某車(chē)載火炮系統(tǒng)水平度測(cè)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(zhǔn)是雷達(dá)與火炮產(chǎn)品重要的工作基準(zhǔn),對(duì)其俯仰角和方位角精度有直接影響,尤其對(duì)俯仰角影響更大。獨(dú)立的雷達(dá)與火炮產(chǎn)品水平基準(zhǔn)標(biāo)定方法已較為成熟,但集成了雷達(dá)的新型火炮武器系統(tǒng)因缺乏成熟的標(biāo)定方法,在產(chǎn)品試驗(yàn)中常出現(xiàn)雷達(dá)與火炮水平基準(zhǔn)不一致影響武器系統(tǒng)精度指標(biāo)的問(wèn)題;其原因一般可歸結(jié)為火炮武器系統(tǒng)安裝雷達(dá)時(shí)水平基準(zhǔn)傳遞出現(xiàn)問(wèn)題,即雷達(dá)在火炮武器系統(tǒng)上水平基準(zhǔn)標(biāo)定精度不足或方法不正確。

文獻(xiàn)[2]對(duì)某車(chē)載火炮武器系統(tǒng)檢飛試驗(yàn)中出現(xiàn)的“跟蹤雷達(dá)俯仰測(cè)角精度超差”問(wèn)題進(jìn)行了分析,確定問(wèn)題原因后采取措施對(duì)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了補(bǔ)償方法的可行性。本文作者曾參與該武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)水平基準(zhǔn)標(biāo)定工作,通過(guò)對(duì)雷達(dá)水平度檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析,分析結(jié)論與建議可以對(duì)解決該武器系統(tǒng)雷達(dá)俯仰測(cè)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(dá)俯仰零位水平度誤差測(cè)量試驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

某車(chē)載火炮武器系統(tǒng)由火炮、雷達(dá)、火控計(jì)算機(jī)及拖車(chē)底盤(pán)等部分構(gòu)成,其中雷達(dá)系統(tǒng)集成了光電設(shè)備,雷達(dá)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(shí),雷達(dá)完成目標(biāo)探測(cè),跟蹤,提供目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)實(shí)時(shí)高精度坐標(biāo)信息;火控計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化,完成射擊諸元解算,并控制火炮隨動(dòng)指向未來(lái)點(diǎn),雷達(dá)伺服系統(tǒng)在火炮隨動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng);拖車(chē)底盤(pán)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(dá)跟蹤天線(xiàn)座內(nèi)部也安裝了水平傳感器用于對(duì)雷達(dá)方位軸回轉(zhuǎn)平面水平度進(jìn)行測(cè)量。

1.2 雷達(dá)俯仰零位標(biāo)定

圖1顯示該武器系統(tǒng)存在火力回轉(zhuǎn)軸與雷達(dá)跟蹤回轉(zhuǎn)軸兩根回轉(zhuǎn)軸線(xiàn),兩回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)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(dāng)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(shí)際上由于調(diào)平傳感器精度、基準(zhǔn)標(biāo)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(zhǔn)雷達(dá)俯仰角的基準(zhǔn),武器系統(tǒng)水平度誤差會(huì)對(duì)雷達(dá)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(chē)體調(diào)平的基礎(chǔ)上對(duì)雷達(dá)俯仰零位進(jìn)行標(biāo)定。首先,以火炮安裝面上調(diào)平傳感器為基準(zhǔn)對(duì)武器系統(tǒng)車(chē)體進(jìn)行調(diào)平,要求橫向與縱向傳感器水平度不大于2′,即認(rèn)為雷達(dá)安裝面水平度滿(mǎn)足要求;然后,在該狀態(tài)下進(jìn)行雷達(dá)俯仰零位的標(biāo)定,一般通過(guò)經(jīng)緯儀與雷達(dá)光軸對(duì)瞄方式完成俯仰零位標(biāo)定。通過(guò)標(biāo)定流程可以發(fā)現(xiàn),車(chē)體調(diào)平水平度、火炮回轉(zhuǎn)面與雷達(dá)回轉(zhuǎn)面平行度、炮塔方位軸隙晃動(dòng)、雷達(dá)方位軸隙晃動(dòng)等多種因素均會(huì)影響雷達(dá)俯仰零位標(biāo)定。

1.3 雷達(dá)俯仰零位水平度誤差測(cè)量試驗(yàn)

