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        轟炸光電瞄準(zhǔn)模型建立

        2015-03-29 02:10:44王昊鵬劉澤乾張會(huì)勇劉成亮李星宇
        激光與紅外 2015年4期
        關(guān)鍵詞:投彈載機(jī)十字

        王昊鵬,劉澤乾,張會(huì)勇,劉成亮,李星宇

        (1.海軍航空工程學(xué)院武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程系,山東 煙臺(tái)264000;2.空軍航空大學(xué)作戰(zhàn)指揮系,吉林 長(zhǎng)春130022;3.空軍航空大學(xué),吉林 長(zhǎng)春130022)

        1 引言

        光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)型純光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),成為實(shí)現(xiàn)全天候精確轟炸的新一代瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)主戰(zhàn)轟炸機(jī)配備的純光學(xué)目視瞄準(zhǔn)具已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)今信息化作戰(zhàn)要求,主要表現(xiàn)在目標(biāo)截獲難、轟炸精度低、載機(jī)生存能力弱等方面,急需配備光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。為解決轟炸光電瞄準(zhǔn)模型這一光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),需建立轟炸光電瞄準(zhǔn)模型[1-3]。

        轟炸瞄準(zhǔn)與控制是通過(guò)與武器射程相聯(lián)系的投放點(diǎn)和命中點(diǎn)的瞄準(zhǔn)解算來(lái)實(shí)施的。常用的轟炸方法分為連續(xù)計(jì)算投放點(diǎn)(CCRP,Continuously Computed Release Point)及連續(xù)計(jì)算命中點(diǎn)(CCIP,Continuously Computed Impact Point)兩種。CCIP是在解算出命中點(diǎn)之后,通過(guò)與目標(biāo)位置相比較來(lái)確定投彈時(shí)機(jī);而CCRP則通過(guò)計(jì)算投放點(diǎn)位置或到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間來(lái)掌握投彈時(shí)機(jī)[4-6]。

        光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采用CCRP瞄準(zhǔn),在截獲目標(biāo)之后,解算出投彈點(diǎn),通過(guò)當(dāng)前位置與投彈點(diǎn)之間的角度差值來(lái)修正載機(jī)位置,并確定開(kāi)艙與投彈時(shí)刻。光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中夜間及復(fù)雜氣象條件下無(wú)法觀測(cè)到目標(biāo),不能完成目標(biāo)截獲,自然無(wú)法進(jìn)行轟炸瞄準(zhǔn)。相比之下,光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)紅外、可見(jiàn)光和激光設(shè)備探測(cè)目標(biāo),結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù),可全天候快速截獲目標(biāo),解算出光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)無(wú)法獲得的目標(biāo)數(shù)字量位置數(shù)據(jù)。本文模型建立的任務(wù)就是有效利用這些數(shù)據(jù),確定光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)下飛控、開(kāi)艙及投彈的解算模型[7-9]。

        2 航行法下瞄準(zhǔn)任務(wù)分析

        較光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在目標(biāo)截獲和計(jì)算速度方面都有很大提高,有較充足的時(shí)間獲取目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)參數(shù),可以應(yīng)用航行法進(jìn)行快速瞄準(zhǔn)。

        有風(fēng)情況下投彈,炸彈離開(kāi)飛機(jī)以前,是和飛機(jī)以同樣的速度運(yùn)動(dòng)的。包括飛機(jī)和炸彈在內(nèi)的整個(gè)空氣團(tuán)都是運(yùn)動(dòng)的,計(jì)算有風(fēng)彈道所取的坐標(biāo)相對(duì)地面來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的,它運(yùn)動(dòng)的速度等于風(fēng)速U。這時(shí)炸彈相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng),是由相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)和隨空氣運(yùn)動(dòng)的牽連運(yùn)動(dòng)組成的。因此,炸彈相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)的速度就等于飛機(jī)空速V,相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的速度等于飛機(jī)地速W,即飛機(jī)空速V與U的矢量和,如圖1所示,空速與地速夾角稱為偏流角,以α表示。

        圖1 空速、地速、風(fēng)速矢量三角形Fig.1 Vector triangle of space velocity,velocity and wind velocity

