坦克装甲车辆直瞄武器的一种新型校炮方法

王建斌 张春涛 文美石 张学翠 赵录杰

我国的坦克装甲车辆火控系统经过30多年的发展,已经取得了长足的进步,图像自动跟踪[1]、瞄导合一[2]、敌我识别[3]、全电炮控[4]等新技术纷纷得以应用,使得整车作战效能得到了很大的提高.但是,系统零位稳定性、漂移的自动调节和火力线与瞄准线的校正[5−6],仍然是火控系统存在“不好用”的技术困惑.

其中火力线与瞄准线的校正即坦克装甲车辆火炮射击前的校准(又称校炮)是保证准确命中目标的基础.在国军标2937A《装甲车辆术语》的2.18.25“使用”项定义的“校炮”概念是:使瞄准镜的瞄准线与炮膛中心线零位相一致的操作.

以稳像式火控系统为例,瞄准线是炮长镜中的瞄准分划(十字线或者瞄准圈点)和目标两点间构成的一条虚拟的,在系统使用过程中可以由人眼从炮长镜观察确定的线[7];火力线是描述火炮炮口指向的一条虚拟的线,它用人眼直接观察比较难以确定,只能利用校炮镜或者炮尾部击针孔进行观察,火控系统在使用时无法进行,校炮的任务就是得到两者之间空间的关系,进行补偿.

传统的校炮方法(车外校炮)是1200m定距校炮,方法是在炮口处加装膛镜,通过直接从膛镜瞄准目标特征点或从膛镜中传出的电视信号确定火力线位置,再通过手动机构将瞄准标志(零位)调节到同一瞄准点.在此基础上,改进成为在一定的距离范围内,进行任意距离校炮,瞄线的校正也相应地由手动机械调节改变为计算机控制输出,再利用计算机进行修正的方法.该方法校准精度高,但需要在1∼2km处设置或者寻找一个目标,二人默契配合,耗时长,操作不方便.

车内校炮的本意就是乘员在车内就能实现火力线和瞄准线的感知和校正,提高系统可操作性,但是现实中所采用的方法,只能实现在车外校炮的基础上进行记录、检查和修正,而不能实现真正意义上的校正.

本文介绍一种我们自主研发的火力线与瞄准线的校正方法,可以有效地解决系统火力线与瞄准线的自动校正问题,提高火控系统的可操作性,从而有效提高武器系统的射击命中概率.

1 原理

本文提出的校炮方法是在上反射镜稳定这个目前主流的系统形式下,利用在上反射镜组件中增加一个炮口位置感知装置,来得到炮口(火线)相对于瞄准线的空间关系,从而得以实现校炮的功能.如图1所示,在上反射镜组件上增加一个折转棱镜和CCD摄像系统,使系统可以高精度感知瞄线和火线相对位置的关系和变化,经过图像的采集和处理,计算出炮口的位置状态和变化,实现火线与瞄线校正.在文献[6]中,对原理进行了基本的验证,试验结果表明其测试误差小于0.2mil,经过系统优化误差应小于0.1mil.

图1 校炮原理图

校炮组成主要包括折转棱镜、校炮CCD和处理单元,其中,折转棱镜和校炮CCD集成在上反射镜组件中,处理单元可以作为一个插件位于系统的某个部件中.

上反射镜主光路与火炮是基本平行的,空间物理位置的差异造成存在的视差使得在炮长镜主光路中不能直接看到炮口图像,折转棱镜的作用是将炮口图像居中反射到校炮CCD中,如图2所示.校炮CCD完成对炮口图像的采集[8−10],处理单元根据实时采集的炮口图像经过处理得到炮口标志的位置信息,计算校炮值,与初始校炮信息进行比较,计算出产生的变化,可以供系统进行数据分析.

校炮系统设计依据火炮炮口与上反射镜的空间位置关系[11−12],以火炮耳轴为原点,火炮处于水平时的火力线为基准,瞄准线相对于基准火力线方位向左偏X,高低向上偏Y,火炮耳轴到炮口距离L,校炮精度为0.1mil.

图2 上反射镜瞄准线与校炮光路位置关系

由于上反射镜与火炮是随动关系,上反射镜转动角度与火力线转动角度为1/2关系.而校炮光路,由于存在一个折转棱镜,其回转轴与上反射镜轴存在一个偏置角,如图3所示,也就造成与火炮耳轴不平行,不能满足1/2关系(小于1/2),所以炮口图像不能与炮口实际走动同步,实际炮口图像移动慢于火炮/瞄准线的移动[13].所以需要确定从CCD获得的炮口图像位移与炮口的实际位移之间的关系,才能得到炮口的实际位移.

图3 上反射镜瞄准线与校炮光路实际位移关系

2 模型

根据瞄准镜和火炮在炮塔上的位置关系,建立校炮光线和火力线在炮塔上的平面和空间位置关系,模型如图4所示.PO为火炮耳轴,AD为瞄准镜上反射镜轴.

