有關(guān)光電頭盔瞄準(zhǔn)具的誤差校正方法

臧 賾，陶忠祥

(空軍航空大學(xué) 軍械系，長春 130000)

頭盔瞄準(zhǔn)具是裝在飛行員頭盔上的一種瞄準(zhǔn)裝置，它使用方便、瞄準(zhǔn)迅速、能充分發(fā)揮人的作用，根據(jù)具體裝備的功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)的不同有不同的名稱，但其目的是一樣的。隨著飛行員的頭部轉(zhuǎn)動，測量裝置可以實時測量瞄準(zhǔn)線相對于飛機(jī)正方向的角度，然后根據(jù)該角度控制導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭對準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行發(fā)射。我軍戰(zhàn)機(jī)裝備的光電頭盔瞄準(zhǔn)具有多個型號，既有國產(chǎn)的也有進(jìn)口的，但這些瞄準(zhǔn)具的目標(biāo)角坐標(biāo)測量原理均相同，所不同的僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子處理系統(tǒng)。由于此種光電頭盔瞄準(zhǔn)具的工作原理比較復(fù)雜，使得其測量精度受到多種因素的影響，精度的調(diào)整過程復(fù)雜，難以在部隊真正有效實施，戰(zhàn)時情況下會嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用。本文針對其基線誤差、測角原理誤差，這些由十棱鏡轉(zhuǎn)軸的非共面偏轉(zhuǎn)引起的誤差現(xiàn)象作了具體分析，并提出了校正的理論公式和方案。

1 基線校正

基線是指2 個掃描裝置同時掃描到某一個發(fā)光二極管時，2 條掃描光線在十棱鏡反射面上的反射點之間的連線(如圖1 所示)。實際的基線值就是這2 點之間的距離，它隨十棱鏡的轉(zhuǎn)動而不斷變化，是進(jìn)行誤差校正時必須校正的一個重要參數(shù)。

圖1 基線形成過程示意圖

在工程實踐中要考慮工程誤差。理論上的掃描部件是一個無限細(xì)的軸，而實際上掃描棱鏡是一個電機(jī)帶動的實體多面棱鏡。當(dāng)掃描接收線掃過不同的角度時，各掃描線并不一直相交于一點。

因此，在計算K 值時，無法確定固定值基線長度。所以基線長度是動態(tài)變化的，但無論如何變化，都要保證輻射管投影點坐標(biāo)的計算要在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，所以，當(dāng)基線位置改變時，還要對坐標(biāo)修正(如圖2 所示)。

圖2 基線校正原理框圖

基線的位置規(guī)定為:

任意時刻

修正后的基線長度

通過上面的分析可以看出，在不考慮其他因素影響的條件下，頭盔瞄準(zhǔn)具測角誤差主要來自對于基線長的計算誤差。而此誤差是由計算原理公式的不正確引起的，屬于系統(tǒng)誤差。該誤差通過函數(shù)傳遞，最終在方位角和俯仰角的結(jié)果中產(chǎn)生了函數(shù)誤差。設(shè)基線長為L，則方位角γ 可表示為γ=f(L)。則根據(jù)高等數(shù)學(xué)可知，其增量可用函數(shù)的全微分表示，即假設(shè)測量基線時的系統(tǒng)誤差為ΔL，由于該誤差值較小，可用來近似代替微分量dL，從而得到函數(shù)的系統(tǒng)誤差Δγ 近似為

因此有，

從而

測量基線長所產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差

其中Δγ 的值可以通過經(jīng)緯儀測量出的標(biāo)準(zhǔn)方向角的值和頭瞄計算出的方向角的差值確定。這樣通過一系列的推導(dǎo)，便計算出了工程實現(xiàn)過程中系統(tǒng)誤差的大小。根據(jù)計算出的誤差值反帶回方位角和俯仰角的理論計算公式便可計算出由基線長所產(chǎn)生的方位角和俯仰角計算誤差大小。

2 測角校正

測角原理是指確定頭盔觀測裝置上的3 個紅外發(fā)光二極管，相對于掃描裝置軸YCA、YCB所轉(zhuǎn)過輻射源方位角的原理。

掃描裝置的電動機(jī)通過減速齒輪帶動十棱鏡、活動分度盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)活動分度盤和固定分度盤標(biāo)線不斷地對準(zhǔn)時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被光敏二極管接收，電路中即產(chǎn)生出2組1°讀數(shù)脈沖和1 組36°基準(zhǔn)脈沖。這些脈沖信號經(jīng)過隨動裝置電路處理，最后得到呈矩形波的1°A、36°A、1°B、36°B讀數(shù)、基準(zhǔn)脈沖序列。

