車載炮長鏡瞄準線間接穩定技術

李穎娟,紀 明,侯春屏,陳 穎

(西安應用光學研究所,西安 710065)

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車載炮長鏡瞄準線間接穩定技術

李穎娟,紀 明,侯春屏,陳 穎

(西安應用光學研究所,西安 710065)

為了探索一種炮長鏡瞄準線間接穩瞄技術,分析了傳統車載炮長鏡直接穩定控制的優缺點。在此基礎上提出了基于車載慣性導航設備的炮長鏡間接穩定方法。將車載慣性導航設備輸出的車體姿態信息通過坐標轉換得到炮長鏡的擾動速率信息并送給瞄準線控制單元,控制炮長鏡瞄準線相對慣性空間保持穩定。對車載炮長鏡間接穩定技術的穩瞄性能進行了實驗驗證,實驗結果表明該方法是正確與實用的,與直接穩定方法相比達到了同樣的穩瞄精度。

炮長鏡;陀螺;間接穩定;瞄準線

0 引言

炮長鏡是坦克火控系統的主要分系統,需承擔靜止和行進間對敵方目標搜索、穩定瞄準、跟蹤和測距,為火控系統提供必需的信息諸元。炮長鏡穩定的目的是把炮長鏡瞄準線穩定在慣性空間,實現炮長的動態觀察與瞄準。目前采用的兩軸速率陀螺敏感外界擾動直接穩定反射鏡的方式存在以下問題:1)在有陀螺的車載炮長鏡穩瞄系統中,由于陀螺的耐沖擊性能比較差,是一個易損件,在試驗和裝調中以及火炮射擊時經常損壞,導致炮長鏡的可靠性差;2)在有陀螺的車載炮長鏡穩瞄系統中,由陀螺來獲取炮長鏡姿態角變化,并根據陀螺的輸出信號對瞄準線進行穩定控制。但由于陀螺是一種敏感元件,在惡劣路況和較高車速條件下陀螺的精度會變差,導致瞄準線漂移比較大;3)采用撓性陀螺由于需經受高過載炮射沖擊,選用陀螺的制造成本高,選用光纖陀螺則因體積和成本等因素也會造成使用限制。為此,文中提出了一種車載炮長鏡瞄準線間接穩定控制方法,以解決現有車載炮長鏡穩瞄控制所存在的問題。

1 炮長鏡瞄準線直接穩定原理簡介

炮長鏡穩定的傳統控制方法是將陀螺安裝于穩定平臺內,利用陀螺敏感到的瞄準線相對于慣性空間的絕對速率來實現穩定。國內外的炮長鏡伺服穩定瞄準鏡普遍采用陀螺敏感擾動,用伺服電機來驅動被穩光學零件,穩定頭部的反射平面鏡[1-4]。

圖1為傳統車載炮長鏡穩瞄系統的構成原理示意圖[5]。在該炮長鏡中,俯仰旋轉變壓器4、俯仰電機3和兩軸速率陀螺2均安裝在俯仰框架1的第一俯仰軸5上,而反射鏡6安裝在俯仰框架1的第二俯仰軸7上,第一、第二俯仰軸5、7通過一個2∶1傳動機構8連接。俯仰框架1安裝在炮長鏡的方位軸9上。方位旋轉變壓器10和方位電機11安裝在方位軸9上。兩軸速率陀螺2敏感載體在方位和俯仰兩個自由度上的慣性速度;伺服系統以兩軸速率陀螺2的信號為輸入,經濾波、放大校正后,驅動方位電機11和俯仰電機4轉動,產生的控制力矩經伺服控制器分別帶動方位軸和第一俯仰軸運動,補償載體運動,保持兩個軸系相對慣性空間穩定;方位的慣性穩定能夠保證瞄準線在方位方向的穩定,而俯仰軸的運動則通過2∶1傳動機構8帶動反射鏡6轉動,以滿足瞄準線轉動角量為反射鏡6轉動角兩倍的運動關系,從而實現瞄準線13的穩定。

圖1 傳統車載炮長鏡穩瞄系統的構成原理圖

2 炮長鏡瞄準線間接穩定原理

炮長鏡穩定需要慣性測量信息作為反饋,而一般的坦克裝甲車輛上都裝有慣性導航設備[6]。車載炮長鏡瞄準線間接穩定技術是指陀螺是虛擬的,慣性器件間接敏感炮長鏡反射鏡的軸系角運動而獲取測量信息,來實現炮長鏡穩定。如圖2。

