一種高精度彈丸全彈道飛行時間測量方法

劉紅梅，陳俊彪，吳建敏，薛 磊，王 凱

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

彈丸從離開發(fā)射裝置在空中飛行，直至最終抵達落區(qū)開始作用或著地時所用的時間為該彈丸的全彈道飛行時間[1]。彈丸飛行時間是武器彈道設(shè)計研究的最基礎(chǔ)參數(shù)之一，在兵器靶場試驗測試中有著重要作用，準確的彈丸飛行時間數(shù)據(jù)可為彈藥研制、彈丸設(shè)計和彈道一致性試驗提供指導(dǎo)，對進一步提高多彈道導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)能力及未來導(dǎo)彈防御系統(tǒng)設(shè)計具有重要作用[2-3]。

目前，國內(nèi)靶場彈丸飛行時間測試主要采用雷達區(qū)間測試法和動態(tài)區(qū)域截止測試法[4-5]。雷達區(qū)間測試法是通過雷達系統(tǒng)測得彈丸相對于雷達天線的徑向速度-時間數(shù)據(jù)，再根據(jù)炮口和天線之間的坐標關(guān)系，對數(shù)據(jù)進行修正，得到彈丸相對于炮口的徑向速度-時間數(shù)據(jù)，據(jù)此進一步確定彈丸的飛行時間[6]；動態(tài)區(qū)域截止測試法是采用紅外探測器將火炮發(fā)射時的紅外信號經(jīng)信號線傳輸至計時器中，利用區(qū)域攔截裝置輸出信號并計時，由此獲得彈丸飛行時間[7]。輕武器彈丸具有彈道低伸、體積小等特性[8]，采用雷達測試方法具有一定的局限性；動態(tài)區(qū)域截止測試可以克服雷達測試的缺陷，但對于長距離彈道，需要布設(shè)長距離的信號線，且要確保信號線之間的連接可靠性，在測試之前需要檢查線路布設(shè)和設(shè)備聯(lián)調(diào)聯(lián)試，試驗測試周期長，消耗大量人力、物力、財力，特別是面對復(fù)雜的地形地貌，信號線無法確保完成布設(shè)，試驗測試難度增大[9-10]。

針對上述彈丸飛行時間測量中存在的問題，本文提出一種以衛(wèi)星授時為基礎(chǔ)的彈丸全彈道飛行時間測試方法，采用高速攝像機和GPS時統(tǒng)相結(jié)合，利用GPS時統(tǒng)定位鎖時高速攝像機觸發(fā)時刻的衛(wèi)星定位時間，利用高速攝像機進行觸發(fā)延時修正，通過計算首區(qū)和落區(qū)時間差，得到高精度的彈丸全彈道飛行時間。

1 試驗測試系統(tǒng)

1.1 測試系統(tǒng)的組成

本文高精度彈丸全彈道飛行時間測試系統(tǒng)由兩臺高速攝像機、兩臺GPS時統(tǒng)及計算機(圖像和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))等組成。高速攝像GPS時統(tǒng)測試系統(tǒng)實物如圖1所示。

圖1 高速攝像GPS時統(tǒng)測試系統(tǒng)實物圖

GPS時統(tǒng)是實現(xiàn)時間坐標統(tǒng)一的技術(shù)或時間同步的裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工程和科學(xué)領(lǐng)域需要時間統(tǒng)一裝置，特別是航天、軍事、通信、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其測控任務(wù)由多臺設(shè)備和系統(tǒng)聯(lián)合完成，需要統(tǒng)一的時間坐標。

GPS衛(wèi)星授時是利用GPS衛(wèi)星上載有的與世界協(xié)調(diào)時間統(tǒng)一的原子鐘提供一種空間的時間基準，地面上接收發(fā)自GPS衛(wèi)星的時間服務(wù)信號，校準本地時鐘，使之與GPS時鐘統(tǒng)一，完成時間傳遞任務(wù)。利用每一顆GPS衛(wèi)星的精確位置和連續(xù)發(fā)送的星上原子鐘生成的導(dǎo)航信息獲得從衛(wèi)星至接收機的到達時間差。GPS衛(wèi)星定位授時原理示意如圖2所示。

