自动直瞄方式在某型自行火炮上的应用研究

刘爱峰，秦鹏飞，邹定美，韩璇璇，付心钊

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

自动直瞄方式在某型自行火炮上的应用研究

刘爱峰，秦鹏飞，邹定美，韩璇璇，付心钊

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

某型自行火炮在实际应用中存在目标可见但不能直接瞄准的现象，为了弥补这一缺陷，引入自动直瞄方式代替传统直瞄方式。自动直瞄方式是使用激光测距仪测量火炮至目标直线距离，结合当前身管方向和姿态，求解出大地坐标系下的炮目高差和炮目距离，采用3D弹道解算模型求解出射击装定诸元，经过操瞄解算得出调炮诸元。试验结果表明，自动直瞄方式系统反应时间短、瞄准精度高、使用范围广，能够对视场内任意目标进行直接瞄准，性能优于传统直瞄方式。

自动直瞄；自行火炮；激光测距；弹道解算；操瞄解算

当前，某型自行火炮具有直瞄和间瞄两种工作方式。直瞄方式的操作步骤是测距、瞄准、射角装定、调炮到位[1]，大多在遭遇战时使用，受到直瞄镜距离分划的限制，有效射击距离在2 000 m以内，瞄准精度不大于1.20 mrad。间瞄方式有手动装定诸元和自动装定诸元两种方式，手动装定诸元方式的操作步骤是周视镜横向和纵向规正、调炮至基准射向、获取装定诸元、诸元装定、调炮到位，在不考虑空回情况下，瞄准精度不大于1.31 mrad；自动装定诸元方式的操作步骤是获取坐标信息、弹道解算后自动装定诸元，瞄准手确认后执行调炮到位，瞄准精度不大于1 mrad，间接瞄准的有效射击距离在500～9 500 m以内，主要在远程火力压制时使用。通过对比发现：在作战使用方面，直瞄方式主要应用在遭遇战[2]，实现歼灭、摧毁可视目标的目的，间瞄方式主要在实现远程火力压制时使用；在瞄准精度方面，自动装定诸元间瞄方式的瞄准精度最高，直瞄方式的瞄准精度次之，手动装定诸元间瞄方式的瞄准精度最低；在反应速度方面，直瞄方式和手动装定诸元间瞄方式主要受到操作人员熟练程度的影响，自动装定诸元间瞄方式主要受到弹道解算速度和随动系统反应速度的影响。

该型自行火炮的直瞄镜可视距离为5 000 m，当目标与火炮距离大于2 000 m且小于5 000 m时，由于直瞄镜没有大于2 000 m的距离分划，故只能通过侦察指挥系统获取装定诸元或目标信息后，使用间瞄方式进行作战，与直瞄方式相比增加了作战步骤，造成目标可见但不能快速摧毁的现象。为了弥补这一缺陷，引入自动直瞄方式代替传统直瞄方式具有一定意义。自动直瞄方式的操作步骤是瞄准、瞄准手执行激光测距并确认数据、执行弹道解算并装定诸元、瞄准手再次确认后自动调炮到位，显著提高武器系统在直瞄射击时的快速反应能力和自动化水平[2]。

1 自动直瞄方式数学模型

1.1 自动直瞄方案

该型自行火炮已经具备弹道解算和自动操瞄调炮的功能，只需将炮上直瞄镜更换成具有激光测距功能的直瞄镜，要求激光测距机能够与火控计算机通信，将测距数据发送到火控计算机上用于弹道解算。对目标进行射击时，瞄准手用半自动操纵台控制火炮，用直瞄镜瞄准目标后按下激光测距按钮，火控计算机接收到测距数据后瞄准手进行确认，数据有效则进行弹道解算并自动装定诸元，数据无效则重新快速测距。弹道解算完成后，经过瞄准手确认执行调炮，控制火炮调炮到位，瞄准手按下击发按钮即可射击。

1.2 坐标系定义

定义1 地图坐标系{Om,xm,ym,Hm}:Om点为地图原点；Omxm轴指向大地正北向；Omym轴指向大地正东向；OmHm轴指向铅垂向上[3]。

定义2 大地坐标系{O,xd,yd,Hd}:O点为炮塔回转中心；Oxd轴指向大地正北向；Oyd轴指向大地正东向；OHd轴指向铅垂向上。

定义3 炮塔轴线：火炮高低角ε和方位角β均为0时的身管轴线。

定义4 炮耳轴坐标系{O,x1,y1,H1}:O点为炮塔回转中心；Ox1轴指向炮塔轴线方向；Oy1轴指向炮塔耳轴方向；向右为正，OH1轴按左手坐标系确定，向上为正。