        側(cè)風(fēng)情況下水平轟炸彈道如圖2所示。

        圖2 側(cè)風(fēng)彈道圖Fig.2 Ballistic under cross wind

        飛機(jī)在O點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)OB方向投彈,在無(wú)風(fēng)情況下,炸彈落在M1點(diǎn)。有風(fēng)情況下,如果飛機(jī)投彈后仍然保持原來(lái)的飛行狀態(tài)飛行,就會(huì)沿著OE方向運(yùn)動(dòng),炸彈落地時(shí),飛機(jī)飛到E點(diǎn)。OBB1O1為無(wú)風(fēng)時(shí),轟炸軌跡所在平面;OEE1O1為側(cè)向有風(fēng)時(shí)轟炸軌跡所在平面;V為飛機(jī)空速;H為轟炸高度;γ為退曳角,ME1為退曳長(zhǎng);W為飛機(jī)相對(duì)地面轟炸目標(biāo)的速度,它是風(fēng)速與空速的合成速度;M點(diǎn)為轟炸目標(biāo)點(diǎn);α為偏流角,它是飛機(jī)航向與飛機(jī)航路的夾角,即飛機(jī)空速V與地速W的夾角;MP為橫偏長(zhǎng),反映了側(cè)風(fēng)對(duì)彈道軌跡的影響;坐標(biāo)原點(diǎn)O即為投彈點(diǎn)。

        投彈前H、V、U及炸彈種類(lèi)確定后,載機(jī)投彈位置是一個(gè)固定點(diǎn),與目標(biāo)相對(duì)位置關(guān)系也是確定的,只有在該固定點(diǎn)投彈,炸彈才能命中目標(biāo)。瞄準(zhǔn)過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是將載機(jī)引導(dǎo)到該固定點(diǎn),因此航行法瞄準(zhǔn)過(guò)程中的關(guān)鍵任務(wù)就是實(shí)時(shí)解算載機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系。

        3 數(shù)值計(jì)算

        轟炸目標(biāo)在水平坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P X,Y,( )Z 可表示為[10]:

        其中,x即為目標(biāo)沿航跡線方向的距離;y為目標(biāo)到航跡線的距離;z為載機(jī)水平飛行高度。θy=-λ,λ為載機(jī)俯仰角,θz=α。λ、α可直接從顯控系統(tǒng)讀取。顯控系統(tǒng)是載機(jī)火控系統(tǒng)人機(jī)交互核心,承擔(dān)火控系統(tǒng)總線控制任務(wù),基本涵蓋了載機(jī)所有的航行與火控?cái)?shù)據(jù)。

        側(cè)向瞄準(zhǔn)距MP和縱向瞄準(zhǔn)距MN分別由式(2)、(3)計(jì)算:

        其中,T為炸彈落下時(shí)間;γ為退曳角。

        將MP寫(xiě)成矩陣形式有:

        同理,求出MN:炸彈落下時(shí)間T是根據(jù)H、V查彈道表獲得,W由顯控系統(tǒng)獲得,將T帶入式(3)中,將MN表示成矩陣形式:

        確定了目標(biāo)在水平坐標(biāo)系下坐標(biāo)計(jì)算方法和當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轟炸所需的側(cè)向瞄準(zhǔn)距MP和縱向瞄準(zhǔn)距離MN的計(jì)算方法后,瞄準(zhǔn)中實(shí)時(shí)對(duì)比MP與y、MN與x來(lái)實(shí)施瞄準(zhǔn),以下具體分析應(yīng)用光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)的轟炸瞄準(zhǔn)過(guò)程。

        4 轟炸光電瞄準(zhǔn)機(jī)理

        轟炸目標(biāo)坐標(biāo)是三維的,而通常水平轟炸飛機(jī)的飛行高度是不變的,這樣轟炸瞄準(zhǔn)的原理可以簡(jiǎn)化為側(cè)向瞄準(zhǔn)和縱向瞄準(zhǔn),也就是通過(guò)計(jì)算轟炸目標(biāo)在水平坐標(biāo)系下的x,y坐標(biāo),將其和載機(jī)當(dāng)前位置時(shí)的側(cè)向瞄準(zhǔn)距MP與縱向瞄準(zhǔn)距MN進(jìn)行比較,修正差值進(jìn)行瞄準(zhǔn),即光電瞄準(zhǔn)采用的是測(cè)距法。同光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)相同,光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)的基本原理也是CCRP基本原理,瞄準(zhǔn)過(guò)程如圖3所示。

