趙鵬飛 許子健 李勇軍

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，蕪湖 241007）

飛行員在飛機(jī)對(duì)地目視瞄準(zhǔn)訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)平顯瞄準(zhǔn)目標(biāo)來(lái)投放炸彈等非制導(dǎo)武器，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確命中地面目標(biāo)的問(wèn)題。飛行員對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行目視瞄準(zhǔn)時(shí)，主要由載機(jī)與目標(biāo)的距離及姿態(tài)參數(shù)共同確定瞄準(zhǔn)線的方向，除載機(jī)與目標(biāo)之間的距離以外，其他參數(shù)均由機(jī)上配備的各種傳感器測(cè)定，且測(cè)量精度相對(duì)較高；而對(duì)于載機(jī)與目標(biāo)之前的距離測(cè)定，飛機(jī)需裝備構(gòu)造復(fù)雜的遠(yuǎn)距高精度激光測(cè)距器來(lái)完成。激光測(cè)距器是利用激光技術(shù)測(cè)量目標(biāo)距離的激光設(shè)備，是航空火力控制系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)槠洚a(chǎn)品故障率高，調(diào)校難度大，所以激光測(cè)距器產(chǎn)生的測(cè)距誤差是引起目視瞄準(zhǔn)誤差的主要因素之一。

1 基本概念

1.1 對(duì)地目視瞄準(zhǔn)基本概念

對(duì)地目視瞄準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理和瞄準(zhǔn)線解算由機(jī)載火控計(jì)算機(jī)完成，利用本機(jī)姿態(tài)參數(shù)、環(huán)境風(fēng)速、大氣密度、載機(jī)與目標(biāo)物的距離等參數(shù)，通過(guò)火控計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件計(jì)算出目標(biāo)的瞄準(zhǔn)線角坐標(biāo)。角坐標(biāo)用于確定平顯上顯示的瞄準(zhǔn)標(biāo)記的精確位置，如圖1所示。飛行員通過(guò)瞄準(zhǔn)標(biāo)記來(lái)觀察地面的目標(biāo)物，當(dāng)兩者重合時(shí)，即完成了一次瞄準(zhǔn)操作。此時(shí)，飛行員進(jìn)行炸彈等非制導(dǎo)武器的投放，武器將按照預(yù)定軌跡命中目標(biāo)物。

圖1 對(duì)地目視瞄準(zhǔn)示意圖

1.2 飛機(jī)常用測(cè)距方法介紹

目標(biāo)距離測(cè)量方法一般可以分為三角測(cè)距法和激光測(cè)距法。三角測(cè)距法是將載機(jī)高度和姿態(tài)角度參數(shù)代入三角函數(shù)，從而間接計(jì)算目標(biāo)距離，其計(jì)算精度相對(duì)較低。激光測(cè)距法是利用激光往返所經(jīng)歷的時(shí)間與光速的乘積計(jì)算目標(biāo)距離，其計(jì)算精度相對(duì)較高。為提高對(duì)地面目標(biāo)打擊的精度，國(guó)內(nèi)外具備對(duì)地攻擊功能的三代機(jī)和先進(jìn)的武裝直升機(jī)一般都裝備有高精度激光測(cè)距器，其測(cè)距量程可達(dá)10km以上。

2 瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)角度的計(jì)算

2.1 瞄準(zhǔn)線角度確定

空中投放炸彈等非制導(dǎo)武器可以看作是一個(gè)近似的自由落體運(yùn)動(dòng)，炸彈著點(diǎn)的位置受載機(jī)的高度、速度、側(cè)滑角、迎角、傾斜角、俯仰角及目標(biāo)距離等參數(shù)影響，同時(shí)也與載機(jī)所處的環(huán)境風(fēng)速和大氣密度相關(guān)。這些參數(shù)由載機(jī)上安裝的各種傳感器測(cè)得，提供給機(jī)載火控計(jì)算機(jī)，并通過(guò)火控計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件程序完成炸彈投放坐標(biāo)系的構(gòu)建和幾何運(yùn)算，計(jì)算出瞄準(zhǔn)線方位角φA和俯視角φB，從而控制瞄準(zhǔn)標(biāo)記在平顯上的精確位置。