當(dāng)十棱鏡轉(zhuǎn)動時，其反射面依次掃過掃描區(qū)。也就是其瞬時視場依次掃過形成水平60°、垂直35°的掃描視場。十棱鏡每轉(zhuǎn)過1 周，將完成10 次掃描。當(dāng)瞬時視場掃描到頭盔觀測裝置上的某個紅外發(fā)光二極管時，該管輻射的紅外脈沖就會進(jìn)入掃描裝置的光學(xué)系統(tǒng)，而被光敏接收器接收到;電路中即產(chǎn)生出脈沖信號，再經(jīng)主通道放大器處理最后得到測量脈沖序列SA、SB。測量脈沖序列SA、SB中，包含有3 個紅外發(fā)光二極管輻射紅外脈沖的響應(yīng)信號。脈沖序列1°A、36°A、1°B、36°B、SA、SB，輸給電子裝置，經(jīng)電子裝置電路處理，從SA、SB中區(qū)分開分別屬于3 個紅外發(fā)光二極管的掃描脈沖序列SKA1～SKA3、SKB1～SKB3和有用信號SA1～SA3、SB1～SB3，并判明有用信號中心相對應(yīng)的十棱鏡反射面所轉(zhuǎn)過角度αAi、αBi。

由于十棱鏡反射面的非共面定軸轉(zhuǎn)動，使得十棱鏡中心實際位置與理論位置及虛擬位置產(chǎn)生了一定的偏差，如圖3所示。

圖3 測角原理誤差的產(chǎn)生示意圖

圖3 表明該型頭盔瞄準(zhǔn)具為掃描3 個發(fā)光二極管輻射的紅外信號，采用2 個垂直軸相距OAOB= L0、內(nèi)切圓半徑r=19 mm 的十面棱鏡的機(jī)電掃描儀，稱L0為頭位測量基線。

值得注意的是，由于十棱鏡反射面偏離轉(zhuǎn)軸19 mm，掃描測量時，非共面定軸轉(zhuǎn)動的反射面，在旋轉(zhuǎn)的同時會產(chǎn)生縱向和橫向位移，因此測量出的掃描角度并不是相對掃描裝置的軸線轉(zhuǎn)過的角度ΨAi、ΨBi，而是相對十棱鏡反射面中心轉(zhuǎn)過的角度φAi、φBi，這樣就會產(chǎn)生測量誤差，它對實際信號的產(chǎn)生和最后輸出角度的精度都有直接影響，因此需要根據(jù)掃描角度值進(jìn)行校正，以確保目標(biāo)方位角和目標(biāo)俯仰角計算精度。

測角校正的基本原理是在確定理論基線L0的前提下，根據(jù)掃描部件測定的φAi的值，確定出頭位測量數(shù)學(xué)模型所需要的ΨAi、ΨBi值。

如圖4 所示，OA、OB為左、右掃描部件十棱鏡回轉(zhuǎn)中心。發(fā)光二極管i 繞十棱鏡垂直軸轉(zhuǎn)過的角度為ΨAi、ΨBi，掃描部件測定的二極管輻射光線轉(zhuǎn)過的角度為φAi、φBi。發(fā)光二極管i 的輻射光線與OAXA、OBXB軸相交于eAi、eBi處。

圖4 測角校正原理框圖

利用式(3)～(8)，可求出頭盔位置的數(shù)學(xué)模型所需要的ΨAi、ΨBi。

3 結(jié)論與分析

根據(jù)系統(tǒng)誤差的相關(guān)理論計算出了基線長系統(tǒng)誤差ΔL，根據(jù)誤差傳遞原理，基線長誤差ΔL 經(jīng)函數(shù)傳遞最終產(chǎn)生了實際應(yīng)用中的方位角和俯仰角誤差。若ΔL 裝訂回頭盔瞄準(zhǔn)具系統(tǒng)中進(jìn)行重新計算，便可以得到補(bǔ)償后的方位角和俯仰角，從而完成了系統(tǒng)誤差的自動調(diào)整，整個自動調(diào)整過程如圖5 所示。

圖5 頭瞄系統(tǒng)誤差自動調(diào)整過程

對于光電式頭盔瞄準(zhǔn)具測量原理產(chǎn)生的基線誤差和測量角誤差的分析與提出的校正方案，都可以對部隊有關(guān)光電頭盔瞄準(zhǔn)具的研究和技術(shù)改造貢獻(xiàn)參考和建議。

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