某車載火炮系統(tǒng)水平度測量數(shù)據(jù)分析與建議

谷 濤 陳明哲

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

水平基準是雷達與火炮產(chǎn)品重要的工作基準,對其俯仰角和方位角精度有直接影響,尤其對俯仰角影響更大。獨立的雷達與火炮產(chǎn)品水平基準標定方法已較為成熟,但集成了雷達的新型火炮武器系統(tǒng)因缺乏成熟的標定方法,在產(chǎn)品試驗中常出現(xiàn)雷達與火炮水平基準不一致影響武器系統(tǒng)精度指標的問題;其原因一般可歸結(jié)為火炮武器系統(tǒng)安裝雷達時水平基準傳遞出現(xiàn)問題,即雷達在火炮武器系統(tǒng)上水平基準標定精度不足或方法不正確。

文獻[2]對某車載火炮武器系統(tǒng)檢飛試驗中出現(xiàn)的“跟蹤雷達俯仰測角精度超差”問題進行了分析,確定問題原因后采取措施對誤差進行了補償,并通過仿真驗證了補償方法的可行性。本文作者曾參與該武器系統(tǒng)跟蹤雷達水平基準標定工作,通過對雷達水平度檢測試驗數(shù)據(jù)進行重新分析,分析結(jié)論與建議可以對解決該武器系統(tǒng)雷達俯仰測角精度超差提供另一種思路與解決途徑。

1 武器系統(tǒng)布局及雷達俯仰零位水平度誤差測量試驗

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

某車載火炮武器系統(tǒng)由火炮、雷達、火控計算機及拖車底盤等部分構(gòu)成,其中雷達系統(tǒng)集成了光電設(shè)備,雷達與光電系統(tǒng)采用共伺服系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示[1-2]。

圖1 某武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局示意圖

武器系統(tǒng)作戰(zhàn)時,雷達完成目標探測,跟蹤,提供目標現(xiàn)在點實時高精度坐標信息;火控計算機對點坐標信息進行坐標轉(zhuǎn)化,完成射擊諸元解算,并控制火炮隨動指向未來點,雷達伺服系統(tǒng)在火炮隨動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上進行復合運動;拖車底盤上安裝調(diào)平裝置及水平傳感器用于武器系統(tǒng)調(diào)平,雷達跟蹤天線座內(nèi)部也安裝了水平傳感器用于對雷達方位軸回轉(zhuǎn)平面水平度進行測量。

1.2 雷達俯仰零位標定

圖1顯示該武器系統(tǒng)存在火力回轉(zhuǎn)軸與雷達跟蹤回轉(zhuǎn)軸兩根回轉(zhuǎn)軸線,兩回轉(zhuǎn)軸線理論上應(yīng)保持平行即保持火力回轉(zhuǎn)面與跟蹤回轉(zhuǎn)面平行。當武器系統(tǒng)調(diào)平后火力回轉(zhuǎn)面與跟蹤回轉(zhuǎn)面均應(yīng)保持水平,實際上由于調(diào)平傳感器精度、基準標定誤差、各部位零件制造精度等不可消除誤差的影響,系統(tǒng)必然存在一定的水平度誤差。由于水平基準雷達俯仰角的基準,武器系統(tǒng)水平度誤差會對雷達俯仰角精度造成影響,繼而影響武器系統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)性能。

該火炮武器系統(tǒng)在武器系統(tǒng)車體調(diào)平的基礎(chǔ)上對雷達俯仰零位進行標定。首先,以火炮安裝面上調(diào)平傳感器為基準對武器系統(tǒng)車體進行調(diào)平,要求橫向與縱向傳感器水平度不大于2′,即認為雷達安裝面水平度滿足要求;然后,在該狀態(tài)下進行雷達俯仰零位的標定,一般通過經(jīng)緯儀與雷達光軸對瞄方式完成俯仰零位標定。通過標定流程可以發(fā)現(xiàn),車體調(diào)平水平度、火炮回轉(zhuǎn)面與雷達回轉(zhuǎn)面平行度、炮塔方位軸隙晃動、雷達方位軸隙晃動等多種因素均會影響雷達俯仰零位標定。