        圖3 轟炸光電瞄準(zhǔn)過(guò)程Fig.3 Process of bombing electro-optic targeting

        為了達(dá)到和轟炸瞄準(zhǔn)設(shè)備在方向瞄準(zhǔn)時(shí)縱標(biāo)線和地速方向一致的條件,光電探測(cè)設(shè)備輸出的圖像需要通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)疊加一個(gè)與目視光學(xué)系統(tǒng)分劃板相似的電十字標(biāo)線,該電十字標(biāo)線在旋轉(zhuǎn)了一定角度后縱標(biāo)線方向和地速方向相同,以直觀反映載機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系。地速方向又與爆炸線方向平行,可以根據(jù)解算出的距離差值解算出爆炸線位置,作為十字光標(biāo)縱標(biāo)線,在根據(jù)炸彈射程,可以確定出十字光標(biāo)的橫標(biāo)線,十字光標(biāo)中心點(diǎn)即為載機(jī)當(dāng)前位置下的爆炸點(diǎn)。這樣光電瞄準(zhǔn)過(guò)程顯示為十字中心壓住目標(biāo)的過(guò)程,首先進(jìn)行方向瞄準(zhǔn),保持十字光標(biāo)縱標(biāo)線持續(xù)穿過(guò)目標(biāo),然后進(jìn)行距離瞄準(zhǔn),使十字中心壓住目標(biāo),開(kāi)始投彈。

        5 解算算法

        5.1 飛控參數(shù)解算算法

        光學(xué)瞄準(zhǔn)采用測(cè)角法,角度差值是核心狀態(tài)參數(shù),同時(shí)作為飛控信號(hào)輸入自動(dòng)駕駛儀,控制載機(jī)飛行;方向瞄準(zhǔn)的完成標(biāo)志是瞄準(zhǔn)線傾斜角等于觀測(cè)線傾斜角,距離瞄準(zhǔn)的完成標(biāo)志是觀測(cè)角等于瞄準(zhǔn)角。飛控信號(hào)在方向瞄準(zhǔn)過(guò)程中輸出。

        轟M型飛機(jī)采用KJ-3C比例式自動(dòng)駕駛儀,即舵面偏轉(zhuǎn)角與角度差值成一定比例關(guān)系。光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)替代原光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),力求對(duì)載機(jī)改動(dòng)最小。如果光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)輸出的飛控信號(hào)與角度差值成線性關(guān)系,便可直接并入原飛控信號(hào)輸入通道。光電瞄準(zhǔn)時(shí),ξy是方向瞄準(zhǔn)中的核心狀態(tài)參數(shù),ξy=0時(shí)方向瞄準(zhǔn)完成。然而,ξy不是理想的飛控信號(hào),主要原因如下:

        (1)ξy范圍最大在0~+∞之間,角度差值最大在0°~90°,若以ξy作為飛控信號(hào),數(shù)據(jù)處理復(fù)雜;

        (2)Δξy與偏流角差值Δα不存在線性關(guān)系。將式(1)中z代入式(4)中得到側(cè)向瞄準(zhǔn)距MP:

        以ξy表示MP與P X,Y,( )Z 中y差值,結(jié)合式(1)、(5)得:

        ξy對(duì)α求偏導(dǎo)得:

        式(8)結(jié)果不為常數(shù),說(shuō)明Δξy與Δα不存在線性關(guān)系,還需解算出角度差值作為飛控信號(hào)。

        由式(1)、(2)、(4)、(5)得,瞄準(zhǔn)線傾斜角μ、觀測(cè)線傾斜角ν分別如下計(jì)算:

        將Δν信號(hào)并入自動(dòng)駕駛儀航向輸入通道,即可完成對(duì)載機(jī)航行的控制。從控制系統(tǒng)的角度來(lái)看,側(cè)向瞄準(zhǔn)控制過(guò)程中,Δν為系統(tǒng)輸入,ν為系統(tǒng)輸出同時(shí)作為反饋影響輸入,如圖4所示。