圖2 GPS衛(wèi)星定位授時原理示意圖

高速攝像機可以在短時間內(nèi)對目標進行多次采樣，針對目標變化量進行準確記錄。本文選用Phantom Miro C320型高速攝像機，如圖3所示。該設(shè)備傳感器分辨率為1920×1080，像素大小10μm×10μm，滿足試驗測試需求。

圖3 Phantom Miro C320型高速攝像機

1.2 工作原理

彈丸飛行時間測試現(xiàn)場儀器布設(shè)原理如圖4所示。

圖4 彈丸飛行時間測試現(xiàn)場儀器布設(shè)原理

試驗測試時，在彈道線起點、終點順光一側(cè)的垂直方向分別布設(shè)一臺高速攝像機和一臺GPS時統(tǒng)設(shè)備，高速攝像機的光軸與彈線垂直，將高速攝像機的觸發(fā)端與時統(tǒng)設(shè)備的輸入端通過數(shù)據(jù)線進行并接，從而可保證同時觸發(fā)。試驗過程中，兩臺高速攝像機視場分別對準發(fā)射區(qū)段和落區(qū)終點彈道段，實時記錄彈丸離開發(fā)射裝置的過程圖像和落區(qū)作用或著地過程圖像，并將此段圖像以幀為單位構(gòu)成圖像文件，存儲于控制計算機硬盤中。試驗測試后使用專用軟件處理，確定彈丸發(fā)射時及作用或著地時相對觸發(fā)零時的圖像幀數(shù)，首、落區(qū)的兩臺GPS時統(tǒng)分別鎖時記錄兩臺高速攝像機觸發(fā)時的標準衛(wèi)星定位時間。由所測數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)計算彈丸的飛行時間。

T=t2+M2/P2-t1-M1/P1

(1)

式中：T為導(dǎo)彈或火箭彈飛行時間，s；t1和t2分別為首區(qū)和落區(qū)高速攝像機觸發(fā)時刻時間，s；M1和M2分別為首區(qū)和落區(qū)高速攝像讀取的幀數(shù)；P1和P2分別為首區(qū)和落區(qū)高速攝像拍攝幀頻，s-1。

本文利用高速攝像GPS時統(tǒng)法進行彈丸的彈道飛行時間測試，采用GPS時統(tǒng)可以獲取觸發(fā)時刻的標準時間信息，通過高速攝像圖像的回放進行觸發(fā)延時修正，從而獲得高精度的飛行時間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)不受彈道線長短、地形地貌、首落區(qū)地域時差、啟動停止信號延時等的影響，可準確測量彈丸飛行時間，為武器研發(fā)與設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)。

1.3 試驗測試操作步驟

本文試驗在某試驗單位外場上進行，以衛(wèi)星授時的方式進行彈丸的彈道飛行時間測試。試驗測試操作步驟如圖5所示。

圖5 試驗測試操作步驟框圖

以某型號火箭彈的飛行時間測試為例，具體試驗操作步驟如下。

(1)根據(jù)試驗測試要求，按照試驗工作原理將設(shè)備進行合理布局，在首區(qū)和落區(qū)合理選點，在安全距離內(nèi)布設(shè)高速攝像GPS時統(tǒng)測試系統(tǒng)，根據(jù)試驗環(huán)境和試驗彈丸種類合理選擇觸發(fā)裝置(手動開關(guān)、紅外觸發(fā)、聲靶觸發(fā)等)。因首區(qū)環(huán)境復(fù)雜，不具備紅外觸發(fā)條件，為保證測試準確性，首區(qū)采用手動開關(guān)進行人工手動觸發(fā)；因落區(qū)高速攝像機布設(shè)在導(dǎo)彈落點附近，危險性極大，故采用紅外觸發(fā)裝置進行紅外自動觸發(fā)。

(2)將計算機、高速攝像機和GPS時統(tǒng)進行連接調(diào)試，調(diào)試正常后對高速攝像機的拍攝視場、分辨率、曝光時間、拍攝幀頻等各項參數(shù)進行調(diào)整，直至視場和畫質(zhì)達到最佳，再對GPS時統(tǒng)進行復(fù)位，確保GPS時統(tǒng)能夠可靠接收4顆衛(wèi)星以上的信號，首區(qū)和落區(qū)的操作方式一致。