模型中,为表达方便作如下定义:

a为瞄准镜上反射镜轴到火炮耳轴之间的高度;

b为瞄准镜上反射镜轴到火炮耳轴之间的前后距离;

c为瞄准镜主光路中心到火炮耳轴之间的水平距离;

L为火炮耳轴到火炮炮口标志点距离.

OM为火炮在水平0◦角时的位置,ON为火炮在α◦角时的位置,火炮耳轴到炮口标志点距离L=OM=ON.基于光路是矢量,可分解为方位向和高低向的公理,校炮光路与炮口的夹角可分解为高低向镜转角β和方位向镜转角γ.镜耳轴到炮耳轴高度差a=DC,镜耳轴到炮耳轴前后差b=CO,镜炮水平向距离c=AD,镜耳轴到炮耳轴与水平夹角的补角θ= ∠DOM=180◦−∠DOC.

按照几何关系结合余弦定理,得到如下结论.

高低向镜转角β与炮转角α之间的关系为:

其中,

方位向镜转角γ与炮转角α之间的关系为:

图4 位置关系

按照获得的角度关系进行仿真,使火炮转角在−5◦∼+25◦范围内运动时,校炮光路得到的高低和方位角度值对应关系如图5和图6所示.

图5 高低向火炮实际转角与校炮转角差图

根据前述公式,经过仿真运算可知,在考虑镜炮同步误差的情况下,火炮在−5◦∼25◦范围内运动,校炮光路与上反射镜固定夹角为arctan(566/4637),假定方位向校炮夹角为0,则校炮光路与上反射镜夹角余弦值为0.9926.可以得到火炮转过角度与模型计算差,考虑夹角修正后最终的计算偏差如表1(部分角度)所示.

高低向表达式比较复杂,利用得到的数据关系,在Matlab中使用最小二乘法[14],可获得函数关系的二次拟合曲线方程如式(4):

三次拟合曲线方程:

表1 火炮转过角度与模型计算差、考虑夹角修正后最终的计算偏差

3 误差分析

在实际的炮塔加工和装配过程中[15−16],a、b、c、L尺寸均有可能有偏差,这些偏差可能会导致镜转角和炮转角之间的对应关系产生变化,从而使测得的火炮实际变化量(校炮值)不能反映真实的火炮变化量.

a、b、c、L 4个量在炮塔加工和装配过程中是独立的,下面是独立分析每个变量对镜转角和炮转角对应关系的影响.

在各个变量给定的误差分析尺寸中,炮轴和镜轴的位置偏差较小,身管长度尺寸较大,偏差相对也大一些,故a、b、c按照±10mm变化,身管尺寸按照±20mm变化.实际的平台上a、b、c应该在±0.5mm,身管尺寸在±1mm变化.

方位向分析:

使b、c和L分别变化±10mm、±10mm、±20mm,对应的角度变化量均为整体偏移,在−5◦∼25◦范围差值不变,其中,c变化对结果影响较大,最大为2.2mil,且其变化规律为反向变化.b变化最大影响0.3mil,L变化最大影响0.5mil,均为正向变化.

虽然b、c和L变化的最大影响大于指标规定的0.1mil,但是由于其是整体偏移,可以在装车后得到测试进行修正,不影响测试角度差值,可以认为无影响.

高低向分析:

使a、b和L分别变化±10mm、±10mm、±20mm,除a变化对结果无影响外,对应的角度变化有整体偏移也有放大.在−5◦∼25◦范围具体为:b影响最大为0.8mil,变化规律为反向.L影响最大为0.2mil,变化规律为正向.

进一步分析在小角度范围内(−3◦∼3◦),b、c和L变化引起的影响较小,小于0.1mil(详见对应表格文件),大角度范围内的角度测试可利用小角度进行标定后使用.

实际的情况是a、b、c、L 4个量综合作用的结果,可根据单个变量对结果的影响大小结合小角度下的标定情况综合考虑.

建立的计算模型精确反映了炮长镜、火炮及其耳轴的相对关系,建立了对校炮光路回转轴中心与火炮耳轴不重合所引起误差的修正关系.重点考虑了垂直于炮长镜轴线(高低向)的平面内,校炮光路中火炮炮口图像相对于实际火炮炮口的角位移偏差,平行于炮长镜轴线方向(方位向)的分量对火炮炮口的角位移偏差影响较小.根据模型得到的计算结果基本符合光学模拟结果.

在实际装车验证中,应考虑炮塔加工和装配过程中a、b、c、L的误差,利用小角度标定进一步修正计算结果的偏差.

4 结论

基于瞄准线基准图像的校炮方法是一种结合高分辨率CCD和图像处理技术的一种快速、简便,能在行军或战斗状态下实时使用的新的校炮方法,实现火线和瞄准线的自动校正.在火控系统工作的过程中,解算控制单元可以使用图像校炮获得的实时误差来检测系统状态,有效消除基于耳轴解算器、镜解算器等装置本身及安装和电气误差链路带来的综合误差,提高射击门控制的精确度,从而有效提高火控系统的命中概率.另外,经过对火控系统进行适应性优化,该方法可以用于火控提前量的实时检测和修正.