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

1)采用經(jīng)緯儀與雷達(dá)光軸對(duì)瞄方式檢查雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差,在距離雷達(dá)100m以遠(yuǎn)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(gè)雷達(dá)檢飛典型位置,一般情況下經(jīng)緯儀架設(shè)高度低于雷達(dá)光軸位置,用經(jīng)緯儀盤(pán)左與盤(pán)右分別與雷達(dá)光軸對(duì)瞄,讀取并記錄雷達(dá)俯角及經(jīng)緯儀仰角;將雷達(dá)仰角與經(jīng)緯儀仰角數(shù)據(jù)取反后計(jì)算雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平的誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄計(jì)算誤差結(jié)果[2]

2)讀取雷達(dá)天線(xiàn)座內(nèi)水平傳感器數(shù)據(jù),計(jì)算雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)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(gè)雷達(dá)檢飛典型位置,讀取并記錄雷達(dá)天線(xiàn)與火炮同向(0mil)與反向(3000mil)兩位置時(shí)天線(xiàn)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(duì)應(yīng)火炮方位雷達(dá)俯仰零位水平誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 雷達(dá)水平傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算誤差結(jié)果[2]

文獻(xiàn)[2]對(duì)兩組試驗(yàn)水平誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析,比對(duì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩組試驗(yàn)計(jì)算誤差比對(duì)

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

文獻(xiàn)[2]未對(duì)雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平誤差超差進(jìn)行更深入分析,進(jìn)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(dá)水平傳感器數(shù)據(jù)修正雷達(dá)俯仰零位的措施,在批量生產(chǎn)階段這會(huì)增加武器系統(tǒng)調(diào)試的復(fù)雜度,可能也會(huì)影響雷達(dá)或火炮俯仰基準(zhǔn)的一致性;本文嘗試對(duì)文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析,以定位引起雷達(dá)雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平誤差超差的前端原因并給出具體改進(jìn)建議。

2 水平度誤差測(cè)量數(shù)據(jù)重新分析

2.1 水平度測(cè)量數(shù)據(jù)擬合分析方法

裝備回轉(zhuǎn)面不水平時(shí),安裝于回轉(zhuǎn)面之上的水準(zhǔn)器的氣泡就會(huì)來(lái)回竄動(dòng);對(duì)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(cè)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(xiàn)即可得到調(diào)平誤差曲線(xiàn),該誤差曲線(xiàn)包括了裝備調(diào)平誤差及方位軸隙晃動(dòng)量[3]。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,可以單獨(dú)分離出調(diào)平誤差,該誤差服從正弦規(guī)律,通過(guò)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Math CAD軟件[4],建立正弦曲線(xiàn)擬合方程為

F(X)=a·sin(x.deg+b.deg)+c

(1)

調(diào)平誤差正弦曲線(xiàn)頻率一般固定置為1,該方程仍包括3個(gè)未知項(xiàng),無(wú)法使用常規(guī)計(jì)算求解,使用最小二乘法進(jìn)行數(shù)值求解,可達(dá)到較高的計(jì)算精度;對(duì)曲線(xiàn)參數(shù)進(jìn)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(xiàn)方程參數(shù)為

(2)

其中參數(shù)a為曲線(xiàn)幅值,表示調(diào)平誤差大小;參數(shù)b為曲線(xiàn)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(xiàn)中線(xiàn)位置,表示測(cè)量面與回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的垂直度誤差。

2.2 雷達(dá)俯仰零位水平度誤差測(cè)量數(shù)據(jù)擬合分析

將表1經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄測(cè)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(jìn)行調(diào)平誤差正弦曲線(xiàn)擬合計(jì)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(jì)算值繪制調(diào)平誤差曲線(xiàn)如圖3所示。

雷達(dá)與經(jīng)緯儀對(duì)瞄試驗(yàn)時(shí),火炮進(jìn)行方位旋轉(zhuǎn),雷達(dá)相對(duì)火炮方位保持不變,得到的俯仰零位誤差是通過(guò)雷達(dá)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(dòng)及等微小影響,等效于通過(guò)雷達(dá)光軸以雷達(dá)俯仰角軸角編碼系統(tǒng)作為測(cè)角傳感器對(duì)火炮方位回轉(zhuǎn)面水平度的測(cè)量。

通過(guò)最小二乘計(jì)算得到的曲線(xiàn)參數(shù)和擬合曲線(xiàn)可看出:

