一種消除瞄準(zhǔn)線漂移的實(shí)現(xiàn)方法

薛媛元，陳文建，張夏疆，許開鑾，康　臻，楊　萌

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安　710065）

一種消除瞄準(zhǔn)線漂移的實(shí)現(xiàn)方法

薛媛元，陳文建，張夏疆，許開鑾，康臻，楊萌

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安710065）

由地球自轉(zhuǎn)引起的瞄準(zhǔn)線漂移是坦克火控面臨的棘手問題。提出了一種基于慣性姿態(tài)信息的瞄準(zhǔn)線漂移抑制方法，借助車載慣導(dǎo)系統(tǒng)，獲得瞄準(zhǔn)鏡的地理坐標(biāo)和姿態(tài)信息，計(jì)算出地球自轉(zhuǎn)角速率在瞄準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系上的分量。伺服系統(tǒng)依此向兩個(gè)方向的控制通道增加補(bǔ)償值，由此抵消地球自轉(zhuǎn)的影響，乘員就會(huì)感到瞄準(zhǔn)線始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，而不會(huì)產(chǎn)生偏離，因而省去了頻繁調(diào)整的工作。該方法既可用于坦克作戰(zhàn)訓(xùn)練，也可用于機(jī)載或艦載穩(wěn)瞄裝置的調(diào)試。

穩(wěn)瞄系統(tǒng)，慣性姿態(tài)信息，瞄準(zhǔn)線漂移，漂移補(bǔ)償抑制

0　引言

坦克在執(zhí)行設(shè)伏任務(wù)或光電火控系統(tǒng)進(jìn)行校軸時(shí)，車體靜止，瞄準(zhǔn)線需始終壓在一些靜止的特征點(diǎn)上，通常一兩分鐘，就會(huì)發(fā)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線漂離了目標(biāo)，若不采取措施，目標(biāo)就會(huì)漸漸地漂出視場。對(duì)一些高精度小視場的穩(wěn)瞄系統(tǒng)來說更為明顯，機(jī)載或艦載穩(wěn)瞄儀器在地面校軸時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。而瞄準(zhǔn)線漂移問題是坦克火控技術(shù)面臨的難題之一［1］。

引起瞄準(zhǔn)線漂移的原因主要有以下3個(gè)方面［2］：其一是由陀螺自身的零偏移造成的，常用軟件方式進(jìn)行補(bǔ)償；其二是由校正、放大電路零偏移造成的，可通過測試電路的各部分來綜合平衡輸出零位；其三是陀螺敏感到地球的自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)線漂移，亦稱之為“視在運(yùn)動(dòng)［3］”，而由其引起的瞄準(zhǔn)線漂移是傳統(tǒng)穩(wěn)瞄系統(tǒng)無法補(bǔ)償?shù)?。因此，即便是陀螺自身的漂移以及伺服電路零點(diǎn)漂移完全被補(bǔ)償，漂移現(xiàn)象也會(huì)存在。

目前，常用的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定方法大體可以分為以下兩種［4］：第1種方法是直接利用陀螺作為擾動(dòng)敏感器件進(jìn)行瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定。第2種方法是一種被稱之為“捷聯(lián)穩(wěn)定”的穩(wěn)定方式，其特點(diǎn)是將光電穩(wěn)定平臺(tái)上的陀螺從平臺(tái)上去掉，利用載體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的載體姿態(tài)角或角速率來控制光電跟蹤框架實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

