楊亞?wèn)|，潘金穩(wěn)，吳衛(wèi)邦，王 偉

(陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

在趨于多元和隱蔽的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，小口徑武器系統(tǒng)在野戰(zhàn)防空等方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。就依靠人工瞄準(zhǔn)的高炮(高機(jī))裝備來(lái)說(shuō)，人工瞄準(zhǔn)無(wú)法避免地存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、瞄準(zhǔn)精度差等問(wèn)題。此外，在日常戰(zhàn)備訓(xùn)練中，瞄準(zhǔn)手要較好地掌握瞄準(zhǔn)技巧需進(jìn)行大量的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練，同時(shí)難以準(zhǔn)確地對(duì)瞄準(zhǔn)手技術(shù)水平進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，小口徑武器系統(tǒng)人工瞄準(zhǔn)的作戰(zhàn)效力存在諸多不確定性。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，基于高炮射擊基本原理，應(yīng)用新科技元件(透明顯示器)，在環(huán)形瞄準(zhǔn)具基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)裝定瞄準(zhǔn)線(xiàn)的半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，這種新型半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)將對(duì)人工瞄準(zhǔn)武器的作戰(zhàn)效能的提高起著積極作用。

1 瞄準(zhǔn)命中原理

1.1 瞄準(zhǔn)基本原理

瞄準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)目標(biāo)方位、距離及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使身管處于一定的空間位置，當(dāng)彈丸沿平均彈道運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)同時(shí)到達(dá)預(yù)定的位置時(shí)實(shí)現(xiàn)命中。

如圖1所示，目標(biāo)從A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若要命中，需賦予身管一定的提前角φ，使身管指向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向前方的某一位置B點(diǎn)(稱(chēng)為提前點(diǎn))，并同

時(shí)抬高一定角度α(稱(chēng)為距離角)。在圖1中，OA為發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)現(xiàn)在位置點(diǎn)的連線(xiàn)，稱(chēng)為瞄準(zhǔn)線(xiàn)，OC表示身管軸線(xiàn)，稱(chēng)作仰線(xiàn)[1]，C點(diǎn)稱(chēng)作抬高點(diǎn)。仰線(xiàn)與瞄準(zhǔn)線(xiàn)的空間位置是由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及武器彈道性能確定的。

1.2 環(huán)形瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)原理

常見(jiàn)的高炮(高機(jī))瞄準(zhǔn)具有向量式瞄準(zhǔn)具、環(huán)形瞄準(zhǔn)具等。雖然瞄準(zhǔn)具的構(gòu)造不同，但其解命中問(wèn)題的原理是相同的[2]。圖2為某型環(huán)形瞄準(zhǔn)具，由后部的準(zhǔn)星和前部的速度環(huán)組成，速度環(huán)由多個(gè)同心圓環(huán)組成，各環(huán)代表不同的目標(biāo)提前速度。

在圖3中，點(diǎn)O為后照門(mén)準(zhǔn)星尖，OA為瞄準(zhǔn)線(xiàn)，其與速度環(huán)交點(diǎn)記為A′；點(diǎn)B為預(yù)計(jì)命中位置，OB通過(guò)速度環(huán)圓心；OC為準(zhǔn)星尖與速度環(huán)最內(nèi)環(huán)內(nèi)緣頂點(diǎn)連線(xiàn)，其與身管軸線(xiàn)平行。OC與OB夾角固定，即環(huán)形瞄準(zhǔn)具射擊采用固定的距離角。環(huán)形瞄準(zhǔn)具解命中問(wèn)題的方法是：瞄準(zhǔn)手根據(jù)目標(biāo)的速度矢量在環(huán)形瞄準(zhǔn)具的速度環(huán)上選擇相應(yīng)半徑的圓環(huán)，再使目標(biāo)提前位置處于速度環(huán)圓心，從而在速度環(huán)上確定瞄準(zhǔn)點(diǎn)A′，進(jìn)而確定瞄準(zhǔn)線(xiàn)，射擊時(shí)瞄準(zhǔn)手保持目標(biāo)處于裝定的瞄準(zhǔn)線(xiàn)上便可射擊。

但是在上述瞄準(zhǔn)射擊過(guò)程中瞄準(zhǔn)射擊采用固定距離角，且瞄準(zhǔn)線(xiàn)由瞄準(zhǔn)手基于自身經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)或上級(jí)下達(dá)的指令估算裝定。實(shí)際上，由人工裝定的瞄準(zhǔn)線(xiàn)精確性和時(shí)效性均存在較大誤差。

1.3 新型半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)原理

近年來(lái)，顯示技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是透明顯示技術(shù)的出現(xiàn)極大地拓展了顯示技術(shù)的應(yīng)用空間。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，某高透明OLED顯示面板的透明度高達(dá)85%，接近普通玻璃92%的透明度。筆者以透明顯示器取代環(huán)形瞄準(zhǔn)具速度環(huán)，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)裝定瞄準(zhǔn)線(xiàn)的新型瞄準(zhǔn)具。