2.2 瞄準(zhǔn)線矢量方程的建立

炸彈等非制導(dǎo)武器被投放后，可近似為有初速度的自由落體運(yùn)動(dòng)，下落過(guò)程中受環(huán)境風(fēng)速和大氣密度影響。構(gòu)建投放點(diǎn)到理論彈著點(diǎn)的幾何圖形，如圖2所示。圖中無(wú)風(fēng)射程為A0，炸彈落下時(shí)間為T(mén)，炸彈投放高度為H，載機(jī)速度為V，載機(jī)攻角為υ（俯沖時(shí)為負(fù)值）。在圖2上炸彈投放點(diǎn)用O表示，在無(wú)風(fēng)時(shí)降落點(diǎn)用A表示，在有風(fēng)速度為U時(shí)，降落點(diǎn)用B表示。

2.2.1 俯仰角的計(jì)算

在三角形OO'E 內(nèi)建立三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算公式：

由式（1）計(jì)算可得彈著點(diǎn)俯仰角坐標(biāo)φB：

圖2 對(duì)地目視瞄準(zhǔn)矢量圖

2.2.2 彈著點(diǎn)方位角的計(jì)算

根據(jù)圖2可得下式：

式中，A0為炸彈的無(wú)風(fēng)射程，具有在水平面上的飛機(jī)速度投影方向，圖2中O′A；T為炸彈落下時(shí)間；D為離彈著點(diǎn)的距離，圖2中OB；Uy為Y軸上的風(fēng)速投影，圖2中CE；Ux為X軸上的風(fēng)速投影，圖2中DF；χ為炸彈偏移與Y軸之間夾角。

3 瞄準(zhǔn)線角坐標(biāo)影響分析

3.1 瞄準(zhǔn)線俯仰角誤差分析

為了更明確地分析激光測(cè)距對(duì)瞄準(zhǔn)標(biāo)記的影響程度，假定其他參數(shù)為常數(shù)，把距離參數(shù)作為變量。通過(guò)瞄準(zhǔn)線矢量方程的計(jì)算可知，瞄準(zhǔn)線俯仰角φB僅由載機(jī)高度、速度、側(cè)滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態(tài)參數(shù)確定，這些參數(shù)由載機(jī)上配備的各種傳感器進(jìn)行測(cè)定，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)。通常情況下，精確度容易得到有效控制，是導(dǎo)致瞄準(zhǔn)誤差產(chǎn)生的次要因素。

3.2 瞄準(zhǔn)線方位角誤差分析

在瞄準(zhǔn)線方位角φA的確定過(guò)程中，除載機(jī)高度、速度、側(cè)滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態(tài)參數(shù)參與運(yùn)算外，載機(jī)與地面目標(biāo)的距離參數(shù)直接參與瞄準(zhǔn)線方位角度的計(jì)算，距離是影響瞄準(zhǔn)標(biāo)記在平顯上顯示位置的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也是戰(zhàn)機(jī)日常作訓(xùn)中導(dǎo)致對(duì)地目視瞄準(zhǔn)誤差形成的主要原因。