上述兩種穩(wěn)瞄系統(tǒng)都可以做到瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定，且第1種方法在短時(shí)間內(nèi)可以很好的保證目標(biāo)不隨車體的運(yùn)動(dòng)而漂出視場或抖動(dòng)，但是由于陀螺敏感到的地球的自轉(zhuǎn)角速率被作為干擾力矩補(bǔ)償?shù)簦瑥亩鴮?dǎo)致了在車體及目標(biāo)都不動(dòng)的情況下卻發(fā)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線視場中的目標(biāo)不斷的漂移，且隨著時(shí)間的積累漂移不斷增大。通常解決這種漂移的方法是通過人工操作進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)試人員一般采用模擬器或綜顯裝置向穩(wěn)瞄系統(tǒng)逐次發(fā)送補(bǔ)償命令，直至人眼基本觀察不到瞄準(zhǔn)線移動(dòng)為止。但這種臨時(shí)調(diào)整無法解決根本問題。此外，由于人眼分辨力的限制，該方法補(bǔ)償精度不高、效率低，并且還需要一定的經(jīng)驗(yàn)才能完成［7］。第2種方法將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為了擾動(dòng)敏感器件，通過相關(guān)算法可能做到對(duì)地球自轉(zhuǎn)引起的漂移的補(bǔ)償，但是由于其通過姿態(tài)解算得到的角速率精度比直接通過陀螺獲得的角速率信息精度低，使得穩(wěn)瞄精度低且實(shí)時(shí)性差。

因此，如何保證在不影響穩(wěn)瞄精度的前提下抑制由地球自轉(zhuǎn)引起的瞄準(zhǔn)線漂移是穩(wěn)瞄系統(tǒng)需解決的一個(gè)問題。

1　實(shí)現(xiàn)方法

1.1實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

本方法在傳統(tǒng)火炮瞄準(zhǔn)鏡的基礎(chǔ)上，引入了慣性系統(tǒng)參數(shù)和瞄準(zhǔn)線漂移抑制算法，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息計(jì)算出由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的在穩(wěn)瞄平臺(tái)坐標(biāo)系上的角速率分量。穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息，實(shí)時(shí)地向兩個(gè)方向的瞄準(zhǔn)線控制通道增加補(bǔ)償值，由此抵消地球自轉(zhuǎn)的影響。

以某陸戰(zhàn)坦克光電穩(wěn)瞄裝置為例，該光電穩(wěn)瞄裝置含有用于支撐光電瞄準(zhǔn)具的光電穩(wěn)定平臺(tái)和穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)。光電穩(wěn)定平臺(tái)如圖1所示，采用兩軸兩框架結(jié)構(gòu)（即方位軸和俯仰軸、方位框架和俯仰框架），方位框架固連在車體基座上，俯仰框架通過方位軸固連在方位框架上。方位軸和俯仰軸上均安裝有穩(wěn)瞄執(zhí)行機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)變壓器。一個(gè)光電慣性組件支架通過俯仰軸固連在俯仰框架上，光電慣性組件支架在方位、俯仰和橫滾方向上均安裝有單自由度陀螺和加速度計(jì)，各陀螺及加速度計(jì)安裝時(shí)保證其敏感軸相互垂直。陀螺和加速度計(jì)輸出的信息就是穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)慣性坐標(biāo)系的角速度和線速度。

圖1　光電穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)包括穩(wěn)瞄控制單元、瞄準(zhǔn)線補(bǔ)償計(jì)算單元和驅(qū)動(dòng)單元。其中，穩(wěn)瞄控制單元和瞄準(zhǔn)線補(bǔ)償計(jì)算單元為軟件模塊，均嵌入在一個(gè)伺服計(jì)算機(jī)中，驅(qū)動(dòng)單元包括方位及俯仰向的功放和電機(jī)。

1.2漂移量的計(jì)算

根據(jù)坦克車載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輸出的地理坐標(biāo)系（東北天坐標(biāo)系）E下的車體姿態(tài)信息（，θ，η），采用以下公式計(jì)算從地理坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣Ceb：

采集光電穩(wěn)定平臺(tái)上的方位、俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出即光電穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)于車體的姿態(tài)角（α，β），計(jì)算出從車體坐標(biāo)系到光電穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣：

其中，α、β分別為光電穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)于車體的方位角、俯仰角。光電穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系P定義為：原點(diǎn)Op是兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心，OpXpYp平面平行于光電穩(wěn)定平臺(tái)參考基準(zhǔn)面，OpYp指向光電平臺(tái)零位時(shí)光電系統(tǒng)的指向方向（即鏡面法線方向），Zp軸垂直于OpXpYp平面，Xp軸與Yp、Zp軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。從地理坐標(biāo)系到光電穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣CeP可通過下式表達(dá)：