        圖4 側(cè)向瞄準(zhǔn)過(guò)程控制示意圖Fig.4 Controlling plan of lateral targeting process

        Δν經(jīng)主控計(jì)算機(jī)放大處理后(用h( Δν )函數(shù)表示)輸出對(duì)應(yīng)模擬信號(hào),將處理結(jié)果σy輸入自動(dòng)駕駛儀,自動(dòng)駕駛儀獲取載機(jī)飛行馬赫數(shù)與動(dòng)壓值,經(jīng)過(guò)處理,形成舵面偏轉(zhuǎn)指令(用f( σy)函數(shù)表示),輸出舵面偏轉(zhuǎn)指令η。η輸入到舵面伺服機(jī)構(gòu)控制舵面偏轉(zhuǎn)(用ψ(η)函數(shù)表示),修正載機(jī)偏流角α控制載機(jī)轉(zhuǎn)彎,進(jìn)行側(cè)向瞄準(zhǔn),在此過(guò)程中,Δν動(dòng)態(tài)改變,當(dāng)Δν=0時(shí)停止飛機(jī)轉(zhuǎn)彎,側(cè)向瞄準(zhǔn)完成,該偏流角為準(zhǔn)確值,緊接著進(jìn)入縱向瞄準(zhǔn)。

        5.2 預(yù)告、投彈時(shí)刻解算算法

        轟炸瞄準(zhǔn)的最終結(jié)果是開(kāi)艙投彈,體現(xiàn)到瞄準(zhǔn)系統(tǒng)上便是輸出開(kāi)艙及投彈信號(hào),體現(xiàn)到載機(jī)上便是相應(yīng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)出的開(kāi)艙及投彈信號(hào)。

        應(yīng)用光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)后,開(kāi)艙及投彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有改變,載機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)也沒(méi)有較大改變,因此開(kāi)艙時(shí)刻依舊采用光學(xué)瞄準(zhǔn)開(kāi)艙時(shí)刻,即β=1.2286時(shí)(數(shù)據(jù)由通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)獲得)。β=1.2286,接通電動(dòng)投彈器中的“預(yù)告觸點(diǎn)”,使預(yù)告繼電器工作,接通兩條電路:一條是正常開(kāi)放彈艙門(mén)的電路,使彈艙門(mén)自動(dòng)開(kāi)放;另一條是預(yù)告指示燈的電路,瞄準(zhǔn)具頭部上的綠色指示燈和雷達(dá)顯示器上的紅燈都亮,通知領(lǐng)航員即將投彈。將式(1)結(jié)果及z帶入式(3)求出MN:

        同式(9)和式(10)可求得β、:

        式(15)確定了預(yù)告信號(hào)發(fā)出時(shí)機(jī)。以上在計(jì)算飛控、預(yù)告信號(hào)時(shí),載機(jī)高度H都是用式(1)激光測(cè)距器測(cè)得的高度z。若水平轟炸時(shí)載機(jī)高度保持較好,則可以直接利用預(yù)先設(shè)定的H替代z,可以簡(jiǎn)化運(yùn)算,而用z運(yùn)算算法通用性更強(qiáng)。

        投彈信號(hào)發(fā)出時(shí)機(jī)為ξx=0,不必再轉(zhuǎn)換為角度值。

        6 模型分析

        6. 1 瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)流分析

        按照以上確定的模型算法,整個(gè)解算過(guò)程中涉及參數(shù)的意義、來(lái)源如表1所示。α、λ、V、W由慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)量,由顯控系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。轟炸瞄準(zhǔn)過(guò)程需要光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)與載機(jī)協(xié)調(diào)工作才能完成,圖5顯示了轟炸光電瞄準(zhǔn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)流向,這是光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的重要參考。

        表1 瞄準(zhǔn)諸元解算參數(shù)分析Tab.1 Analysis of targeting calculating parameter

        圖5 轟炸光電瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)流圖Fig.5 Bombing electro-optic targeting data