4 激光測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因及解決措施

機(jī)載激光測(cè)距器安裝于飛機(jī)的前側(cè)，可根據(jù)必要的工作狀態(tài)形成輻射探測(cè)脈沖，接收和處理來(lái)自目標(biāo)的回波脈沖，并通過(guò)計(jì)算得出空中和地面目標(biāo)的真實(shí)距離。激光測(cè)距器的精度除由產(chǎn)品硬件性能保證之外，更大程度上需通過(guò)調(diào)校平顯瞄準(zhǔn)線和激光測(cè)距器軸線的平行度來(lái)保證。對(duì)地面目標(biāo)物進(jìn)行瞄準(zhǔn)的狀態(tài)下，激光輻射的軸線受控于平顯的瞄準(zhǔn)線，兩者的平行度決定著激光測(cè)距點(diǎn)與目標(biāo)物的同一性，如圖3所示。當(dāng)平行度不符合要求時(shí)，激光測(cè)距點(diǎn)就會(huì)偏離目標(biāo)物，產(chǎn)生距離失真，從而形成較大的測(cè)距誤差。

4.1 激光測(cè)距器性能故障

4.1.1 原因分析

三代戰(zhàn)機(jī)激光測(cè)距器一般由輻射器、接收－發(fā)射裝置和電子組件3個(gè)子系統(tǒng)組成。輻射器用來(lái)建立具有預(yù)定光譜、時(shí)間和能量特性的電磁能輻射，激光輻射僅作為測(cè)距器的發(fā)射部分，無(wú)相關(guān)信號(hào)處理和過(guò)程運(yùn)算，因此輻射器對(duì)激光測(cè)距精度無(wú)影響。接收－發(fā)射裝置以激光發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的脈沖干擾作為基準(zhǔn)信號(hào)使用，接收目標(biāo)反射信號(hào)，并將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后以模擬形式通過(guò)一個(gè)通道發(fā)送給電子組件的時(shí)間間隔測(cè)量器，從而計(jì)算出激光發(fā)射和接收的時(shí)間間隔T。綜上分析，接收－發(fā)射裝置故障將會(huì)導(dǎo)致發(fā)射和接收的時(shí)間間隔T不準(zhǔn)確，而距離值由時(shí)間間隔與光速的乘積計(jì)算得出，因此可知對(duì)激光測(cè)距的精度影響較大。電子組件主要根據(jù)接收部件提供的脈沖間隔，生成激光發(fā)射與接收的時(shí)間差值T，模塊內(nèi)部程序進(jìn)行距離的運(yùn)算，得到目標(biāo)物的距離D，將距離參數(shù)發(fā)送給火控計(jì)算機(jī)，用于瞄準(zhǔn)線的計(jì)算。電子組件為激光測(cè)距器的核心部件，若出現(xiàn)性能故障，會(huì)產(chǎn)生測(cè)距不連續(xù)、精度不高等問(wèn)題。

4.1.2 解決措施

機(jī)載激光測(cè)距器設(shè)置有自檢功能，用以評(píng)判測(cè)距性能指標(biāo)。當(dāng)執(zhí)行自檢命令時(shí)，時(shí)間間隔測(cè)量器中可產(chǎn)生一對(duì)間隔時(shí)間為(20±1)μs、頻率?=10Hz的間隔控制脈沖（基準(zhǔn)+回波）。這對(duì)脈沖可保證控制發(fā)光二極管的觸發(fā)。發(fā)光二極管的輻射流落在雪崩式光電探測(cè)裝置的光敏場(chǎng)，并在電子組件的輸出端轉(zhuǎn)換為兩個(gè)延遲時(shí)間為(20±1)μs的信號(hào)。當(dāng)該信號(hào)的延遲時(shí)間與時(shí)間間隔測(cè)量器中早先確定的延遲時(shí)間相符時(shí)，時(shí)間間隔量器即給出與距離D=(3000±150)m相一致的檢測(cè)碼，當(dāng)超出規(guī)定范圍后，需要依次更換接收－發(fā)射裝置、時(shí)間間隔器和電子組件排除故障。