圖3為車載炮長鏡間接穩瞄控制原理圖。從圖中可以看出,炮長鏡的穩瞄控制系統分為電流控制單元和擾動量獲取單元,炮長鏡采用反射鏡穩定方案,而擾動量獲取單元則代替了圖1中傳統炮長鏡的兩軸速率陀螺。由于從慣性導航設備基坐-炮塔-炮長鏡基坐為剛性傳遞,所以慣性導航設備、炮長鏡和炮塔平臺受到車體的擾動是一致的。因此,擾動量獲取單元的主要任務是,根據炮長鏡框架上安裝的方位旋轉變壓器和俯仰旋轉變壓器反饋的反射鏡相對炮塔平臺的方位角位置信息和俯仰角位置信息,結合導航單元輸出的車體姿態信息,解算出炮長鏡中反射鏡鏡體相對于慣性空間的角速率擾動信息,并將該擾動信息送給瞄準線穩定控制單元的加法器,以參與瞄準線的穩定控制。但是,炮塔坐標系和導航系統參考坐標系不一致,必須經過一個坐標轉換才能獲得炮塔坐標系上的擾動量。文中所涉及的坐標系有:導航坐標系IMU系;慣性坐標系i系,炮塔平臺坐標系P系,炮長鏡坐標系PZ系。

圖2 坦克上光電系統安裝示意圖

圖3 車載炮長鏡間接穩瞄控制原理圖

2.1 炮塔慣性擾動量獲取

根據工作原理,如果已知t時刻慣性導航系統輸出的實時方位角度為α、俯仰角度為β、橫滾角度為γ;并且已知IMU慣性導航系統相對炮塔的位置關系為方位角度α1、俯仰角度β1,采用東北天坐標系。如果在安裝時保證α1=0,β1=0的情況下,得到IMU慣性導航系統到炮塔坐標系統的坐標轉換關系為:

(1)

則在t時刻,IMU導航系統到炮塔坐標系統的坐標轉換關系為:

(2)

且有:

(3)

假設在t時刻,IMU慣性導航系統的擾動量為Wi,此時炮塔坐標系上的3個方向上的擾動量為Wc,且有式(4)的解算關系:

(4)

這樣解算得到炮塔慣性擾動量,但是炮塔穩定只有方位軸的穩定,也就是炮塔的慣性擾動量為:Wcz=Wc(3)。

2.2 炮長鏡慣性擾動量獲取

由于炮長鏡安裝在炮塔上,因此它受到的擾動和炮塔受到的擾動是一致的,也就是炮塔擾動可以通過坐標轉換傳遞給炮長鏡,供炮長鏡的穩定用。炮長鏡的穩定是間接穩定,也就是炮長鏡原來需要陀螺測量的量,通過慣性導航系統來測量,再經過一定的轉換,而得到炮長鏡的慣性擾動量。

假設在t時刻,炮長鏡相對炮塔位置發生了角度變化,分別為方位角度變化為α3,俯仰角度變化為β3,則通過炮塔坐標系傳遞到炮長鏡坐標系的轉換關系為:

(5)

則在t時刻,IMU慣性導航系統的擾動量為Wi,炮塔坐標系上的擾動量為Wc,此時炮長鏡上原來三軸陀螺的實際輸入量為WPZ,且有:

(6)

而實際上,炮長鏡上僅采用了兩個陀螺的輸出

量,即方位陀螺敏感方位變化角速度,俯仰陀螺敏感俯仰角度變化的變化量。因此,可以得到炮長鏡方位向慣性擾動量輸出量為WPZ(3);俯仰向慣性擾動量的輸出量為WPZ(1)。

2.3 炮長鏡控制方法

從上面的推導可以看出t時刻地理變化對車體的擾動量可以轉化到對炮長鏡的擾動量上去。由于炮長鏡的變化只有方位和俯仰,所以炮長鏡相對慣性空間的方位擾動量為WPZ(3),俯仰擾動量為WPZ(1)。將方位和俯仰擾動量分別除以數據采樣時間間隔Δt,可得到如圖3中所示的炮長鏡相對慣性空間的方位方向的擾動速率ωx和俯仰方向的擾動角速率ωy,即炮長鏡虛擬陀螺的擾動速率。

