一种高精度弹丸全弹道飞行时间测量方法

刘红梅，陈俊彪，吴建敏，薛 磊，王 凯

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

弹丸从离开发射装置在空中飞行，直至最终抵达落区开始作用或着地时所用的时间为该弹丸的全弹道飞行时间[1]。弹丸飞行时间是武器弹道设计研究的最基础参数之一，在兵器靶场试验测试中有着重要作用，准确的弹丸飞行时间数据可为弹药研制、弹丸设计和弹道一致性试验提供指导，对进一步提高多弹道导弹协同作战能力及未来导弹防御系统设计具有重要作用[2-3]。

目前，国内靶场弹丸飞行时间测试主要采用雷达区间测试法和动态区域截止测试法[4-5]。雷达区间测试法是通过雷达系统测得弹丸相对于雷达天线的径向速度-时间数据，再根据炮口和天线之间的坐标关系，对数据进行修正，得到弹丸相对于炮口的径向速度-时间数据，据此进一步确定弹丸的飞行时间[6]；动态区域截止测试法是采用红外探测器将火炮发射时的红外信号经信号线传输至计时器中，利用区域拦截装置输出信号并计时，由此获得弹丸飞行时间[7]。轻武器弹丸具有弹道低伸、体积小等特性[8]，采用雷达测试方法具有一定的局限性；动态区域截止测试可以克服雷达测试的缺陷，但对于长距离弹道，需要布设长距离的信号线，且要确保信号线之间的连接可靠性，在测试之前需要检查线路布设和设备联调联试，试验测试周期长，消耗大量人力、物力、财力，特别是面对复杂的地形地貌，信号线无法确保完成布设，试验测试难度增大[9-10]。

针对上述弹丸飞行时间测量中存在的问题，本文提出一种以卫星授时为基础的弹丸全弹道飞行时间测试方法，采用高速摄像机和GPS时统相结合，利用GPS时统定位锁时高速摄像机触发时刻的卫星定位时间，利用高速摄像机进行触发延时修正，通过计算首区和落区时间差，得到高精度的弹丸全弹道飞行时间。

1 试验测试系统

1.1 测试系统的组成

本文高精度弹丸全弹道飞行时间测试系统由两台高速摄像机、两台GPS时统及计算机(图像和数据处理系统)等组成。高速摄像GPS时统测试系统实物如图1所示。

图1 高速摄像GPS时统测试系统实物图

GPS时统是实现时间坐标统一的技术或时间同步的装置。随着科学技术的发展，越来越多的工程和科学领域需要时间统一装置，特别是航天、军事、通信、电力等领域应用广泛，其测控任务由多台设备和系统联合完成，需要统一的时间坐标。

GPS卫星授时是利用GPS卫星上载有的与世界协调时间统一的原子钟提供一种空间的时间基准，地面上接收发自GPS卫星的时间服务信号，校准本地时钟，使之与GPS时钟统一，完成时间传递任务。利用每一颗GPS卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。GPS卫星定位授时原理示意如图2所示。

图2 GPS卫星定位授时原理示意图

高速摄像机可以在短时间内对目标进行多次采样，针对目标变化量进行准确记录。本文选用Phantom Miro C320型高速摄像机，如图3所示。该设备传感器分辨率为1920×1080，像素大小10μm×10μm，满足试验测试需求。

图3 Phantom Miro C320型高速摄像机

1.2 工作原理

弹丸飞行时间测试现场仪器布设原理如图4所示。

图4 弹丸飞行时间测试现场仪器布设原理

试验测试时，在弹道线起点、终点顺光一侧的垂直方向分别布设一台高速摄像机和一台GPS时统设备，高速摄像机的光轴与弹线垂直，将高速摄像机的触发端与时统设备的输入端通过数据线进行并接，从而可保证同时触发。试验过程中，两台高速摄像机视场分别对准发射区段和落区终点弹道段，实时记录弹丸离开发射装置的过程图像和落区作用或着地过程图像，并将此段图像以帧为单位构成图像文件，存储于控制计算机硬盘中。试验测试后使用专用软件处理，确定弹丸发射时及作用或着地时相对触发零时的图像帧数，首、落区的两台GPS时统分别锁时记录两台高速摄像机触发时的标准卫星定位时间。由所测数据，根据式(1)计算弹丸的飞行时间。

T=t2+M2/P2-t1-M1/P1

(1)

式中：T为导弹或火箭弹飞行时间，s；t1和t2分别为首区和落区高速摄像机触发时刻时间，s；M1和M2分别为首区和落区高速摄像读取的帧数；P1和P2分别为首区和落区高速摄像拍摄帧频，s-1。

