劉愛(ài)峰，秦鵬飛，鄒定美，韓璇璇，付心釗

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

自動(dòng)直瞄方式在某型自行火炮上的應(yīng)用研究

劉愛(ài)峰，秦鵬飛，鄒定美，韓璇璇，付心釗

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

某型自行火炮在實(shí)際應(yīng)用中存在目標(biāo)可見(jiàn)但不能直接瞄準(zhǔn)的現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)這一缺陷，引入自動(dòng)直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式。自動(dòng)直瞄方式是使用激光測(cè)距儀測(cè)量火炮至目標(biāo)直線距離，結(jié)合當(dāng)前身管方向和姿態(tài)，求解出大地坐標(biāo)系下的炮目高差和炮目距離，采用3D彈道解算模型求解出射擊裝定諸元，經(jīng)過(guò)操瞄解算得出調(diào)炮諸元。試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)直瞄方式系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短、瞄準(zhǔn)精度高、使用范圍廣，能夠?qū)σ晥?chǎng)內(nèi)任意目標(biāo)進(jìn)行直接瞄準(zhǔn)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)直瞄方式。

自動(dòng)直瞄；自行火炮；激光測(cè)距；彈道解算；操瞄解算

當(dāng)前，某型自行火炮具有直瞄和間瞄兩種工作方式。直瞄方式的操作步驟是測(cè)距、瞄準(zhǔn)、射角裝定、調(diào)炮到位[1]，大多在遭遇戰(zhàn)時(shí)使用，受到直瞄鏡距離分劃的限制，有效射擊距離在2 000 m以內(nèi)，瞄準(zhǔn)精度不大于1.20 mrad。間瞄方式有手動(dòng)裝定諸元和自動(dòng)裝定諸元兩種方式，手動(dòng)裝定諸元方式的操作步驟是周視鏡橫向和縱向規(guī)正、調(diào)炮至基準(zhǔn)射向、獲取裝定諸元、諸元裝定、調(diào)炮到位，在不考慮空回情況下，瞄準(zhǔn)精度不大于1.31 mrad；自動(dòng)裝定諸元方式的操作步驟是獲取坐標(biāo)信息、彈道解算后自動(dòng)裝定諸元，瞄準(zhǔn)手確認(rèn)后執(zhí)行調(diào)炮到位，瞄準(zhǔn)精度不大于1 mrad，間接瞄準(zhǔn)的有效射擊距離在500～9 500 m以內(nèi)，主要在遠(yuǎn)程火力壓制時(shí)使用。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在作戰(zhàn)使用方面，直瞄方式主要應(yīng)用在遭遇戰(zhàn)[2]，實(shí)現(xiàn)殲滅、摧毀可視目標(biāo)的目的，間瞄方式主要在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程火力壓制時(shí)使用；在瞄準(zhǔn)精度方面，自動(dòng)裝定諸元間瞄方式的瞄準(zhǔn)精度最高，直瞄方式的瞄準(zhǔn)精度次之，手動(dòng)裝定諸元間瞄方式的瞄準(zhǔn)精度最低；在反應(yīng)速度方面，直瞄方式和手動(dòng)裝定諸元間瞄方式主要受到操作人員熟練程度的影響，自動(dòng)裝定諸元間瞄方式主要受到彈道解算速度和隨動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)速度的影響。

該型自行火炮的直瞄鏡可視距離為5 000 m，當(dāng)目標(biāo)與火炮距離大于2 000 m且小于5 000 m時(shí)，由于直瞄鏡沒(méi)有大于2 000 m的距離分劃，故只能通過(guò)偵察指揮系統(tǒng)獲取裝定諸元或目標(biāo)信息后，使用間瞄方式進(jìn)行作戰(zhàn)，與直瞄方式相比增加了作戰(zhàn)步驟，造成目標(biāo)可見(jiàn)但不能快速摧毀的現(xiàn)象。為了彌補(bǔ)這一缺陷，引入自動(dòng)直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式具有一定意義。自動(dòng)直瞄方式的操作步驟是瞄準(zhǔn)、瞄準(zhǔn)手執(zhí)行激光測(cè)距并確認(rèn)數(shù)據(jù)、執(zhí)行彈道解算并裝定諸元、瞄準(zhǔn)手再次確認(rèn)后自動(dòng)調(diào)炮到位，顯著提高武器系統(tǒng)在直瞄射擊時(shí)的快速反應(yīng)能力和自動(dòng)化水平[2]。