圖4是透明顯示器瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)原理示意圖。在透明的顯示器上顯示出與目標(biāo)距離和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相應(yīng)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)A′，即自動(dòng)的裝定瞄準(zhǔn)線(xiàn)，從而為瞄準(zhǔn)手直接構(gòu)成瞄準(zhǔn)線(xiàn)。因?yàn)轱@示器是透明的，可透過(guò)顯示器持續(xù)觀察目標(biāo)，瞄準(zhǔn)手只需保持構(gòu)成的瞄準(zhǔn)線(xiàn)指向目標(biāo)便可開(kāi)火射擊。如圖4所示，在顯示器上紅色十字線(xiàn)中心即為自動(dòng)裝定的目標(biāo)相應(yīng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)A′，其在顯示器上的位置隨目標(biāo)的距離和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)變化。準(zhǔn)星通過(guò)A′點(diǎn)構(gòu)成瞄準(zhǔn)線(xiàn)OA；藍(lán)色圓圈為整塊顯示器的中心，準(zhǔn)星與其連線(xiàn)指向目標(biāo)的抬高點(diǎn)C，OC和身管軸線(xiàn)平行并垂直于顯示器。

使用透明顯示器取代速度環(huán)后瞄準(zhǔn)原理不變，但其可自動(dòng)裝定瞄準(zhǔn)線(xiàn)，操作人員只需將瞄準(zhǔn)線(xiàn)指向目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入攻擊范圍便可開(kāi)火射擊，屬于半自動(dòng)瞄準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用透明顯示器的半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集、計(jì)算及處理、瞄準(zhǔn)顯示、控制及電源5大模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量模塊用于完成對(duì)目標(biāo)方位距離及目標(biāo)速度、方向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量；計(jì)算處理模塊主要完成射擊諸元及對(duì)應(yīng)射擊諸元(瞄準(zhǔn)點(diǎn))在顯示器上坐標(biāo)位置的計(jì)算；顯示器用于顯示瞄準(zhǔn)點(diǎn)，與后準(zhǔn)星構(gòu)成瞄準(zhǔn)線(xiàn)；控制模塊用于切換瞄準(zhǔn)原理程序算法及顯示方式。

2.2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理與自動(dòng)化瞄準(zhǔn)原理相似，如圖6所示。在系統(tǒng)末端，自動(dòng)化瞄準(zhǔn)系統(tǒng)裝備伺服電機(jī)或液壓等驅(qū)動(dòng)設(shè)備，而半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)則是在環(huán)形瞄準(zhǔn)具基礎(chǔ)上換裝一塊透明顯示器，仍由人工瞄準(zhǔn)。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)空間位置參數(shù)，并傳輸給計(jì)算處理模塊；計(jì)算處理模塊基于目標(biāo)狀態(tài)信息，依據(jù)高炮射擊理論解算出相應(yīng)的射擊諸元，并求解在顯示器上對(duì)應(yīng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；顯示器依據(jù)接收的坐標(biāo)信息，顯示出目標(biāo)對(duì)應(yīng)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)；最后，瞄準(zhǔn)手只需保持通過(guò)準(zhǔn)星和瞄準(zhǔn)點(diǎn)的瞄準(zhǔn)線(xiàn)指向目標(biāo)便可開(kāi)火射擊。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 提前點(diǎn)的計(jì)算

提前點(diǎn)的解算通常使用解析法(迭代法)和圖解法，其中，解析法精度高，適合計(jì)算機(jī)編程求解[4-5]。

考慮到彈丸平均速度大于目標(biāo)速度的特點(diǎn)，依據(jù)目標(biāo)從現(xiàn)在點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到提前點(diǎn)所用時(shí)間與彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，提出一種以時(shí)間差為判定精度的迭代法求解提前點(diǎn)。

彈丸從發(fā)射點(diǎn)到提前點(diǎn)所用時(shí)間td等于目標(biāo)從現(xiàn)在位置運(yùn)動(dòng)至提前點(diǎn)的時(shí)間tm，其中td可通過(guò)相應(yīng)武器的射表擬合或其彈丸運(yùn)動(dòng)微分方程組解算獲得；tm可依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型求解獲得。常用的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型有勻速直線(xiàn)假定、勻加速直線(xiàn)假定和圓弧運(yùn)動(dòng)假定等。為簡(jiǎn)化分析，假定目標(biāo)作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖7所示，當(dāng)前目標(biāo)處于A點(diǎn)，速度為v，O點(diǎn)為發(fā)射點(diǎn)。

1)賦予目標(biāo)初始運(yùn)動(dòng)距離l，l=vptp，式中vp為測(cè)得目標(biāo)平均速度，tp為彈丸達(dá)到最大有效射程時(shí)的平均飛行時(shí)間。將l代入目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t0，并計(jì)算目標(biāo)第1提前點(diǎn)A1坐標(biāo)，將A1代入彈道模型求解彈丸飛行時(shí)間t1。

2)計(jì)算t1-t0，若大于0，則說(shuō)明目標(biāo)到達(dá)A1時(shí)彈丸未到達(dá)，即提前點(diǎn)偏近；若小于0，則說(shuō)明彈丸到達(dá)時(shí)目標(biāo)未到達(dá)，即提前點(diǎn)偏遠(yuǎn)；若等于0(接近0)，則完成提前點(diǎn)求解。