1.3 雷達俯仰零位水平度誤差測量試驗

該火炮武器系統(tǒng)在檢飛試驗中出現(xiàn)俯仰角系統(tǒng)誤差均值達-1.5mrad,超出不大于0.8mrad的指標要求。為解決該火炮武器系統(tǒng)俯仰測角精度系統(tǒng)誤差超差問題,文獻[2]經(jīng)過分析先后排除了傳感器跟蹤角誤差與雷達光電軸軸系不一致兩方面的原因,最終將原因確認為雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,確認過程進行了兩組試驗。

1)采用經(jīng)緯儀與雷達光軸對瞄方式檢查雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,在距離雷達100m以遠位置架設(shè)并調(diào)平經(jīng)緯儀,將火炮方位指向調(diào)整至0mil、500mil、1000mil、1500mil、2000mil、2500mil、3000mil七個雷達檢飛典型位置,一般情況下經(jīng)緯儀架設(shè)高度低于雷達光軸位置,用經(jīng)緯儀盤左與盤右分別與雷達光軸對瞄,讀取并記錄雷達俯角及經(jīng)緯儀仰角;將雷達仰角與經(jīng)緯儀仰角數(shù)據(jù)取反后計算雷達俯仰零位與絕對水平的誤差。測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表1所示。

表1 經(jīng)緯儀與雷達對瞄計算誤差結(jié)果[2]

2)讀取雷達天線座內(nèi)水平傳感器數(shù)據(jù),計算雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,將火炮方位指向調(diào)整至0mil、500mil、1000mil、1500mil、2000mil、2500mil、3000mil七個雷達檢飛典型位置,讀取并記錄雷達天線與火炮同向(0mil)與反向(3000mil)兩位置時天線座水平傳感器數(shù)據(jù),兩位置水平傳感器讀數(shù)差的均值即為對應(yīng)火炮方位雷達俯仰零位水平誤差。測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表2所示。

表2 雷達水平傳感器數(shù)據(jù)計算誤差結(jié)果[2]

文獻[2]對兩組試驗水平誤差數(shù)據(jù)進行了比對分析,比對結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩組試驗計算誤差比對

兩組試驗數(shù)據(jù)計算的雷達俯仰零位與絕對水平誤差值基本一致,誤差方向也一致,據(jù)此認定雷達俯仰零位與絕對水平誤差是引起該火炮系統(tǒng)俯仰測角精度系統(tǒng)誤差超差的主要原因,采取使用雷達天線座水平傳感器兩軸水平度數(shù)據(jù)修正目標空間位置的處理措施,通過仿真和后期檢飛驗證了措施的有效性。

文獻[2]未對雷達俯仰零位與絕對水平誤差超差進行更深入分析,進一步確定前端因素采取相應(yīng)控制措施,而采取了使用雷達水平傳感器數(shù)據(jù)修正雷達俯仰零位的措施,在批量生產(chǎn)階段這會增加武器系統(tǒng)調(diào)試的復雜度,可能也會影響雷達或火炮俯仰基準的一致性;本文嘗試對文獻[2]試驗數(shù)據(jù)進行重新分析,以定位引起雷達雷達俯仰零位與絕對水平誤差超差的前端原因并給出具體改進建議。

2 水平度誤差測量數(shù)據(jù)重新分析

2.1 水平度測量數(shù)據(jù)擬合分析方法

裝備回轉(zhuǎn)面不水平時,安裝于回轉(zhuǎn)面之上的水準器的氣泡就會來回竄動;對于裝備回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上安裝的水平傳感器,其兩軸讀數(shù)也分別按正弦規(guī)律變化;使用合像水平儀或電子水平儀測量并記錄裝備方位角和水平儀讀數(shù),按方位角繪制水平儀曲線即可得到調(diào)平誤差曲線,該誤差曲線包括了裝備調(diào)平誤差及方位軸隙晃動量[3]。通過對測量數(shù)據(jù)進行擬合分析,可以單獨分離出調(diào)平誤差,該誤差服從正弦規(guī)律,通過擬合分析可以得到最大調(diào)平誤差及其出現(xiàn)的角度,也可以得到測量面(水平儀工作面或水平傳感器安裝面)與回轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差。

將包括方位角及各方位水平度測試數(shù)據(jù)導入Math CAD軟件[4],建立正弦曲線擬合方程為

F(X)=a·sin(x.deg+b.deg)+c

(1)