1 自動(dòng)直瞄方式數(shù)學(xué)模型

1.1 自動(dòng)直瞄方案

該型自行火炮已經(jīng)具備彈道解算和自動(dòng)操瞄調(diào)炮的功能，只需將炮上直瞄鏡更換成具有激光測(cè)距功能的直瞄鏡，要求激光測(cè)距機(jī)能夠與火控計(jì)算機(jī)通信，將測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送到火控計(jì)算機(jī)上用于彈道解算。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊時(shí)，瞄準(zhǔn)手用半自動(dòng)操縱臺(tái)控制火炮，用直瞄鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)后按下激光測(cè)距按鈕，火控計(jì)算機(jī)接收到測(cè)距數(shù)據(jù)后瞄準(zhǔn)手進(jìn)行確認(rèn)，數(shù)據(jù)有效則進(jìn)行彈道解算并自動(dòng)裝定諸元，數(shù)據(jù)無(wú)效則重新快速測(cè)距。彈道解算完成后，經(jīng)過(guò)瞄準(zhǔn)手確認(rèn)執(zhí)行調(diào)炮，控制火炮調(diào)炮到位，瞄準(zhǔn)手按下?lián)舭l(fā)按鈕即可射擊。

1.2 坐標(biāo)系定義

定義1 地圖坐標(biāo)系{Om,xm,ym,Hm}:Om點(diǎn)為地圖原點(diǎn)；Omxm軸指向大地正北向；Omym軸指向大地正東向；OmHm軸指向鉛垂向上[3]。

定義2 大地坐標(biāo)系{O,xd,yd,Hd}:O點(diǎn)為炮塔回轉(zhuǎn)中心；Oxd軸指向大地正北向；Oyd軸指向大地正東向；OHd軸指向鉛垂向上。

定義3 炮塔軸線：火炮高低角ε和方位角β均為0時(shí)的身管軸線。

定義4 炮耳軸坐標(biāo)系{O,x1,y1,H1}:O點(diǎn)為炮塔回轉(zhuǎn)中心；Ox1軸指向炮塔軸線方向；Oy1軸指向炮塔耳軸方向；向右為正，OH1軸按左手坐標(biāo)系確定，向上為正。

定義5 定向角α：炮塔軸線在大地坐標(biāo)系上的投影，與大地正北向的夾角，順時(shí)針為正。

定義6 炮塔平面縱傾角ψ：Ox1軸與平面Oxdyd的夾角，前傾為正。

定義7 炮塔平面橫傾角θ：Oy1軸與平面Oxdyd的夾角，右傾為正。

定義8 炮耳軸水平坐標(biāo)系{O,x0,y0,H0}:當(dāng)ψ=θ= 0時(shí)的炮耳軸坐標(biāo)系。

定義9 坐標(biāo)轉(zhuǎn)移矩陣A[4]：坐標(biāo)點(diǎn)由炮耳軸水平坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到炮耳軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣，依據(jù)定義1～8可推導(dǎo)出：

(1)

定義10 射擊面坐標(biāo)系{OJ,xJ,yJ,zJ}:OJ點(diǎn)為炮口射出點(diǎn)；OJyJ軸為地心與OJ的連線，向上為正；OJxJ軸為射擊面與過(guò)OJ點(diǎn)水平面的交線且在射擊面內(nèi)與OJyJ軸垂直，沿射向方向?yàn)檎?；OJzJ軸垂直于射面，其正向按右手準(zhǔn)則確定。

各坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。

炮耳軸水平坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系原點(diǎn)相同，OH0與OHd指向相同，Ox0與Oxd夾角為定向角α。設(shè)空間中一點(diǎn)在炮耳軸坐標(biāo)系和炮耳軸水平坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為(x1,y1,H1)和(x0,y0,H0)，則轉(zhuǎn)換關(guān)系為(x1,y1,H1)=(x0,y0,H0)A，其中A是坐標(biāo)變換矩陣，由于A滿足ATA=I，所以(x0,y0,H0)=(x1,y1,H1)AT。

1.3 求解炮目高差HPM和炮目距離DPM

如圖2所示，{O,x0,y0,H0}為炮耳軸水平坐標(biāo)系，{O,x1,y1,H1}為炮耳軸坐標(biāo)系，M點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)直瞄鏡內(nèi)的激光測(cè)距儀測(cè)量目標(biāo)至本炮的直線距離D，采集到當(dāng)前火炮定向角α，高低角ε，方位角β，炮塔平面縱傾角ψ，炮塔平面橫傾角θ。

取方位角β=0時(shí)的炮目直線單位向量e，則e在炮耳軸坐標(biāo)系中坐標(biāo)為

(x1,y1，H1)=(cosε,0,sinε)

依據(jù)上述炮耳軸水平坐標(biāo)系和炮耳軸坐標(biāo)系的關(guān)系，通過(guò)引入轉(zhuǎn)移矩陣AT進(jìn)行計(jì)算，可知e在炮耳軸水平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(x0,y0,H0)=(cosε,0,sinε)AT