(3)試驗各項準備工作結(jié)束后，對各項參數(shù)設(shè)置和線路連接狀態(tài)進行檢查，復(fù)核無誤后方可撤離試驗現(xiàn)場。

(4)當火箭彈點火離開發(fā)射裝置開始在空中飛行時，首區(qū)測試人員看到火光后按壓手動開關(guān)，輸出脈沖觸發(fā)信號至首區(qū)與之相連的高速攝像機1與GPS時統(tǒng)1(圖4)，高速攝像機1接到觸發(fā)信號后開始拍攝記錄發(fā)射過程圖像，GPS時統(tǒng)1同時接到觸發(fā)信號開始鎖時記錄衛(wèi)星定位時間。

(5)當火箭彈到達預(yù)定落區(qū)開始作用時，紅外觸發(fā)裝置探測接收到紅外信號后，輸出脈沖觸發(fā)信號至落區(qū)與之相連的高速攝像機2與GPS時統(tǒng)2(圖4)，高速攝像機2接到觸發(fā)信號后開始拍攝記錄火箭彈終點彈道作用過程圖像，GPS時統(tǒng)2同時接到觸發(fā)信號開始鎖時記錄衛(wèi)星定位時間。

(6)試驗結(jié)束后，測試人員進入場地及時下載保存圖像及記錄各項數(shù)據(jù)，并利用計算機圖像處理軟件進行分析，按式(1)計算得到彈丸全彈道飛行時間。

2 試驗測試結(jié)果與分析

以某型號火箭彈的飛行時間測試為例，預(yù)定發(fā)射火箭彈5枚。通過對首區(qū)、落區(qū)高速拍攝圖像進行分析判讀，分別讀取火箭彈離開發(fā)射裝置時與終點彈道作用時相對觸發(fā)零時的圖像幀數(shù)，首、落區(qū)高速攝像機均采用1000s-1的幀頻進行拍攝?；鸺龔椚珡椀里w行時間測試結(jié)果如表1所示。

表1 火箭彈全彈道飛行時間測試結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知，采用不同觸發(fā)方式均會產(chǎn)生一定的負延時。利用紅外觸發(fā)裝置產(chǎn)生的負延時較小，但易出現(xiàn)異常觸發(fā)情況；利用手動觸發(fā)產(chǎn)生的負延時較大且不穩(wěn)定，但不會出現(xiàn)異常觸發(fā)情況。

單獨利用時統(tǒng)進行彈丸飛行時間測試，沒有備份測試儀器，無法保證測試數(shù)據(jù)的正確性、穩(wěn)定性和可靠性；利用高速攝像系統(tǒng)與GPS時統(tǒng)相結(jié)合的測試方法，可以有效解決空間區(qū)域時間獲取難題，并可通過高速攝像圖像回放查看或驗證觸發(fā)是否正確及負延時對結(jié)果的影響，有效保證彈丸飛行時間測試數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。表1中試驗測試結(jié)果表明，利用衛(wèi)星授時進行的彈丸全彈道飛行時間測試系統(tǒng)可行。其中表1第3組數(shù)據(jù)中落區(qū)彈丸作用至觸發(fā)零時幀數(shù)M2出現(xiàn)錯誤數(shù)值，原因是外場試驗進行時，人員均已撤離現(xiàn)場，飛鳥經(jīng)過導(dǎo)致設(shè)備誤觸發(fā)。

本文設(shè)計的試驗裝置不僅能準確測試出彈丸全彈道飛行時間，還可以結(jié)合測試圖像對異常情況進行分析校正，試驗測試數(shù)據(jù)精度約為1ms。

3 結(jié)束語

提出了一種彈丸全彈道飛行時間的測量方法。根據(jù)自然環(huán)境和首區(qū)、落區(qū)等條件，合理制定了測試方案，設(shè)計了一種以衛(wèi)星授時為基礎(chǔ)的GPS時統(tǒng)與高速攝像機相結(jié)合的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受彈體種類限制，可以克服彈道線長、地形復(fù)雜等不利因素，具有成本低、維護便捷的優(yōu)點。多次試驗表明，該測試方法可以滿足彈丸全彈道飛行時間的精準測量。