故障火炮定向方法研究

鄭興博，劉愛峰，熊濤，趙楠，鄒定美，秦鵬飛

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

直瞄和間瞄是現(xiàn)代自行壓制武器系統(tǒng)所具備的兩種作戰(zhàn)方式。當(dāng)目標(biāo)可見且符合直瞄射擊條件時(shí)，自行壓制火炮在半自動(dòng)或者手動(dòng)方式下調(diào)炮，使用直瞄鏡對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)并激光測(cè)距，根據(jù)測(cè)得的炮目距離計(jì)算出射擊裝定諸元，在自動(dòng)方式下調(diào)炮到位；當(dāng)目標(biāo)不可見時(shí)，需間接瞄準(zhǔn)射擊，由指揮系統(tǒng)下達(dá)射擊裝定諸元或者根據(jù)炮目坐標(biāo)解算出裝定諸元，在自動(dòng)方式下進(jìn)行調(diào)炮到位[1-2]。壓制火炮都配備了精度較高的定位定向裝置，可實(shí)時(shí)獲得炮塔軸線的指向，通過操瞄得到火炮身管軸線的實(shí)際指向。當(dāng)定位定向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，壓制火炮無(wú)法自主進(jìn)行定向，不能獲得操瞄所需的炮塔身管軸線北向角，也就不能實(shí)現(xiàn)間瞄作戰(zhàn)的功能。

現(xiàn)已存在大量針對(duì)定位定向裝置失效的火炮進(jìn)行定向的方法研究。在傳統(tǒng)情況下，采用瞄準(zhǔn)點(diǎn)法、標(biāo)桿法或者方向盤法[3-4]對(duì)定向功能故障的壓制火炮賦予基準(zhǔn)射向，即為故障火炮炮塔軸線賦予已知北向角。研究表明，這些方法都能為故障火炮實(shí)現(xiàn)定向功能，然而在實(shí)際使用中，這些傳統(tǒng)方法存在較多的缺陷，例如人員在炮車外操作，戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)性差；操作前的準(zhǔn)備工作較為繁瑣，所需時(shí)間長(zhǎng)[5-7]；需單獨(dú)配備測(cè)地保障分隊(duì)，在實(shí)際作戰(zhàn)中難以確保，并且增加了成本。通常情況下，壓制武器系統(tǒng)都是數(shù)門同時(shí)參與作戰(zhàn)，當(dāng)出現(xiàn)定向功能故障的火炮時(shí)，可使用現(xiàn)有的正常火炮對(duì)故障火炮進(jìn)行定向。充分利用了戰(zhàn)場(chǎng)中現(xiàn)有的條件，不需要額外增加人員和設(shè)備。

1 基本坐標(biāo)系定義

壓制火炮定位定向裝置獲得的是大地坐標(biāo)系[8]下的參數(shù)值，而隨動(dòng)系統(tǒng)使用的是火炮自身坐標(biāo)系下的參數(shù)值，需對(duì)大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到火炮自身坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。

自行壓制火炮涉及的坐標(biāo)系定義如圖1所示。

定義1地理坐標(biāo)系{Od，Xd，Yd，Hd}。地理中規(guī)定的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，其中坐標(biāo)軸Xd指向大地正北向，Yd指向大地正東向，Hd鉛垂向上[9]。

定義2大地坐標(biāo)系{O0，X0，Y0，H0}。與地理坐標(biāo)系處于同一水平面，以正?；鹋谒邳c(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)軸O0X0指向大地正北向，O0Y0指向大地正東向，O0H0鉛垂向上。

定義3炮耳軸坐標(biāo)系{O1，Xp，Yp，Hp}。O1為炮塔回轉(zhuǎn)中心，與大地坐標(biāo)系原點(diǎn)存在一定高度差，坐標(biāo)軸O1Xp指向炮塔軸線方向(炮塔軸線是當(dāng)火炮身管高低角為0°時(shí)的身管軸線)，O1Yp指向炮塔耳軸方向，O1Hp垂直于炮塔平面，向上為正。

定義4身管軸線O1S。

定義5參考坐標(biāo)系{O1，X1，Y1，H1}。將大地坐標(biāo)系沿O0H0向上平移至O0和O1重合時(shí)構(gòu)造的坐標(biāo)系，便于分析計(jì)算。

