郝 強，南立軍，劉 斌，劉文齊

(中國北方車輛研究所 信息與控制技術部，北京 100072)

先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊、首發(fā)命中是未來主戰(zhàn)坦克火控系統(tǒng)發(fā)展的方向，也是決定坦克對攻作戰(zhàn)成敗的關鍵。在現(xiàn)實作戰(zhàn)條件下，坦克火控系統(tǒng)的性能，尤其是高速機動條件下的精確打擊性能成為保全自己、消滅敵人的殺手锏。筆者對現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)在高機動條件下的瞄準線平移及其補償方法進行研究，以期降低瞄準難度，減小瞄準誤差，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)的特點是瞄準線和火炮分離，分別有獨立的穩(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，而是隨動于瞄準線。炮手通過操縱臺驅動瞄準線(上反射鏡)瞄準目標，由瞄準鏡和火炮位置傳感器得到瞄準線與火炮的失調角?；鹋诳刂破饕源耸д{角為輸入，驅動火炮高精度隨動于瞄準線。炮手對目標進行測距時，火控計算機進行彈道解算并驅動火炮控制器控制火炮裝定射角和提前量，之后炮手可以進行擊發(fā)[3]。

使用雙軸陀螺對瞄準線穩(wěn)定平臺進行穩(wěn)定，陀螺的兩個敏感軸分別與被穩(wěn)定平臺的方位、俯仰軸相平行。在一般情況下，平臺的支承和電刷、滑環(huán)中總會存在一定的摩擦，平臺部件的平衡也不會達到理想狀態(tài)，還有導線及各種電磁元件也會產生干擾力矩，所以，在運載體或基座相對慣性空間轉動時，平臺就會跟運載體或基座一起轉動。陀螺敏感平臺的轉動，輸出相應的角速度信號，這個信號經過校正和功率放大后，控制平臺的穩(wěn)定電機產生相應的扭轉力矩，使平臺向基座轉動的相反方向運動以回到初始位置，從而實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定。

穩(wěn)像式火控系統(tǒng)中的優(yōu)點是瞄準線可以得到高精度的穩(wěn)定(穩(wěn)定一個光路元件無疑要比穩(wěn)定一個火炮容易得多)，使得車體運動時炮手仍可以搜索和瞄準目標。當瞄準線和火炮的失調角小于允許的門限時，即可進行擊發(fā)[4-5]。

2 穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的瞄準線平移

穩(wěn)像式火控系統(tǒng)可以克服車體運動時俯仰向的角度顛簸，可以克服方位向車體轉彎帶來的角度誤差。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)無法克服車體線運動帶來的誤差。在高低向，地面的高度起伏相對于目標的距離很小，可以忽略不計。在方位向，車體高速運動時必然會帶來瞄準線的平移。

如圖2所示，如果車體運動方向正對著目標，則車體運動過程中瞄準線可以始終瞄準目標；如果車體運動方向不是正對著目標，則車體運動過程中瞄準線會產生平移，逐漸脫離目標。

如果火控系統(tǒng)具備自動跟蹤功能，此時可以使用自動跟蹤使瞄準線跟蹤目標。如果火控系統(tǒng)不具備自動跟蹤功能，就需要射手扳動操縱桿不斷調整瞄準線位置以跟蹤目標。在目標距離2 km，坦克車速30 km/h的條件下，射手最大需要控制瞄準線以約4.2 mrad/s的角速度運動跟蹤目標。在坦克高機動運動，尤其是車速忽快忽慢時，瞄準線平移會使瞄準難度提高，瞄準誤差增大，影響射擊命中率。

3 瞄準線平移的補償方法

如圖3所示，車體運動引起瞄準線平移時，在不增加硬件成本的情況下，利用現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)，實時計算瞄準線的補償角速度值，驅動瞄準線自動運動，使瞄準線始終跟蹤目標，減小瞄準誤差，提高射擊命中率。實現(xiàn)瞄準線平移補償，需要獲取以下傳感器信息。