定义5 定向角α：炮塔轴线在大地坐标系上的投影，与大地正北向的夹角，顺时针为正。

定义6 炮塔平面纵倾角ψ：Ox1轴与平面Oxdyd的夹角，前倾为正。

定义7 炮塔平面横倾角θ：Oy1轴与平面Oxdyd的夹角，右倾为正。

定义8 炮耳轴水平坐标系{O,x0,y0,H0}:当ψ=θ= 0时的炮耳轴坐标系。

定义9 坐标转移矩阵A[4]：坐标点由炮耳轴水平坐标系转移到炮耳轴坐标系的转移矩阵，依据定义1～8可推导出：

(1)

定义10 射击面坐标系{OJ,xJ,yJ,zJ}:OJ点为炮口射出点；OJyJ轴为地心与OJ的连线，向上为正；OJxJ轴为射击面与过OJ点水平面的交线且在射击面内与OJyJ轴垂直，沿射向方向为正；OJzJ轴垂直于射面，其正向按右手准则确定。

各坐标系的关系如图1所示。

炮耳轴水平坐标系与大地坐标系原点相同，OH0与OHd指向相同，Ox0与Oxd夹角为定向角α。设空间中一点在炮耳轴坐标系和炮耳轴水平坐标系下的坐标分别为(x1,y1,H1)和(x0,y0,H0)，则转换关系为(x1,y1,H1)=(x0,y0,H0)A，其中A是坐标变换矩阵，由于A满足ATA=I，所以(x0,y0,H0)=(x1,y1,H1)AT。

1.3 求解炮目高差HPM和炮目距离DPM

如图2所示，{O,x0,y0,H0}为炮耳轴水平坐标系，{O,x1,y1,H1}为炮耳轴坐标系，M点为目标点，通过直瞄镜内的激光测距仪测量目标至本炮的直线距离D，采集到当前火炮定向角α，高低角ε，方位角β，炮塔平面纵倾角ψ，炮塔平面横倾角θ。

取方位角β=0时的炮目直线单位向量e，则e在炮耳轴坐标系中坐标为

(x1,y1，H1)=(cosε,0,sinε)

依据上述炮耳轴水平坐标系和炮耳轴坐标系的关系，通过引入转移矩阵AT进行计算，可知e在炮耳轴水平坐标系中的坐标为

(x0,y0,H0)=(cosε,0,sinε)AT

则e在炮耳轴水平坐标系中的高低角为

ε0=arcsin(cosεsinψ+sinεcosθcosψ)

方位角为

β0=arctan[(-sinεsinθ)/(cosεcosψ- sinεcosθsinψ)]

由上述分析可以得出，在炮耳轴水平坐标系中，炮目高差为HPM=Dsinε0，炮目距离为DPM=Dcosε0，方向修正量为Δβ1=β0。

由于直瞄镜安装后，瞄准线和身管轴线存在固定距离DMJ，如图3所示，所以直瞄射击方式中存在视角偏差Δβ2。

由图3可得Δβ2=arctan(DMJ/DPM)。所以，直瞄射击方式中，方向修正量Δβ=Δβ1+Δβ2。

1.4 弹道解算模型

在射击面坐标系中，火炮坐标为(0,0,0)，目标坐标为(DPM,HPM,0)，利用如下3D弹道模型[3,5]解算所述诸元条件中弹种的射击装定诸元：

(2)

式中：ρ为空气密度；h为弹丸附近的气压；τ为标准温度(虚温)；ux、uy、uz分别为相对于射击面坐标系OJxJ、OJyJ、OJzJ轴的飞行速度；t为弹丸飞行时间；S为弹丸参考面积；m为弹重；g0为地球表面引力加速度；FD为弹丸的阻力符合系数；CD为弹丸的总阻力系数；v为弹丸相对于空气的速度；vx、vy、vz分别为弹丸相对于空气在OJxJ、OJyJ、OJzJ轴的速度分量。

在火炮发射初始状态下，即t=0时，ux=u0cosθ0，uy=u0sinθ0，uz=0，x=0，y=0，z=0，h=h0，其中u0为实测初速，θ0为射角，h0为地面气压。

结合上述模型和给定诸元条件，可以得出射击的装定诸元，包括弹种、装药号、表尺ε0、方向β0(大地坐标系)这4个数据项。

1.5 操瞄解算调炮诸元火炮高低角ε和方位角β的数学模型

在大地坐标系中，取射击装定诸元的单位向量e，则e在大地坐标系中的坐标为

(xd,yd,Hd)=(cosε0cosβ0,cosε0sinβ0,sinε0)

依据上述炮耳轴水平坐标系与大地坐标系的关系，可知e在炮耳轴水平坐标系中的坐标为

(x0,y0,H0)=

(cosε0cos(β0-α),cosε0sin(β0-α),sinε0)