調(diào)平誤差正弦曲線頻率一般固定置為1,該方程仍包括3個未知項,無法使用常規(guī)計算求解,使用最小二乘法進行數(shù)值求解,可達到較高的計算精度;對曲線參數(shù)進行初始賦值如a=1,b=0,c=0,再使用Mineer()函數(shù)按最小二乘條件求解正弦曲線方程參數(shù)為

(2)

其中參數(shù)a為曲線幅值,表示調(diào)平誤差大小;參數(shù)b為曲線相位,最大調(diào)平誤差出現(xiàn)在方位角b±90°位置;參數(shù)c為曲線中線位置,表示測量面與回轉(zhuǎn)軸線的垂直度誤差。

2.2 雷達俯仰零位水平度誤差測量數(shù)據(jù)擬合分析

將表1經(jīng)緯儀與雷達對瞄測試數(shù)據(jù)中的火炮方位指向單位由mil轉(zhuǎn)換為(°),在Math CAD中輸入方位角及俯仰零位誤差數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)、式(2)進行調(diào)平誤差正弦曲線擬合計算如下。

x=(0 30 60 90 120 150 180)

z=(-1.6 -1.12 -0.7 -0.2 -0.14 0.19 0.29)

n=lenth(x)-1i=0_n

F(X)=a·sin(x.deg+b.deg)+c

初始化變量a=1b=0c=0

Given

SSE(a,b,c)=0

根據(jù)各參數(shù)計算值繪制調(diào)平誤差曲線如圖3所示。

雷達與經(jīng)緯儀對瞄試驗時,火炮進行方位旋轉(zhuǎn),雷達相對火炮方位保持不變,得到的俯仰零位誤差是通過雷達仰角與取反的經(jīng)緯儀讀數(shù)求差得到。去除火炮方位軸隙晃動及等微小影響,等效于通過雷達光軸以雷達俯仰角軸角編碼系統(tǒng)作為測角傳感器對火炮方位回轉(zhuǎn)面水平度的測量。

通過最小二乘計算得到的曲線參數(shù)和擬合曲線可看出:

1)車載火炮系統(tǒng)拖車調(diào)平誤差0.898mil即3.2′;系統(tǒng)使用前要求橫向與縱向調(diào)平誤差不大于2′,則兩軸耦合調(diào)平誤差不超過2.8′,系統(tǒng)調(diào)平誤差超過允許值。

2)雷達俯仰零位與火炮火力回轉(zhuǎn)軸垂直誤差為-0.657mil。

使用相同方法對雷達水平傳感器在火炮不同方位指向的讀數(shù)進行分析,以表2 雷達與火炮同向數(shù)據(jù)計算得到:

根據(jù)各參數(shù)計算值繪制調(diào)平誤差曲線如圖4所示。

圖4 雷達水平傳感器(與火炮同向)讀數(shù)擬合曲線

將雷達水平傳感器與火炮反向數(shù)據(jù)倒序排列也可以得到幾乎相同的分析計算結(jié)果與擬合曲線。

通過最小二乘計算得到的曲線參數(shù)和擬合曲線可看出:

1)分析結(jié)果顯示車載火炮系統(tǒng)拖車調(diào)平誤差0.86mil即3.1′,再次驗證了該車載火炮系統(tǒng)調(diào)平精度超差;

2)雷達水平傳感器安裝面與火炮火力回轉(zhuǎn)軸垂直誤差為-1.621mil。

2.3 對雷達俯仰零位水平度誤差測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果的推定

根據(jù)2.2中對經(jīng)緯儀與雷達對瞄誤差及雷達水平傳感器誤差分析的結(jié)果,可以做出如下推定:

1)兩組分析顯示該車載火炮系統(tǒng)拖車調(diào)平誤差分別為0.86mil及0.898mil,兩組分析結(jié)果極為接近,均驗證了車載火炮系統(tǒng)調(diào)平精度超差。

2)通過比對經(jīng)緯儀與雷達對瞄及雷達水平傳感器誤差數(shù)據(jù),雷達俯仰零位及雷達水平傳感器安裝面分別與火炮火力回轉(zhuǎn)軸垂直誤差數(shù)值,雷達俯仰零位及雷達水平傳感器安裝面平行度誤差為:

Δ=(-1.621)-(-0.657)=0.964(mil)

