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(dòng)，測量裝置可以實(shí)時(shí)測量瞄準(zhǔn)線相對(duì)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(duì)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(gè)型號(hào)，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(duì)真正有效實(shí)施，戰(zhàn)時(shí)情況下會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用。本文針對(duì)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(gè)掃描裝置同時(shí)掃描到某一個(gè)發(fā)光二極管時(shí)，2 條掃描光線在十棱鏡反射面上的反射點(diǎn)之間的連線(如圖1 所示)。實(shí)際的基線值就是這2 點(diǎn)之間的距離，它隨十棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷變化，是進(jìn)行誤差校正時(shí)必須校正的一個(gè)重要參數(shù)。

圖1 基線形成過程示意圖

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

因此，在計(jì)算K 值時(shí)，無法確定固定值基線長度。所以基線長度是動(dòng)態(tài)變化的，但無論如何變化，都要保證輻射管投影點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算要在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，所以，當(dāng)基線位置改變時(shí)，還要對(duì)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(shí)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(duì)于基線長的計(jì)算誤差。而此誤差是由計(jì)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(shí)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(jì)算出的方向角的差值確定。這樣通過一系列的推導(dǎo)，便計(jì)算出了工程實(shí)現(xiàn)過程中系統(tǒng)誤差的大小。根據(jù)計(jì)算出的誤差值反帶回方位角和俯仰角的理論計(jì)算公式便可計(jì)算出由基線長所產(chǎn)生的方位角和俯仰角計(jì)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(gè)紅外發(fā)光二極管，相對(duì)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(dòng)機(jī)通過減速齒輪帶動(dòng)十棱鏡、活動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)活動(dòng)分度盤和固定分度盤標(biāo)線不斷地對(duì)準(zhǔn)時(shí)，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(hào)經(jīng)過隨動(dòng)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(dòng)時(shí)，其反射面依次掃過掃描區(qū)。也就是其瞬時(shí)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(shí)視場掃描到頭盔觀測裝置上的某個(gè)紅外發(fā)光二極管時(shí)，該管輻射的紅外脈沖就會(huì)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(hào)，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(gè)紅外發(fā)光二極管輻射紅外脈沖的響應(yīng)信號(hào)。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(gè)紅外發(fā)光二極管的掃描脈沖序列SKA1～SKA3、SKB1～SKB3和有用信號(hào)SA1～SA3、SB1～SB3，并判明有用信號(hào)中心相對(duì)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(dòng)，使得十棱鏡中心實(shí)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(gè)發(fā)光二極管輻射的紅外信號(hào)，采用2 個(gè)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(shí)，非共面定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的反射面，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)會(huì)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(duì)掃描裝置的軸線轉(zhuǎn)過的角度ΨAi、ΨBi，而是相對(duì)十棱鏡反射面中心轉(zhuǎn)過的角度φAi、φBi，這樣就會(huì)產(chǎn)生測量誤差，它對(duì)實(shí)際信號(hào)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(dòng)調(diào)整，整個(gè)自動(dòng)調(diào)整過程如圖5 所示。

圖5 頭瞄系統(tǒng)誤差自動(dòng)調(diào)整過程

對(duì)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(duì)部隊(duì)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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