末端防御武器平台炮控性能检测方法

余凯平，钱昆

（陆军军官学院，合肥230031）

末端防御武器平台炮控性能检测方法

余凯平，钱昆

（陆军军官学院，合肥230031）

末端防御武器平台炮控系统性能的好坏直接影响首发命中率和射击反应时间等重要战技指标，在设计试验阶段，对其炮控性能进行检测是必不可少的环节。采用基于三棱锥模型的炮控性能检测方法，建立了三棱锥计算模型并进行Matlab仿真分析以及检测精度分析，从而验证了其工作原理及可行性，满足武器平台炮控性能检测的要求。

末端防御，武器平台，炮控性能，检测

0 引言

末端防御武器平台同时担负侦察平台和发射平台的任务，不仅具有探测跟踪来袭弹药的能力，而且具有发射拦截弹药摧毁目标的能力，属于新型侦打一体化武器平台。其主要用于伴随装甲装备近程防空，提高装甲目标的战场生存能力。在武器平台设计试验阶段，对其炮控性能进行检测是必不可少的环节，因为其直接影响首发命中率和射击反应时间等重要战技指标［1-2］。

炮控性能检测过去主要依赖秒表、记录笔及记录仪等器件，测量过程人工操作繁琐，存在精度低、费时长、灵活性差等缺点。随着不断开发新的检测方法，炮控性能检测的精度和自动化程度都得到很大提高，如双光电经纬仪测量系统、图像识别法、角度传感器法等，但也存在测量设备多、准备周期长、技术要求高等缺点，如双光电经纬仪测量系统需要两部高精度经纬仪和一台计算机；图像识别法需要准备绿光激光笔、投射幕布以及安装水平和垂直两个方向的图像采集系统；角度传感器法要求安装精度非常高，而且不易把握测量基准。鉴于此，本文研究一种基于三棱锥模型的炮控性能检测方法，以满足末端防御武器平台炮控性能检测试验需要［3-7］。

1 炮控性能检测方法设计原理

炮控性能检测方法原理如图1所示，两拉绳一端缚在炮管C点上，另一端连接两拉绳编码器A、B，两拉绳编码器安装在地面上。当炮管运动时，拉绳作伸展和收缩运动，一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变，拉绳编码器通过带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，始终输出一个与绳索移动量成正比例的电信号，测量输出信号可以实时测量拉绳移动的位移、方向或速率［8-9］。因此，在炮管作高低俯仰和方向转动时，通过采集两根拉绳长度的变化量，实时计算炮管实际被赋予的射角和射向，从而实时检测调炮精度、速度等参数。

图1 检测方法原理简图

2 检测数学模型的建立

2.1 身管高低射角计算

建立如图2所示三棱锥数学模型，O点为身管绕耳轴转动支点，身管绕O点作俯仰和回转运动，A、B两点为拉绳编码器安装点，C点为两拉绳与身管轴线交汇点。AC、BC表示两拉绳，OC为身管轴线，当身管作高低瞄准时，拉绳AC、BC的长度发生变化，通过拉绳编码器实时测量，AC、BC的长度认为是已知的。

在三棱锥O-ABC数学模型中，已知4条棱边OA=a，OB=b，OC=c，AB=d，其夹角为：∠AOB=α，∠BOC=β，∠COA=γ，实际测得AC=e，BC=f则根据余旋定律求得α，β，γ，显然：α，β，γ∈（0，π），α+β+γ∈（0.2，π）。

图2 高低射角计算模型

以三棱锥O-ABC的顶点O为坐标原点，以OA为x轴正向，以垂直于△OAB所在的平面的方向为z轴建立右手空间直角坐标系Oxyz，如图2所示，图2中：

其中x、y、z为未知数，将这些向量代入如下向量方程组：

便得到如下关于x、y、z的代数方程组：

由此方程组（3）可以求得z为：

那么，身管高低射角θ为：

在a、b、c、d已知的情况下，θ是关于两拉绳长度e、f的函数。

2.2 身管方向射角计算

建立如图3所示三棱锥数学模型，O点不再为身管绕耳轴转动支点，而是身管在某一高低射角状态下，其延长线与地面的交点，身管绕O点作回转运动，A、B两点为拉绳编码器安装点，C点为两拉绳与身管轴线交汇点。AC、BC表示两拉绳，OC为身管轴线，当身管作方向瞄准时，拉绳AC、BC的长度发生变化，通过拉绳编码器实时测量，AC、BC的长度认为是已知的。

过C作△OAB的垂线，垂足为C’，过C’作OA的垂线，垂足为C”，那么C C”垂直于OA。

图3 方向射角计算模型

方向射角三棱锥模型计算方法同高低射角计算，综合式（1）～式（3）可得方向射角ω为：

其中，z为：

由式（4）可知，在a、b、c、d已知的情况下，方向射角ω也是关于两拉绳长度e、f的函数。因此，通过精确测量两拉绳的长度e和f的长度，就可计算并监控火炮身管任意状态下高低射角和方向射角。