圖3 激光測(cè)距示意圖

4.2 掃描鏡零位漂移

4.2.1 原因分析

火控計(jì)算機(jī)控制激光輻射的光軸方向，這個(gè)功能由激光測(cè)距器內(nèi)部可移動(dòng)的掃描鏡完成。根據(jù)所需打擊的目標(biāo)，火控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生掃描機(jī)構(gòu)傳動(dòng)指令，控制掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度，確定激光向外部空間發(fā)射的軸線，指向需要瞄準(zhǔn)的目標(biāo)物。方位傳感器、俯仰角傳感器和傾角傳感器測(cè)定掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度值，以格雷碼形式提供給格雷碼變換器，格雷碼變換器可將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字碼，反饋給掃描鏡控制器，從而對(duì)掃描鏡形成閉環(huán)控制。當(dāng)傳感器零位出現(xiàn)一定的偏差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致掃描鏡角度控制存在誤差，激光輻射軸線出現(xiàn)偏差，那么激光照射的物體與所瞄準(zhǔn)的目標(biāo)物將不是同一物體，就會(huì)造成激光測(cè)距失真，形成測(cè)距誤差。

4.2.2 解決措施

激光測(cè)距器內(nèi)部設(shè)置有掃描鏡零位校準(zhǔn)傳感器，用于補(bǔ)償激光測(cè)距器零位傳感器的安裝誤差，對(duì)于國(guó)內(nèi)外三代戰(zhàn)機(jī)裝備的激光測(cè)距器，零位角度允許誤差要求在± 5s之內(nèi)，則對(duì)測(cè)距精度的影響在可接受范圍內(nèi)。若誤差超出規(guī)定值，需按照使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)調(diào)整校準(zhǔn)傳感器的開(kāi)關(guān)位置，用以對(duì)激光測(cè)距器的零位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，此舉可以有效提高激光測(cè)距精度。

4.3 安裝誤差

4.3.1 原因分析

激光測(cè)距器輻射的激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線平行時(shí)，在較遠(yuǎn)距離的某個(gè)點(diǎn)上兩條線可以近似為相交，當(dāng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)距點(diǎn)為同一物體時(shí)，激光測(cè)距器測(cè)定的目標(biāo)距離最為精確，如圖3所示。反之，當(dāng)激光測(cè)距器所輻射激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線存在一定安裝誤差角度時(shí)，那么兩軸線在無(wú)限遠(yuǎn)處無(wú)法近似為相交，瞄準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)距點(diǎn)不統(tǒng)一，就會(huì)造成激光測(cè)距誤差。

4.3.2 解決措施

激光測(cè)距器的安裝與載機(jī)過(guò)程中，無(wú)法避免會(huì)存在一定的安裝誤差，需要通過(guò)整機(jī)校靶的方式來(lái)消除誤差。一般方法是控制對(duì)地瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)入維護(hù)模式后，接通激光輻射，激光入射到靶板上形成灼燒光斑，通過(guò)測(cè)量理論入射點(diǎn)和實(shí)際入射點(diǎn)的誤差尺寸值，進(jìn)行正切三角函數(shù)運(yùn)算，從而確定誤差角度。當(dāng)誤差角度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，通過(guò)火控計(jì)算機(jī)中輸入校正誤差參數(shù)，對(duì)激光輻射方向進(jìn)行校正，保證激光軸線與平顯瞄準(zhǔn)線的平行度，從而提高測(cè)距精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光測(cè)距器產(chǎn)生的相關(guān)誤差直接影響目視瞄準(zhǔn)和對(duì)地攻擊的精度，日常訓(xùn)練中經(jīng)常遇到平顯上瞄準(zhǔn)標(biāo)記左右抖動(dòng)的現(xiàn)象，一般就是由于激光測(cè)距器性能不穩(wěn)定或者光軸校準(zhǔn)存在誤差，應(yīng)及時(shí)對(duì)激光測(cè)距器進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障所在，并予以排除。檢修過(guò)后，應(yīng)重新對(duì)激光測(cè)距器光軸進(jìn)行零位和安裝光軸誤差校準(zhǔn)，以提高飛機(jī)對(duì)地目視瞄準(zhǔn)的精度。