則e在炮耳軸水平坐標(biāo)系中的高低角為

ε0=arcsin(cosεsinψ+sinεcosθcosψ)

方位角為

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

由上述分析可以得出，在炮耳軸水平坐標(biāo)系中，炮目高差為HPM=Dsinε0，炮目距離為DPM=Dcosε0，方向修正量為Δβ1=β0。

由于直瞄鏡安裝后，瞄準(zhǔn)線和身管軸線存在固定距離DMJ，如圖3所示，所以直瞄射擊方式中存在視角偏差Δβ2。

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

1.4 彈道解算模型

在射擊面坐標(biāo)系中，火炮坐標(biāo)為(0,0,0)，目標(biāo)坐標(biāo)為(DPM,HPM,0)，利用如下3D彈道模型[3,5]解算所述諸元條件中彈種的射擊裝定諸元：

(2)

式中：ρ為空氣密度；h為彈丸附近的氣壓；τ為標(biāo)準(zhǔn)溫度(虛溫)；ux、uy、uz分別為相對(duì)于射擊面坐標(biāo)系OJxJ、OJyJ、OJzJ軸的飛行速度；t為彈丸飛行時(shí)間；S為彈丸參考面積；m為彈重；g0為地球表面引力加速度；FD為彈丸的阻力符合系數(shù)；CD為彈丸的總阻力系數(shù)；v為彈丸相對(duì)于空氣的速度；vx、vy、vz分別為彈丸相對(duì)于空氣在OJxJ、OJyJ、OJzJ軸的速度分量。

在火炮發(fā)射初始狀態(tài)下，即t=0時(shí)，ux=u0cosθ0，uy=u0sinθ0，uz=0，x=0，y=0，z=0，h=h0，其中u0為實(shí)測(cè)初速，θ0為射角，h0為地面氣壓。

結(jié)合上述模型和給定諸元條件，可以得出射擊的裝定諸元，包括彈種、裝藥號(hào)、表尺ε0、方向β0(大地坐標(biāo)系)這4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。

1.5 操瞄解算調(diào)炮諸元火炮高低角ε和方位角β的數(shù)學(xué)模型

在大地坐標(biāo)系中，取射擊裝定諸元的單位向量e，則e在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

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

依據(jù)上述炮耳軸水平坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的關(guān)系，可知e在炮耳軸水平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(x0,y0,H0)=

(cosε0cos(β0-α),cosε0sin(β0-α),sinε0)

依據(jù)上述炮耳軸坐標(biāo)系和炮耳軸水平坐標(biāo)系的關(guān)系，通過(guò)引入轉(zhuǎn)移矩陣A進(jìn)行計(jì)算，可知e在炮耳軸坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[4]為

(x1,y1,H1)=

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

從而可知在炮耳軸坐標(biāo)系下，射擊裝定諸元的身管高低角為

方位角為

β=arctan(y1/x1)

控制隨動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行高低和方位調(diào)炮，使炮塔旋轉(zhuǎn)至高低角ε，方位角β，調(diào)炮到位后，可以進(jìn)行擊發(fā)射擊，自動(dòng)直瞄射擊全過(guò)程執(zhí)行完畢。

2 自動(dòng)直瞄方式與傳統(tǒng)直瞄方式的對(duì)比

2.1 使用范圍

該型火炮直瞄鏡中的測(cè)距分劃是依據(jù)2.7 m高的目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)目標(biāo)高與標(biāo)準(zhǔn)高差距較大時(shí)，測(cè)距誤差偏大；距離分劃是依據(jù)榴彈全號(hào)裝藥設(shè)計(jì)的距離修正量，當(dāng)火炮射擊使用彈種不是榴彈時(shí)，瞄準(zhǔn)誤差偏大；距離分劃的最大值是2 000 m，當(dāng)目標(biāo)距離大于該值時(shí)，直瞄功能無(wú)法使用。因此傳統(tǒng)直瞄方式適用于使用榴彈全號(hào)裝藥，距離在2 000 m以內(nèi)，并且高度近似為2.7 m的目標(biāo)。

應(yīng)用自動(dòng)直瞄方式時(shí)，只要目標(biāo)在直瞄鏡視場(chǎng)內(nèi)，激光測(cè)距機(jī)就能獲取目標(biāo)距離信息，不受目標(biāo)高度的影響，然后采用自動(dòng)裝定諸元間瞄方式進(jìn)行調(diào)炮到位?；鹂赜?jì)算機(jī)彈道模塊可以針對(duì)多種彈藥進(jìn)行彈道解算，不受彈種約束。因此自動(dòng)直瞄方式能夠應(yīng)用于直瞄鏡視場(chǎng)內(nèi)的所有目標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