依据上述炮耳轴坐标系和炮耳轴水平坐标系的关系，通过引入转移矩阵A进行计算，可知e在炮耳轴坐标系中的坐标[4]为

(x1,y1,H1)=

(cosε0cos(β0-α),cosε0sin(β0-α),sinε0)A

从而可知在炮耳轴坐标系下，射击装定诸元的身管高低角为

方位角为

β=arctan(y1/x1)

控制随动系统自动进行高低和方位调炮，使炮塔旋转至高低角ε，方位角β，调炮到位后，可以进行击发射击，自动直瞄射击全过程执行完毕。

2 自动直瞄方式与传统直瞄方式的对比

2.1 使用范围

该型火炮直瞄镜中的测距分划是依据2.7 m高的目标为标准，当目标高与标准高差距较大时，测距误差偏大；距离分划是依据榴弹全号装药设计的距离修正量，当火炮射击使用弹种不是榴弹时，瞄准误差偏大；距离分划的最大值是2 000 m，当目标距离大于该值时，直瞄功能无法使用。因此传统直瞄方式适用于使用榴弹全号装药，距离在2 000 m以内，并且高度近似为2.7 m的目标。

应用自动直瞄方式时，只要目标在直瞄镜视场内，激光测距机就能获取目标距离信息，不受目标高度的影响，然后采用自动装定诸元间瞄方式进行调炮到位。火控计算机弹道模块可以针对多种弹药进行弹道解算，不受弹种约束。因此自动直瞄方式能够应用于直瞄镜视场内的所有目标。

2.2 系统反应时间

传统直瞄方式的操作步骤为：测距、瞄准、射角装定、调炮到位，全部由瞄准手手工操作，其反应时间从测距开始时刻计算至调炮到位时刻，包括3个时间段，分别是测距开始时刻至瞄准结束时间段t1，瞄准完成至射角装定结束时间段t2，射角装定完成至调炮到位时间段t3，传统直瞄方式的反应时间t=t1+t2+t3。

安排同一名操作员进行2种方式系统反应时间的测量，使用传统直瞄方式测量距离1 500 m处2.7 m高的固定目标，测量数据如表1所示。

表1 传统直瞄方式反应时间测量数据表 s

通过表1数据可以发现：传统直瞄方式的反应时间t≤21.9 s 。

通过对比两组数据可以发现：自动直瞄方式比传统直瞄方式的反应时间更短。

2.3 自动直瞄瞄准精度分析

自动直瞄方式与自动装定诸元间瞄方式相比，不同之处只是采用激光测距获得目标信息，代替了通过侦察指挥系统获取目标信息，后续作战步骤不变，使得该型火炮继承了自动装定诸元间瞄方式的瞄准精度(小于1 mrad)，并且具有了更高的自主作战能力。

3 结束语

笔者详细介绍了该型自行火炮的两种瞄准方式并进行了对比，分析了传统直瞄方式中目标可见但不能直接瞄准的原因，提出用自动直瞄方式代替传统直瞄方式。提出了该型自行火炮使用自动直瞄方式的适应性改造方案，对自动直瞄方式的数学模型和实现过程进行了建模分析，针对自动直瞄方式的系统反应时间、瞄准精度、使用范围3个方面，与传统直瞄方式进行了对比，结果显示自动直瞄方式性能优于传统直瞄方式。

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Application Research of Automatic Direct Aiming Method in aCertain Type of Self-propelled Artillery

LIU Aifeng, QIN Pengfei, ZOU Dingmei, HAN Xuanxuan, FU Xinzhao

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

In practical application, a certain type of self-propelled artillery has the phenomenon of not being able to aim directly at a visible target. In order to make up for this defect, automatic direct aiming method is introduced instead of the traditional direct aiming method. Automatic direct aiming method uses the laser range finder to measure the distance between the gun and the target so as to calculate the shot height difference and shot distance in geodetic coordinate system in combination with the current tube direction and posture. Automatic direct aiming method uses the 3D trajectory solving mo-del to solve the shooting binding elements and uses the aiming calculation model to solve the adjusting elements. Test results of automatic direct aiming show that system reaction time is short, that aiming precision is high, and that range of use is wide. Automatic direct aiming method can be used to directly aim at any target in the field of view, whose performance is superior to that of the traditional direct aiming method.

automatic direct aiming; self-propelled artillery; laser ranging; trajectory calculation; aiming calculation

2015-10-24

刘爱峰(1985—)，男，工程师，硕士，主要从事火控电气系统技术研究。E-mail：252576375@qq.com

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.02.008

TJ30

A

1673-6524(2017)02-0035-05