3)若提前點(diǎn)A1偏近，則在目標(biāo)航路上取第2提前點(diǎn)A2，并使A1為AA2中點(diǎn)；若提前點(diǎn)A1偏遠(yuǎn)，則取提前點(diǎn)A2′，并使A2′為AA1中點(diǎn)，如圖7所示。

4)新提前點(diǎn)空間坐標(biāo)結(jié)合彈道模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型分別求解到達(dá)時(shí)間，按步驟2)判斷新提前點(diǎn)偏近或偏遠(yuǎn)。

5)在確定第1個(gè)偏遠(yuǎn)提前點(diǎn)后，新提前點(diǎn)的位置應(yīng)處于在所有已判定的提前點(diǎn)中距現(xiàn)在點(diǎn)最遠(yuǎn)的偏近提前點(diǎn)和距現(xiàn)在點(diǎn)最近的偏遠(yuǎn)點(diǎn)的中點(diǎn)。當(dāng)td-tm足夠小或最后兩個(gè)提前點(diǎn)距離足夠近時(shí)認(rèn)為提前點(diǎn)解算完成。

2.3.2 瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置的確定

瞄準(zhǔn)線(xiàn)與透明顯示器的交點(diǎn)便是所要求解的瞄準(zhǔn)點(diǎn)，本節(jié)關(guān)鍵是確定在瞄準(zhǔn)瞬間瞄準(zhǔn)點(diǎn)在顯示器上所處的位置。

如圖8所示，以準(zhǔn)星O為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，A點(diǎn)為目標(biāo)現(xiàn)在位置，B點(diǎn)為按前述方法求得的提前點(diǎn)。將B點(diǎn)坐標(biāo)代入彈道模型，可得出命中B點(diǎn)時(shí)應(yīng)賦予身管的距離角α，進(jìn)而獲得直線(xiàn)OC的表達(dá)式

x/xc=y/yc=z/zc

(1)

式中，xc、yc、zc為C點(diǎn)坐標(biāo)。

前文所述，仰線(xiàn)OC與身管軸線(xiàn)平行，垂直于顯示器且交點(diǎn)為后者中心。即直線(xiàn)OC為顯示器所在平面的法線(xiàn)，且O點(diǎn)至該平面的距離為準(zhǔn)星至顯示器中心的距離，即等于瞄準(zhǔn)基線(xiàn)長(zhǎng)。

此時(shí)聯(lián)立瞄準(zhǔn)狀態(tài)下的顯示器所在平面方程和瞄準(zhǔn)線(xiàn)OA方程便可求解瞄準(zhǔn)點(diǎn)A′的空間坐標(biāo)。

(2)

式中：p為瞄準(zhǔn)基線(xiàn)長(zhǎng)；xa、ya、za為A點(diǎn)坐標(biāo)。

同理，聯(lián)立平面方程和瞄準(zhǔn)線(xiàn)OA方程便可求顯示器中心C′點(diǎn)的空間坐標(biāo)，求得A′和C′坐標(biāo)，進(jìn)一步計(jì)算可獲得瞄準(zhǔn)點(diǎn)在顯示器上的位置。

2.4 顯示界面設(shè)計(jì)

為便于瞄準(zhǔn)具安裝校正及在特殊情況下的正常工作，并在針對(duì)不同目標(biāo)時(shí)具有合適的瞄準(zhǔn)景象，設(shè)計(jì)了如圖9所示的顯示界面。其中，圖9(a)用于安裝校準(zhǔn)，過(guò)此點(diǎn)的瞄準(zhǔn)線(xiàn)與身管軸線(xiàn)平行；圖9(b)用于測(cè)量設(shè)備故障情況下應(yīng)急射擊，其顯示景象及位置與原速度環(huán)相同；圖9(c)、(d)用于針對(duì)不同目標(biāo)如傘兵、直升機(jī)等，供射手選擇的瞄準(zhǔn)景像。

為便于射手在不同環(huán)境條件下的操作，將顯示器的成像亮度及透明度設(shè)計(jì)為高、中、低3種模式，分別在不同光照強(qiáng)度下使用。其中，光照越強(qiáng)成像亮度越高，透明度越低，以達(dá)到析光的目的。

瞄準(zhǔn)十字線(xiàn)的顏色設(shè)計(jì)為綠、紅等多種顏色，以便于觀察瞄準(zhǔn)；同時(shí)可將瞄準(zhǔn)十字線(xiàn)設(shè)置不同的閃爍頻率，用以指示開(kāi)火及?；饡r(shí)機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、故障率小，適用于不同口徑的高炮(高機(jī))，具有更高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和兼容性；與人工瞄準(zhǔn)相比，半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線(xiàn)的計(jì)算速度及裝定精度遠(yuǎn)高于人工估算，并且便于掌握使用，具有更高的作戰(zhàn)效能。此外，基于透明顯示器的新型瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可內(nèi)嵌多種目標(biāo)運(yùn)動(dòng)假定、可裝定彈道修正模型、可多炮組網(wǎng)射擊，具有較大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛能，該半自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。