傳統(tǒng)直瞄方式的操作步驟為：測(cè)距、瞄準(zhǔn)、射角裝定、調(diào)炮到位，全部由瞄準(zhǔn)手手工操作，其反應(yīng)時(shí)間從測(cè)距開(kāi)始時(shí)刻計(jì)算至調(diào)炮到位時(shí)刻，包括3個(gè)時(shí)間段，分別是測(cè)距開(kāi)始時(shí)刻至瞄準(zhǔn)結(jié)束時(shí)間段t1，瞄準(zhǔn)完成至射角裝定結(jié)束時(shí)間段t2，射角裝定完成至調(diào)炮到位時(shí)間段t3，傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時(shí)間t=t1+t2+t3。

安排同一名操作員進(jìn)行2種方式系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，使用傳統(tǒng)直瞄方式測(cè)量距離1 500 m處2.7 m高的固定目標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)直瞄方式反應(yīng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)表 s

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時(shí)間t≤21.9 s 。

通過(guò)對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：自動(dòng)直瞄方式比傳統(tǒng)直瞄方式的反應(yīng)時(shí)間更短。

2.3 自動(dòng)直瞄瞄準(zhǔn)精度分析

自動(dòng)直瞄方式與自動(dòng)裝定諸元間瞄方式相比，不同之處只是采用激光測(cè)距獲得目標(biāo)信息，代替了通過(guò)偵察指揮系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息，后續(xù)作戰(zhàn)步驟不變，使得該型火炮繼承了自動(dòng)裝定諸元間瞄方式的瞄準(zhǔn)精度(小于1 mrad)，并且具有了更高的自主作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者詳細(xì)介紹了該型自行火炮的兩種瞄準(zhǔn)方式并進(jìn)行了對(duì)比，分析了傳統(tǒng)直瞄方式中目標(biāo)可見(jiàn)但不能直接瞄準(zhǔn)的原因，提出用自動(dòng)直瞄方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)直瞄方式。提出了該型自行火炮使用自動(dòng)直瞄方式的適應(yīng)性改造方案，對(duì)自動(dòng)直瞄方式的數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了建模分析，針對(duì)自動(dòng)直瞄方式的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、瞄準(zhǔn)精度、使用范圍3個(gè)方面，與傳統(tǒng)直瞄方式進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示自動(dòng)直瞄方式性能優(yōu)于傳統(tǒng)直瞄方式。

References)

[1]張衛(wèi)民，梁建奇，馬紅衛(wèi). 自行火炮自動(dòng)直瞄控制方法研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(1):182-186. ZHANG Weimin, LIANG Jianqi, MA Hongwei.An automatic direct aiming control method of self-propelled artillery[J]. Acta Armamentarii，2015,36(1):182-186.(in Chinese)

[2]康祥熙, 田振新, 劉孝海. 壓制武器自動(dòng)直瞄數(shù)學(xué)模型[J]. 火力與指揮控制, 2010, 35(增刊1)：160- 163. KANG Xiangxi, TIAN Zhenxin, LIU Xiaohai. The study of auto direct aiming mathematical model of suppressed weapon[J]. Fire Control & Command Control, 2010, 35(Sup 1): 160-163. (in Chinese)

[3]王敏忠. 炮兵應(yīng)用外彈道學(xué)及仿真[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2009. WANG Minzhong. Artillery applied exterior ballistics and simulation[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009. (in Chinese)

[4]楊曉紅, 秦高林. 火炮自動(dòng)操瞄使用姿態(tài)傳感器調(diào)炮誤差模型分析[J]. 火力與指揮控制, 2013, 38(1):37-39,44. YANG Xiaohong, QIN Gaolin. The error model and analysis of artillery automatic aiming using attitude angle transducer[J]. Fire Control & Command Control, 2013, 38(1):37-39, 44. (in Chinese)

[5]錢林方. 火炮彈道學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. QIAN Linfang. Ballistics of gun[M]. Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2009. (in Chinese)

[6]周啟煌, 常天慶, 邱曉波. 戰(zhàn)車火控系統(tǒng)與指控系統(tǒng)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2003. ZHOU Qihuang, CHANG Tianqing, QIU Xiaobo. Fire control system and command control system of combat vehicle[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003. (in Chinese)

[7]張相炎, 鄭建國(guó), 楊軍榮. 火炮設(shè)計(jì)理論[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2005. ZHANG Xiangyan, ZHENG Jianguo, YANG Junrong. The artillery design theory[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2005. (in Chinese)

[8]張彥斌. 火炮控制系統(tǒng)及原理[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2009. ZHANG Yanbin. The artillery control system and principle[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2009. (in Chinese)

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

劉愛(ài)峰(1985—)，男，工程師，碩士，主要從事火控電氣系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：252576375@qq.com

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.02.008

TJ30

A

1673-6524(2017)02-0035-05