        6. 2 誤差分析

        根據(jù)式(1),由誤差傳遞公式,當(dāng)載機(jī)飛行高度為H=2 km,俯仰角λ=3°,偏流角誤差σα=0.2°,俯仰角誤差σλ=0.2°,激光測(cè)距器的測(cè)距精度為σD=5 m,光電轉(zhuǎn)塔的測(cè)角精度為σA=σE=1 mrad,則光電轉(zhuǎn)塔對(duì)地、海面轟炸目標(biāo)沿3個(gè)方向的瞄準(zhǔn)誤差為[11]:

        通過(guò)計(jì)算可以證明,對(duì)轟炸瞄準(zhǔn)精度影響最大的是λ和α引入誤差,其次是激光測(cè)距器的測(cè)距誤差,而光電轉(zhuǎn)塔的測(cè)角誤差影響很小,可以忽略。

        7 瞄準(zhǔn)模型仿真驗(yàn)證

        驗(yàn)證瞄準(zhǔn)模型實(shí)質(zhì)就是模擬轟炸光電瞄準(zhǔn)過(guò)程,驗(yàn)證瞄準(zhǔn)模型各功能模塊,保證驗(yàn)證質(zhì)量的關(guān)鍵是模擬過(guò)程要接近真實(shí)瞄準(zhǔn)過(guò)程,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的驗(yàn)證。以EOT-16AHD光電轉(zhuǎn)塔為仿真平臺(tái),方向瞄準(zhǔn)結(jié)束(距離瞄準(zhǔn)開(kāi)始)、預(yù)告、投彈時(shí)驗(yàn)證效果分別如圖6、7、8所示。

        圖6、7、8中,瞄準(zhǔn)十字光標(biāo)縱軸能夠始終壓住目標(biāo),中心點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)距離逐步減小,到達(dá)投彈時(shí)刻,能夠壓住目標(biāo)點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期效果。瞄準(zhǔn)十字光標(biāo)繪制時(shí)間設(shè)為double型數(shù)據(jù),保留5位有效數(shù)字,統(tǒng)計(jì)20次結(jié)果如表2所示。

        圖6 方向瞄準(zhǔn)結(jié)束時(shí)刻截圖Fig.6 Screenshot at ending of direction aiming

        圖7 預(yù)告時(shí)刻截圖Fig.7 Screenshot at forecast moment

        圖8 投彈時(shí)刻截圖Fig.8 Screenshot at bombing moment

        表2 瞄準(zhǔn)十字光標(biāo)繪制時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.2 Draw time statistics of target cross cursor

        8 結(jié)論

        風(fēng)向量不隨高度改變的情況下,炸彈落下時(shí)間、退曳長(zhǎng)和退曳角與無(wú)風(fēng)時(shí)相等。側(cè)風(fēng)情況下,彈著點(diǎn)會(huì)偏離航跡而產(chǎn)生橫偏長(zhǎng),無(wú)論是順風(fēng)還是側(cè)風(fēng),炸彈總是落在飛機(jī)縱軸的正后下方。

        光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)能夠依據(jù)CCRP原理,瞄準(zhǔn)過(guò)程中,實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)位置水平坐標(biāo)系下三維數(shù)據(jù)P X,Y,( )Z ,以y與橫偏長(zhǎng)MP差值ξy為基準(zhǔn)修正載機(jī)偏流角α,ξy=0時(shí)完成方向瞄準(zhǔn),目標(biāo)位于爆炸線上;方向瞄準(zhǔn)結(jié)束后,以x與縱偏長(zhǎng)MN差值ξx為基準(zhǔn)修正速度,β=1.2286時(shí)開(kāi)艙,ξx=0時(shí)投彈。ξx、ξy實(shí)質(zhì)上表示的是當(dāng)前載機(jī)與投彈點(diǎn)之間的位置差距。

        利用ξx、ξy及轉(zhuǎn)塔測(cè)量角,可以快速繪制瞄準(zhǔn)十字光標(biāo),直觀顯示自動(dòng)瞄準(zhǔn)過(guò)程。瞄準(zhǔn)十字光標(biāo)又是手動(dòng)瞄準(zhǔn)的重要依據(jù),采用測(cè)距法將會(huì)明顯減小手動(dòng)瞄準(zhǔn)工作量。組略計(jì)算瞄準(zhǔn)誤差大約10 m左右。

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