本文利用高速摄像GPS时统法进行弹丸的弹道飞行时间测试，采用GPS时统可以获取触发时刻的标准时间信息，通过高速摄像图像的回放进行触发延时修正，从而获得高精度的飞行时间数据。系统不受弹道线长短、地形地貌、首落区地域时差、启动停止信号延时等的影响，可准确测量弹丸飞行时间，为武器研发与设计提供可靠的数据。

1.3 试验测试操作步骤

本文试验在某试验单位外场上进行，以卫星授时的方式进行弹丸的弹道飞行时间测试。试验测试操作步骤如图5所示。

图5 试验测试操作步骤框图

以某型号火箭弹的飞行时间测试为例，具体试验操作步骤如下。

(1)根据试验测试要求，按照试验工作原理将设备进行合理布局，在首区和落区合理选点，在安全距离内布设高速摄像GPS时统测试系统，根据试验环境和试验弹丸种类合理选择触发装置(手动开关、红外触发、声靶触发等)。因首区环境复杂，不具备红外触发条件，为保证测试准确性，首区采用手动开关进行人工手动触发；因落区高速摄像机布设在导弹落点附近，危险性极大，故采用红外触发装置进行红外自动触发。

(2)将计算机、高速摄像机和GPS时统进行连接调试，调试正常后对高速摄像机的拍摄视场、分辨率、曝光时间、拍摄帧频等各项参数进行调整，直至视场和画质达到最佳，再对GPS时统进行复位，确保GPS时统能够可靠接收4颗卫星以上的信号，首区和落区的操作方式一致。

(3)试验各项准备工作结束后，对各项参数设置和线路连接状态进行检查，复核无误后方可撤离试验现场。

(4)当火箭弹点火离开发射装置开始在空中飞行时，首区测试人员看到火光后按压手动开关，输出脉冲触发信号至首区与之相连的高速摄像机1与GPS时统1(图4)，高速摄像机1接到触发信号后开始拍摄记录发射过程图像，GPS时统1同时接到触发信号开始锁时记录卫星定位时间。

(5)当火箭弹到达预定落区开始作用时，红外触发装置探测接收到红外信号后，输出脉冲触发信号至落区与之相连的高速摄像机2与GPS时统2(图4)，高速摄像机2接到触发信号后开始拍摄记录火箭弹终点弹道作用过程图像，GPS时统2同时接到触发信号开始锁时记录卫星定位时间。

(6)试验结束后，测试人员进入场地及时下载保存图像及记录各项数据，并利用计算机图像处理软件进行分析，按式(1)计算得到弹丸全弹道飞行时间。

2 试验测试结果与分析

以某型号火箭弹的飞行时间测试为例，预定发射火箭弹5枚。通过对首区、落区高速拍摄图像进行分析判读，分别读取火箭弹离开发射装置时与终点弹道作用时相对触发零时的图像帧数，首、落区高速摄像机均采用1000s-1的帧频进行拍摄。火箭弹全弹道飞行时间测试结果如表1所示。

表1 火箭弹全弹道飞行时间测试结果

由表1数据可知，采用不同触发方式均会产生一定的负延时。利用红外触发装置产生的负延时较小，但易出现异常触发情况；利用手动触发产生的负延时较大且不稳定，但不会出现异常触发情况。

单独利用时统进行弹丸飞行时间测试，没有备份测试仪器，无法保证测试数据的正确性、稳定性和可靠性；利用高速摄像系统与GPS时统相结合的测试方法，可以有效解决空间区域时间获取难题，并可通过高速摄像图像回放查看或验证触发是否正确及负延时对结果的影响，有效保证弹丸飞行时间测试数据的准确性和可靠性。表1中试验测试结果表明，利用卫星授时进行的弹丸全弹道飞行时间测试系统可行。其中表1第3组数据中落区弹丸作用至触发零时帧数M2出现错误数值，原因是外场试验进行时，人员均已撤离现场，飞鸟经过导致设备误触发。

本文设计的试验装置不仅能准确测试出弹丸全弹道飞行时间，还可以结合测试图像对异常情况进行分析校正，试验测试数据精度约为1ms。

3 结束语

提出了一种弹丸全弹道飞行时间的测量方法。根据自然环境和首区、落区等条件，合理制定了测试方案，设计了一种以卫星授时为基础的GPS时统与高速摄像机相结合的测试系统，该系统不受弹体种类限制，可以克服弹道线长、地形复杂等不利因素，具有成本低、维护便捷的优点。多次试验表明，该测试方法可以满足弹丸全弹道飞行时间的精准测量。