雷達俯仰零位在雷達調(diào)試過程中一般通過將雷達調(diào)平后與經(jīng)緯儀對瞄的方式進行標定,該誤差值顯示,在該車載火炮系統(tǒng)標定過程中存在雷達俯仰零位標定誤差過大問題,導致雷達俯仰零位與雷達水平傳感器之間產(chǎn)生了約1mil誤差。

火炮系統(tǒng)拖車底盤調(diào)平精度、雷達方位回轉(zhuǎn)軸與炮塔方位回轉(zhuǎn)軸平行度、雷達俯仰軸角編碼器測角精度、雷達光軸與電軸匹配精度、車載火炮武器系統(tǒng)調(diào)平裝置支撐剛性等因素,均對在車載火炮系統(tǒng)上標定雷達俯仰零位有較大影響。其中雷達俯仰軸角編碼器測角精度、雷達光軸與電軸匹配精度在雷達研制單位已進行過嚴格測試并驗證精度,車載火炮武器系統(tǒng)調(diào)平裝置支撐剛性一般情況下在火炮系統(tǒng)設(shè)計、制造完成后已基本確定。因此建議針對火炮系統(tǒng)拖車底盤調(diào)平精度、雷達方位回轉(zhuǎn)軸與炮塔方位回轉(zhuǎn)軸平行度進行控制,保證在車載火炮系統(tǒng)上標定雷達俯仰零位的精度。

3 建議

根據(jù)在誤差數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上做的推論,給出以下具體建議:

1)對該車載火炮系統(tǒng)調(diào)平裝置水平傳感器精度進行檢查驗證,再次對火炮系統(tǒng)拖車底盤進行精確調(diào)平;

2)在雷達隨方位轉(zhuǎn)動部位上選擇測量面(接近水平面)放置水平儀,進行以下測量與計算[5]:

① 火炮方位鎖定情況下,僅轉(zhuǎn)動雷達方位軸,使用水平儀間隔45°測量并記錄水平度,其算數(shù)平均值為測量面與雷達方位軸垂直度誤差;

② 雷達方位鎖定情況下,僅轉(zhuǎn)動炮塔方位軸,使用水平儀間隔45°測量并記錄水平度,其算數(shù)平均值為測量面與火炮方位軸垂直度誤差;

③ 若①、②兩次測量無法做到規(guī)則分布測量,可記錄雷達或火炮方位角及對應(yīng)水平度,使用2.2方法擬合計算測量面與回轉(zhuǎn)軸垂直度誤差;

④ 對①、②兩次測量計算得到的誤差絕對值求差即為雷達方位回轉(zhuǎn)軸與炮塔方位回轉(zhuǎn)軸平行度誤差,該誤差值應(yīng)小于允許值,否則可采用在炮塔上雷達安裝基準面加裝調(diào)整墊等方式進行調(diào)整。

3)使用經(jīng)緯儀對瞄等方法在車載火炮系統(tǒng)上重新進行雷達俯仰零位標定。

以上措施在某自行火炮武器系統(tǒng)上已進行過應(yīng)用驗證,通過以上措施預期可減小雷達俯仰零位與絕對水平誤差,保證雷達俯仰基準標定精度,在該車載火炮武器系統(tǒng)后期調(diào)試過程中通過檢飛試驗可進一步驗證。

4 結(jié)束語

車載火炮武器系統(tǒng)總體單位對各子系統(tǒng)的標定是裝備調(diào)試的重要環(huán)節(jié),水平基準標定直接影響武器系統(tǒng)測量精度,因此要對武器系統(tǒng)水平基準標定予以特別重視,確保其標定精度。本文僅利用原論文中的精度驗證試驗數(shù)據(jù)進行了分析,根據(jù)雷達結(jié)構(gòu)基本理論與標定經(jīng)驗給出了一些建議,為解決該車載火炮武器系統(tǒng)俯仰測角精度超差提供了另一種思路和解決途徑。

本文對火炮回轉(zhuǎn)軸與雷達回轉(zhuǎn)軸關(guān)系的分析結(jié)論及給出的計算、調(diào)整方法,可以對其它車載或自行火炮武器系統(tǒng)中雷達分系統(tǒng)的裝配、調(diào)試提供借鑒。受文獻[2]精度驗證試驗測量精度、頻次、測量位置分布的影響,本文測量數(shù)據(jù)分析計算精度略受影響,但不足以對所給出建議的有效性造成較大影響。