定義6炮塔平面橫傾角θ0，右傾為正；炮塔平面縱傾角Ψ0，前傾為正。高低受信儀值ε0，即身管軸線和炮塔軸線之間的夾角。

定義7炮塔軸線北向角α0，炮塔軸線在大地坐標(biāo)系下的投影和基準(zhǔn)北向的夾角；身管軸線北向角λ0，身管軸線在大地坐標(biāo)系下的投影和基準(zhǔn)北向的夾角。

2 賦予基準(zhǔn)射向

2.1 正?；鹋谏砉茌S線定向

在圖1中，定位定向功能正常的壓制火炮，用直瞄鏡[10]瞄準(zhǔn)目標(biāo)物時(shí)，通過定位定向裝置實(shí)時(shí)獲取炮塔軸線北向角α0，安裝在炮塔上的姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)獲取炮塔平面的橫傾角θ0和縱傾角Ψ0，高低受信儀獲取身管軸線相對(duì)炮塔軸線的夾角ε0，可計(jì)算得到火炮身管軸線北向角λ0為

λ0=α0+arctank,

(1)

直瞄鏡瞄準(zhǔn)后進(jìn)行激光測(cè)距得到的火炮和目標(biāo)之間的距離為l0，則可根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[11]計(jì)算求得炮目距離在大地坐標(biāo)系下的投影，即l0在O0X0Y0中的投影為

l01=l0cos[arcsin(cosε0sinΨ0+

sinε0cosθ0cosΨ0)].

(2)

不考慮火炮橫傾和縱傾限制的情況下，火炮身管軸線和炮塔軸線在大地坐標(biāo)系中的位置可能存在多種情況，如圖2所示。

在圖2中，火炮炮塔軸線和身管軸線在大地坐標(biāo)系O0X0Y0面中的投影，可分布在水平面中任意象限中，需對(duì)式(1)進(jìn)行調(diào)整。

表1 第1象限情況下身管軸線的參數(shù)

身管軸線北向角的取值范圍為[0,2π]，需對(duì)λ0進(jìn)行規(guī)整，規(guī)整后的身管軸線北向角如表2所示。

表2 第1象限情況下身管軸線北向角

同理，分析可得到炮塔軸線位于第2、3和4象限時(shí)，身管軸線規(guī)整后的北向角，如表3所示。

表3 身管軸線北向角

根據(jù)以上分析，進(jìn)一步對(duì)身管軸線北向角計(jì)算公式進(jìn)行規(guī)整，得到計(jì)算身管軸線北向角的通用公式。

令cosε0cosΨ0-sinε0cosθ0sinΨ0=δ,

(3)

式中，λδ為中間值。

則身管軸線北向角λs為

(4)

式(3)和式(4)是不考慮火炮橫傾和縱傾限制時(shí)身管軸線的計(jì)算公式，在實(shí)際作戰(zhàn)[12]使用時(shí)，火炮橫傾和縱傾有一定的限制，即式(3)中δ始終是大于0，可進(jìn)一步將式(4)調(diào)整為

(5)

因此，在實(shí)際中，可利用式(1)和式(5)實(shí)現(xiàn)對(duì)正?；鹋谏砉茌S線的定向。

2.2 賦予故障火炮基準(zhǔn)射向

正?；鹋谕ㄟ^對(duì)準(zhǔn)可獲得基準(zhǔn)射向，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算可以求出身管的北向角。當(dāng)定位定向裝置故障時(shí)，炮塔軸線的北向角未知，即不能確定基準(zhǔn)射向。

使用正常火炮對(duì)故障火炮進(jìn)行定向，需首先選定合適的標(biāo)志物。如圖3所示，在參考坐標(biāo)系中，O1點(diǎn)為正?；鹋谒邳c(diǎn)，A點(diǎn)為故障火炮所在點(diǎn)，B點(diǎn)為選取的標(biāo)志物所在點(diǎn)。

1)正?；鹋诙ㄎ欢ㄏ蜓b置對(duì)準(zhǔn)之后，進(jìn)行調(diào)炮并使用直瞄鏡瞄準(zhǔn)故障火炮，進(jìn)行激光測(cè)距，獲得兩炮之間的斜距離，即圖3中的l1；正?；鹋谧藨B(tài)傳感器獲得炮塔平面橫傾角θ1和縱傾角Ψ1，高低受信儀值ε1，炮塔軸線北向角為α1。

由式(1)和式(2)可以計(jì)算得到：

(6)

l10=l1cos[arcsin(cosε1sinΨ1+sinε1cosθ1cosΨ1)].

