差進行補償，此舉可以有效提高激光測距精度。

4.3 安裝誤差

4.3.1 原因分析

激光測距器輻射的激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線平行時，在較遠(yuǎn)距離的某個點上兩條線可以近似為相交，當(dāng)瞄準(zhǔn)點和測距點為同一物體時，激光測距器測定的目標(biāo)距離最為精確，如圖3所示。反之，當(dāng)激光測距器所輻射激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線存在一定安裝誤差角度時，那么兩軸線在無限遠(yuǎn)處無法近似為相交，瞄準(zhǔn)點和測距點不統(tǒng)一，就會造成激光測距誤差。

4.3.2 解決措施

激光測距器的安裝與載機過程中，無法避免會存在一定的安裝誤差，需要通過整機校靶的方式來消除誤差。一般方法是控制對地瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進入維護模式后，接通激光輻射，激光入射到靶板上形成灼燒光斑，通過測量理論入射點和實際入射點的誤差尺寸值，進行正切三角函數(shù)運算，從而確定誤差角度。當(dāng)誤差角度超過規(guī)定值時，通過火控計算機中輸入校正誤差參數(shù)，對激光輻射方向進行校正，保證激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線的平行度，從而提高測距精度。

5 結(jié)束語

激光測距器產(chǎn)生的相關(guān)誤差直接影響目視瞄準(zhǔn)和對地攻擊的精度，日常訓(xùn)練中經(jīng)常遇到平顯上瞄準(zhǔn)標(biāo)記左右抖動的現(xiàn)象，一般就是由于激光測距器性能不穩(wěn)定或者光軸校準(zhǔn)存在誤差，應(yīng)及時對激光測距器進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)故障所在，并予以排除。檢修過后，應(yīng)重新對激光測距器光軸進行零位和安裝光軸誤差校準(zhǔn)，以提高飛機對地目視瞄準(zhǔn)的精度。