將計算出的ωx、ωy分別送入瞄準線穩定控制單元參與炮長鏡穩定控制。炮長鏡受到的方位擾動速率ωx和俯仰擾動速率ωy與方位指令vx和俯仰指令vy取差,得到方位誤差信號ex=vx-ωx和俯仰誤差信號ey=vy-ωy并送入校正模塊。可以看出經過取差后的控制信號抵消掉了外界對炮長鏡的擾動,可以保證炮長鏡瞄準線保持慣性穩定。

3 實驗驗證

3.1 炮長鏡慣性擾動量獲取驗證

為了測試炮長鏡的間接穩瞄性能而進行了實驗,系統安裝位置如圖4所示,慣性導航系統、電子箱和炮長鏡都放置在地面上,采用電纜進行連接。其中炮長鏡的第一俯仰軸上安裝有兩只單自由度速率陀螺,用來驗證通過數學方法獲取炮長鏡擾動量的正確性。

圖4 系統安裝位置示意圖

測試方法:炮長鏡方位與俯仰軸同時擾動情況下,在信號處理板的輸出端利用示波器表筆同時觀測炮長鏡方位和俯仰陀螺直接輸出,以及采用坐標轉換的方式間接得到的炮長鏡方位和俯仰向擾動信號輸出。把采用陀螺直接獲得的炮長鏡的擾動量與間接方法獲取的擾動量進行對比,對比曲線如圖5。圖中:通道1直接獲取的俯仰速率信號;通道2直接獲取的方位速率信號;通道3間接獲取的俯仰速率信號;通道4間接獲取的方位速率信號。從圖中可以看到在炮長鏡受到外界擾動的情況下,通過間接方式和直接方式獲取的炮長鏡方位向和俯仰向的擾動信號變化一致。

圖5 炮長鏡方位與俯仰同時擾動條件下直接方式和間接方式獲取的擾動信號對比

3.2 炮長鏡間接穩瞄功能驗證

為了驗證炮長鏡的間接瞄準線穩定性能,在系統樣機上進行了跑車實驗。測試條件為:在時速20 km/h,靶場自然道路條件下。在實驗過程中將瞄準線對應某一目標點,測試在跑車過程中瞄準線偏離目標點的程度。實驗結果如圖6所示。根據統計學原理計算測試數據的標準方差,計算得出方位向穩定精度和俯仰向穩定精度均小于0.2 mrad,與采用陀螺直接進行炮長鏡瞄準線穩定達到同樣的精度。

圖6 車載炮長鏡瞄準線間接穩定跑車實驗結果

4 結論

文中利用車載慣性導航設備輸出的車體姿態信息,通過坐標轉換的方法解算得到車載炮長鏡瞄準線相對慣性空間的擾動量,將該角速率擾動信息輸送到炮長鏡穩瞄控制系統參與穩定控制,實現了車載炮長鏡瞄準線間接穩定功能。從跑車試驗結果看間接穩定技術的穩定精度小于0.2 mrad,該方法切實可行。

炮長鏡間接穩瞄控制技術通過軟件實時解算炮長鏡受到的擾動角速率,不需要增加任何硬件資源便可以為車載炮長鏡提供必要的角速率數據,具有快速、簡單、解算精度高和成本低等優點。

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Indirect Line-of-sight Stabilization Technique of Vehicular Gunner’s Periscopic Sight

LI Yingjuan,JI Ming,HOU Chunping,CHEN Ying

(Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

In order to explore an indirect line-of-sight stabilization technology of vehicular gunner’s periscopic sight, advantages and disadvantages of traditional direct stabilization method were analyzed. On the basis of this, a method of indirect LOS stabilization based on inertial navigation equipment was proposed. From the output of inertial navigation equipment on land vehicle, the attitude information of vehicle could be achieved, and the disturbance information of gunner’s periscopic sight was obtained by coordinate transformation from the attitude information. Then the disturbance information was sent to LOS control unit to keep the LOS be relatively stable to the inertial space. Experiments were taken to validate indirect LOS stabilization ability of vehicular gunner’s periscopic sight. The experiments results show that the method is correct and practical, and has the same precision with the direct LOS stabilization method.

gunner’s periscopic sight; gyroscope; indirect stabilization; line of sight

2014-08-08

“十二五”總裝備部重點項目資助。

李穎娟(1981-),女,陜西戶縣人,高級工程師,研究方向:慣性導航技術。

U666.1

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