(7)

按照式(5)進(jìn)行規(guī)整，可得到身管軸線北向角為

(8)

2)正?；鹋谶M(jìn)行調(diào)炮并使用直瞄鏡瞄準(zhǔn)標(biāo)志物，進(jìn)行激光測(cè)距，獲得炮物之間的斜距離，即圖3中的l2；同樣獲得炮塔平面橫傾角θ2和縱傾角Ψ2，高低受信儀值ε2，炮塔軸線北向角為α2。

同理，由式(1)和式(2)可以計(jì)算得到：

(9)

l20=l2cos[arcsin(cosε2sinΨ2+sinε2cosθ2cosΨ2)].

(10)

同理，按照式(5)進(jìn)行規(guī)整后得到的身管軸線北向角為

(11)

3)對(duì)于△A0O1B0，依據(jù)三角形法則可以計(jì)算得到l30，即故障火炮到標(biāo)志物之間的距離在大地坐標(biāo)系的投影：

(12)

4)故障火炮調(diào)炮并使用直瞄鏡瞄準(zhǔn)標(biāo)志物，故障火炮和標(biāo)志物之間的位置有多種情況。當(dāng)λ2s>λ1s時(shí)，兩炮和標(biāo)志物的兩種位置關(guān)系如圖4、5所示。

可計(jì)算出故障火炮身管軸線北向角中間量為

(13)

當(dāng)λ2s≤λ1s時(shí)，式(13)同樣適用。

將λ3δ規(guī)整至[0,2π]，得到故障火炮瞄準(zhǔn)標(biāo)志物時(shí),火炮身管軸線北向角為

(14)

5)故障火炮瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物時(shí)，獲得炮塔平面橫傾角θ3和縱傾角Ψ3,高低受信儀值ε3，可計(jì)算出故障火炮炮塔軸線北向角中間量為

(15)

對(duì)α3δ在[0,2π]內(nèi)進(jìn)行規(guī)整，得到炮塔軸線北向角，即基準(zhǔn)射向?yàn)?/p>

(16)

通過上述方法，即可賦予定位定向裝置故障的火炮基準(zhǔn)射向。

3 方法實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)勢(shì)

筆者提出利用正?；鹋诘亩ㄏ蚬δ芎椭泵闇y(cè)距功能來(lái)賦予故障火炮基準(zhǔn)射向。該方法操作簡(jiǎn)單,僅需現(xiàn)有的裝備即可快速完成。

3.1 方法實(shí)現(xiàn)

本文中方法的實(shí)現(xiàn)需要火炮的瞄具和瞄準(zhǔn)手終端。瞄具由帶有激光測(cè)距功能的直瞄鏡組成，瞄準(zhǔn)手終端具有通信模塊、顯示模塊和解算軟件，其中解算軟件包由采集模塊和計(jì)算模塊組成，采集模塊的主要功能是采集相關(guān)數(shù)據(jù)；解算模塊是將第2節(jié)中的方法以代碼的形式實(shí)現(xiàn)在瞄準(zhǔn)手終端中，用于解算出基準(zhǔn)射向。

賦予故障火炮基準(zhǔn)射向的時(shí)間為

tw=t0+t1+t2+t3+t4,

(17)

式中：tw為賦予故障火炮基準(zhǔn)射向所需的時(shí)間；t0為正常火炮瞄準(zhǔn)故障火炮進(jìn)行激光測(cè)距并采集數(shù)據(jù)的時(shí)間；t1為正常火炮瞄準(zhǔn)標(biāo)志物進(jìn)行激光測(cè)距并采集數(shù)據(jù)的時(shí)間；t2為故障火炮瞄準(zhǔn)標(biāo)志物并采集數(shù)據(jù)的時(shí)間；t3為正?；鹋趯⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給故障火炮的時(shí)間；t4為故障火炮瞄準(zhǔn)手終端進(jìn)行解算的時(shí)間。

分析可知，正?；鹋诙ㄎ欢ㄏ?qū)?zhǔn)之后，賦予故障火炮基準(zhǔn)射向的時(shí)間大約在2 min以內(nèi)。

3.2 精度分析

設(shè)：

n1=cos[arcsin(cosε1sinΨ1+sinε1cosθ1cosΨ1)],

n2=cos[arcsin(cosε2sinΨ2+sinε2cosθ2cosΨ2)].