需要獲取初始時刻車體到目標的距離，將其定義為D，通過火控系統(tǒng)激光測距機可獲取距離。

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

需要獲取車體速度，將其定義為v。通過車內總線可以從坦克變速箱獲取車體速度，定義車體前進時速度為正，車體后退時速度為負。

定義ts為解算周期，α1為當火炮始終瞄準目標時一個解算周期后火炮的角度。為使火炮始終瞄準目標，火炮的補償運動速度為ω，則有

(1)

定義火炮向右旋轉時ω為正。將補償運動速度ω與瞄準信號進行疊加，瞄準線控制器即可控制瞄準線始終跟蹤目標。

一個解算周期之后(即ts時刻)，以當前時刻為初始時刻，按照上述解算過程可進行循環(huán)解算，使得火炮始終瞄準目標。對于瞄準線控制系統(tǒng)而言，平移補償相當于前饋，不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從以上分析可知，只要求得α1，就可以得到瞄準線的補償角速度。解算α1分為4種情況，下面分別進行說明。

3.1 當0°≤α<90°時的解算

如圖4所示，A為初始時刻車體到目標距離的水平分量，B為初始時刻車體到目標距離的垂直分量，C為ts時間后車體移動的距離。根據(jù)解算圖有：

A=Dsinα

(2)

B=Dcosα

(3)

C=vts

(4)

3.1.1v≥0時

當B>C時，有

(5)

當B=C時，有

α1=90°

(6)

當B

(7)

3.1.2v<0時

(8)

3.2 當90°≤α<180°時的解算

如圖5所示，此時有

A=Dsin(180°-α)

(9)

B=Dcos(180°-α)

(10)

C=vts

(11)

3.2.1v≥0時

(12)

3.2.2v<0時

當B>|C|時，有

(13)

當B=|C|時，有

α1=90°

(14)

當B<|C|時，有

(15)

3.3 當180°≤α<270°時的解算

如圖6所示，此時有

A=Dsin(α-180°)

(16)

B=Dcos(α-180°)

(17)

C=vts

(18)

3.3.1v≥0時

(19)

3.3.2v<0時

當B>|C|時，有

(20)

當B=|C|時，有

α1=270°

(21)

當B<|C|時，有

(22)

3.4 當270°≤α<360°時的解算

如圖7所示，此時有

A=Dsin(360°-α)

(23)

B=Dcos(360°-α)

(24)

C=vts

(25)

3.4.1v≥0時

當B>C時，有

(26)

當B=C時，有

α1=270°

(27)

當B

(28)

3.4.2v<0時

(29)

4 補償效果

為驗證瞄準線平移的補償效果，在某型號坦克靶場試驗期間，在同樣的距離、路面、車速和火炮初始角度條件下,讓同一個炮長控制瞄準線瞄準目標，通過瞄準鏡CCD記錄的視頻，分析不使用瞄準線平移補償和使用瞄準線平移補償?shù)拿闇示取Ｃ闇淑RCCD記錄的靶板和十字線視頻畫面如圖8所示。

瞄準鏡CCD記錄的視頻幀率為25幀/s，逐幀分析十字線中心距離靶心的距離，結合靶面大小和坦克距靶面距離，計算得到每幀的水平瞄準誤差[6]，如圖9所示。

不使用瞄準線平移補償時，平均瞄準誤差為0.16 mrad；使用瞄準線平移補償時，平均瞄準誤差為0.11 mrad，可見平移補償顯著減小了瞄準誤差。

5 結束語

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)無法克服車體線運動帶來的誤差，車體高速運動時必然會帶來瞄準線的平移。筆者通過分析穩(wěn)像式火控系統(tǒng)的工作原理，提出了一種補償方法，在不增加硬件成本的情況下，利用現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù)，實時計算瞄準線的補償角速度值，驅動瞄準線自動運動，使瞄準線始終跟蹤目標，降低瞄準難度，減小瞄準誤差，提高射擊命中率。該補償方法已經在某型號坦克火控系統(tǒng)中應用，取得了良好的效果。