1)車(chē)載火炮系統(tǒng)拖車(chē)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(guò)2.8′,系統(tǒng)調(diào)平誤差超過(guò)允許值。

2)雷達(dá)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(duì)雷達(dá)水平傳感器在火炮不同方位指向的讀數(shù)進(jìn)行分析,以表2 雷達(dá)與火炮同向數(shù)據(jù)計(jì)算得到:

根據(jù)各參數(shù)計(jì)算值繪制調(diào)平誤差曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 雷達(dá)水平傳感器(與火炮同向)讀數(shù)擬合曲線(xiàn)

將雷達(dá)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(jì)算結(jié)果與擬合曲線(xiàn)。

通過(guò)最小二乘計(jì)算得到的曲線(xiàn)參數(shù)和擬合曲線(xiàn)可看出:

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

2)雷達(dá)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(duì)雷達(dá)俯仰零位水平度誤差測(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)果的推定

根據(jù)2.2中對(duì)經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄誤差及雷達(dá)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(chē)載火炮系統(tǒng)拖車(chē)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(yàn)證了車(chē)載火炮系統(tǒng)調(diào)平精度超差。

2)通過(guò)比對(duì)經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄及雷達(dá)水平傳感器誤差數(shù)據(jù),雷達(dá)俯仰零位及雷達(dá)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(dá)俯仰零位及雷達(dá)水平傳感器安裝面平行度誤差為:

Δ=(-1.621)-(-0.657)=0.964(mil)

雷達(dá)俯仰零位在雷達(dá)調(diào)試過(guò)程中一般通過(guò)將雷達(dá)調(diào)平后與經(jīng)緯儀對(duì)瞄的方式進(jìn)行標(biāo)定,該誤差值顯示,在該車(chē)載火炮系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中存在雷達(dá)俯仰零位標(biāo)定誤差過(guò)大問(wèn)題,導(dǎo)致雷達(dá)俯仰零位與雷達(dá)水平傳感器之間產(chǎn)生了約1mil誤差。

火炮系統(tǒng)拖車(chē)底盤(pán)調(diào)平精度、雷達(dá)方位回轉(zhuǎn)軸與炮塔方位回轉(zhuǎn)軸平行度、雷達(dá)俯仰軸角編碼器測(cè)角精度、雷達(dá)光軸與電軸匹配精度、車(chē)載火炮武器系統(tǒng)調(diào)平裝置支撐剛性等因素,均對(duì)在車(chē)載火炮系統(tǒng)上標(biāo)定雷達(dá)俯仰零位有較大影響。其中雷達(dá)俯仰軸角編碼器測(cè)角精度、雷達(dá)光軸與電軸匹配精度在雷達(dá)研制單位已進(jìn)行過(guò)嚴(yán)格測(cè)試并驗(yàn)證精度,車(chē)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(jì)、制造完成后已基本確定。因此建議針對(duì)火炮系統(tǒng)拖車(chē)底盤(pán)調(diào)平精度、雷達(dá)方位回轉(zhuǎn)軸與炮塔方位回轉(zhuǎn)軸平行度進(jìn)行控制,保證在車(chē)載火炮系統(tǒng)上標(biāo)定雷達(dá)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(duì)該車(chē)載火炮系統(tǒng)調(diào)平裝置水平傳感器精度進(jìn)行檢查驗(yàn)證,再次對(duì)火炮系統(tǒng)拖車(chē)底盤(pán)進(jìn)行精確調(diào)平;

2)在雷達(dá)隨方位轉(zhuǎn)動(dòng)部位上選擇測(cè)量面(接近水平面)放置水平儀,進(jìn)行以下測(cè)量與計(jì)算[5]:

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

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

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

④ 對(duì)①、②兩次測(cè)量計(jì)算得到的誤差絕對(duì)值求差即為雷達(dá)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(dá)安裝基準(zhǔn)面加裝調(diào)整墊等方式進(jìn)行調(diào)整。

3)使用經(jīng)緯儀對(duì)瞄等方法在車(chē)載火炮系統(tǒng)上重新進(jìn)行雷達(dá)俯仰零位標(biāo)定。

以上措施在某自行火炮武器系統(tǒng)上已進(jìn)行過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證,通過(guò)以上措施預(yù)期可減小雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平誤差,保證雷達(dá)俯仰基準(zhǔn)標(biāo)定精度,在該車(chē)載火炮武器系統(tǒng)后期調(diào)試過(guò)程中通過(guò)檢飛試驗(yàn)可進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

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