由于本文方法中使用的三角函數(shù)具有周期性，并且式(8)中規(guī)整的各種情況對(duì)最終的精度影響沒有差別，選取0<λ10<2π、l10≤l20的情況進(jìn)行分析，即：

λ3δ=α1+m1+Q,

(18)

式中，

(19)

理想情況下，計(jì)算出的故障火炮基準(zhǔn)射向誤差為0，但在實(shí)際中，火炮定向裝置、激光測(cè)距儀、姿態(tài)傳感器和高低受信儀均存在誤差。分別分析各種誤差對(duì)最終精度的影響。

3.2.1 正?；鹋诙ㄏ蛘`差

正?；鹋诿闇?zhǔn)故障火炮和標(biāo)志物時(shí)，獲得的炮塔軸線北向角α1和α2均存在誤差，分別為Δα1和Δα2。該定向誤差僅影響λ3δ，令Δα=Δα2-Δα1，將誤差代入式(18)，可得

λ3δ=α1+Δα1+m1+Q′,

(20)

式中，

(21)

由于定向裝置的誤差在1 mrad以內(nèi)，所以-1 mrad<Δα1<1 mrad，-2 mrad<Δα<2 mrad，因此Δα?α2-α1，即當(dāng)存在定向誤差時(shí)，Q≈Q′，因此λ3δ的變化僅由Δα1引起。

由上述分析可知，因定向裝置誤差引起的故障火炮基準(zhǔn)射向精度在1 mrad以內(nèi)。

3.2.2 激光測(cè)距誤差

激光測(cè)距儀的測(cè)量距離為200～5 000 m以內(nèi)，誤差-5 m<Δl<5 m，測(cè)距誤差僅影響λ3δ，將誤差代入式(18)，則

λ3δ=α1+m1+Q″,

(22)

式中,

(23)

3.2.3 姿態(tài)傳感器和高低受信儀誤差

橫傾值、縱傾值和高低受信儀值影響m1、m2、m3、n1和n2。

橫傾和縱傾姿態(tài)傳感器的測(cè)量范圍均為-100～100 mrad，測(cè)量誤差-0.5 mrad≤Δθ≤0.5 mrad、-0.5 mrad≤ΔΨ≤0.5 mrad；高低受信儀測(cè)量范圍-2°～78°，測(cè)量誤差-20″≤Δε≤20″。

由于橫傾誤差、縱傾誤差和高低受信儀誤差較小，對(duì)m1、m2、m3、n1、n2的影響同樣較小，因而由這些測(cè)量誤差引起的故障火炮定向誤差可以忽略。

經(jīng)過分析可知：賦予故障火炮基準(zhǔn)射向的精度近似于正?；鹋诘亩ㄏ蚓龋瑵M足壓制火炮定向精度要求。

3.3 與傳統(tǒng)的方法對(duì)比

本文方法與傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)法、方向盤法和標(biāo)桿法的對(duì)比如表4所示。

表4 本文方法和傳統(tǒng)方法的比較

根據(jù)表4可知，傳統(tǒng)方法都需要額外的測(cè)地保障分隊(duì)，增加了作戰(zhàn)成本，人員缺乏防護(hù)，易受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境限制，操作時(shí)間較長(zhǎng)；筆者所提出的方法充分利用全連現(xiàn)有的裝備進(jìn)行，所有操作均在自行火炮內(nèi)進(jìn)行，安全性高、不受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境限制，整個(gè)過程在2 min以內(nèi)，故障火炮基準(zhǔn)射向精度僅受正?；鹋诙ㄏ蚓扔绊懀`差不大于1 mrad。

本文壓制火炮激光測(cè)距范圍為200～5 000 m，故本文方法適用于炮目距離在200～5 000 m范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了一種賦予定位定向裝置故障的壓制火炮基準(zhǔn)射向的新方法。首先根據(jù)實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇合適的標(biāo)志物；使用已對(duì)準(zhǔn)的正常火炮瞄準(zhǔn)故障火炮并進(jìn)行激光測(cè)距，同時(shí)采集炮塔平面橫傾角和縱傾角、高低受信儀值，以及炮塔軸線北向角；同樣的方法瞄準(zhǔn)標(biāo)志物并采集數(shù)據(jù)，根據(jù)三角形法則可解算出故障火炮到標(biāo)志物的直線距離并發(fā)送給故障火炮；故障火炮瞄準(zhǔn)標(biāo)志物采集數(shù)據(jù)，解算得到自身基準(zhǔn)射向。本研究充分發(fā)揮了壓制武器系統(tǒng)的功能，省掉了傳統(tǒng)方法所需的測(cè)地保障分隊(duì)，并且人員操作安全，誤差與正?；鹋诙ㄏ蛘`差基本相同，能快速、精確地賦予故障火炮基準(zhǔn)射向。