3 检测计算模型仿真分析

根据已建立的三棱锥数学模型，编写Matlab程序［9］，设定仿真参数a=1、b=1、c=1、d=0.5，依据三棱锥4个面上各条边的三角形边长关系，则e=0：step：2，f=0：step：2，取step=0.01，仿真计算结果如图4和图5。

3.1 身管高低射角计算仿真

图4所示为身管高低射角计算仿真图，高低射角θ随着e，f的取值变化而变化，当某一拉绳长度为零时，高低射角θ=0，当e=f=1.41时，高低射角θ取极大值接近，仿真显示身管高低射界为θ=0°～90°，满足火炮正向极限高低射角的检测，虽然不能检测炮管连续过顶时的高低角，但满足分析炮控性能的需要。身管高低射角计算仿真图中没有交叉重叠，高低射角θ随着e、f的变化取值唯一，通过监测拉绳e，f的大小来监控高低射角θ是可行的。

图4 身管高低射角计算仿真

图5 身管方向射角计算仿真

3.2 身管方向射角计算仿真

图5所示是身管方向射角计算仿真图，方向射角ω随着e，f的取值变化而变化。图形中标示出两个极值大点ω≈90°，两极值点的连线构成仿真图的脊背，表示在不同高低射角的情况下对应方向射角的极大值点，显然图中方向射角的极小值点ω≈0°。数学模型中方向射角为OC’和O C”的夹角，C’可能在三棱锥底面AOB里面或外面，O C”在三棱锥OA边上固定不变，因此，仿真图中以C’点在OA边上（即ω≈0°）为界，分为两大部分。由于每个部分均存在极值大点ω≈90°，所以身管方向射界为ω=0°～180°。身管方向射角计算仿真图中没有交叉重叠，方向射角ω随着e，f的变化取值唯一，通过监测拉绳e，f的大小来检测方向射角ω是可行的。

4 检测方法精度分析

从炮控性能检测模型仿真分析计算来看，如取Matlab仿真计算步长step=0.001，仿真图上相邻两点间的偏差值最小为0.001 mil，也即通过拉绳编码器检测绳长的变化，换算成身管射角的精度可达1 mil。选用拉绳编码器灵敏度为0.001，即单位长度上的误差值为0.001，仿真计算步长与拉绳编码器精度一致，考虑数据采集精度及噪声误差的影响，平均检测精度控制在5 mil以内是完全可行的。武器平台预期设计的性能指标：高低和方向射角精度为0.5°（≈8 mil），方向旋转速度为90°/s，高低俯仰速度为35°/s，以上方法满足该武器平台的检测精度要求。

5 结论

本文通过两拉绳编码器采集两拉绳长度的大小，建立了三棱锥数学模型，并进行理论计算和仿真分析，为武器平台的调炮精度及速度检测提供理论依据。虽然存在检测方向射界为0°～180°，高低射界为0°～90°的缺陷，不能满足武器平台360°回转和连续过顶的调炮精度检测，但是在一定射界范围内，检测武器平台炮控性能是完全可行的。通过检测精度分析可知，完全满足武器平台预期性能指标的精度检测要求。该方法具有成本低廉、安装调试简单、检测精度高的优点，不仅满足末端防御武器平台炮控性能的检测，还可应用其他火控系统产品调炮精度检测中。

［1］钱立志.炮兵武器系统总体设计概论［M］.北京：解放军出版社，2009.

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［8］余凯平，陈栋，高斌，等.一种基于三棱锥模型的射界监控方法［J］，四川兵工学报，2014,35（4）：19-21.

［9］赵学增.现代传感技术基础及应用［M］，北京：清华大学出版社，2010.

［10］敬照亮.MATLAB教程与应用［M］，北京：清华大学出版社，2011.

Study on Performance Testing Method for Gun Control System of Terminal Defense Weapon Platform

YU Kai-ping，QIAN Kun
（Army Officer Academy of PLA，Hefei 230031，China）

The gun control system performance testing for terminal defense weapon platform is an essential part during the design test phase，because the stand or fall of it directly affects tactical and technical index，such as first round hit probability，shooting reaction time.The paper puts forward the performance testing method for gun control system based on triangular pyramid model，and the triangular pyramid math model is established，its working principle and feasibility is verified by Matlab simulation analysis and precision analysis，which meet the requirement of the gun control system performance testing for weapon platform.

terminal defense，weapons platform，gun control system，performance testing

TJ306

A

1002-0640（2015）02-0141-03

2013-12-07

2014-01-25

余凯平（1976-），男，安徽潜山人，硕士。研究方向：武器系统与运用工程。