由地球相對(duì)慣性坐標(biāo)系的自轉(zhuǎn)角速率在光電穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系上的投影ωiep可表示為：

1.3控制方法及施加

驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)輸出的方位向、俯仰向的控制指令經(jīng)功放放大后產(chǎn)生控制量分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定回路，消除瞄準(zhǔn)線漂移。

2　試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)室測試系統(tǒng)組成如圖3所示。CCD攝像機(jī)固定在被測光電穩(wěn)瞄裝置上，用于圖像攝??；平行光管用來給測試系統(tǒng)提供光學(xué)瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)；升降臺(tái)用來調(diào)整平行光管的高度；搖擺臺(tái)用來產(chǎn)生仿真所需要的搖擺幅度和頻率；穩(wěn)瞄精度檢測裝置（圖像處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備）完成圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和結(jié)果輸出。

圖2　控制方法施加示意圖

圖3　試驗(yàn)室穩(wěn)瞄精度測試裝置組成圖

本文采用三軸慣性組件仿真測量系統(tǒng)完成室內(nèi)仿真測試，它能精確地模擬出車載武器平臺(tái)在行進(jìn)過程中的三維角運(yùn)動(dòng)，將其用過渡盤與穩(wěn)瞄慣導(dǎo)綜合體剛性連接。穩(wěn)瞄慣導(dǎo)綜合體瞄準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)平行光管，平行光管有十字分劃線，用穩(wěn)定精度測試儀將穩(wěn)瞄慣導(dǎo)綜合體的CCD視頻信號(hào)接入監(jiān)視器。試驗(yàn)裝置搭建如圖4、圖5所示：

圖4　試驗(yàn)裝置正面圖

圖5　試驗(yàn)裝置側(cè)面圖

圖6　瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定監(jiān)視圖

圖7　攝像機(jī)對(duì)角視場示意圖

穩(wěn)瞄監(jiān)視器顯示畫面如圖6所示。本系統(tǒng)選用的CCD攝像機(jī)對(duì)角視場示意圖如圖7所示。監(jiān)視器選擇PAL-D制式，即行同步信號(hào)頻率為15 625 Hz，場同步信號(hào)頻率為50 Hz。選擇10 MHz為視頻十字疊加系統(tǒng)時(shí)鐘，可計(jì)算得出一個(gè)十字像素點(diǎn)代表的角度分別為：水平視場δx=0.029 mrad，垂直視場δy= 0.045 mrad。穩(wěn)瞄試驗(yàn)開始時(shí)，帶有刻度的十字線對(duì)準(zhǔn)平行光管中心，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，通過平行光管偏離十字中心位置計(jì)算瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度及偏移量。

本試驗(yàn)?zāi)M坦克在時(shí)速20 km/h、靶場自然道路條件下（按某式坦克振動(dòng)譜），設(shè)計(jì)如下3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)根據(jù)搖擺臺(tái)不同搖擺幅度及搖擺頻率設(shè)計(jì)6個(gè)測試環(huán)境，每個(gè)環(huán)境下瞄準(zhǔn)軸均指向正前方，并雙向測試10 min。

第1組：方位向搖擺，俯仰向不動(dòng)，測試方位向穩(wěn)定精度，結(jié)果見表1；

第2組：俯仰向搖擺，方位向不動(dòng)，測試俯仰向穩(wěn)定精度，結(jié)果見表2；

第3組：方位俯仰同時(shí)搖擺，測試方位向和俯仰向穩(wěn)定精度，結(jié)果見表3。

表1　第1組各測試環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　第2組各測試環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3　第3組各測試環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在慣性組件仿真搖擺臺(tái)穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)，經(jīng)過10 min靜止?fàn)顟B(tài)測試，每過1 min記錄方位偏移εx和俯仰偏移εy，得出表4所示結(jié)果：

表4　靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)瞄準(zhǔn)線偏移量測試

通過以上測試可看出，搖擺臺(tái)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，方位穩(wěn)定精度及俯仰穩(wěn)定精度均不大于0.2 mrad；搖擺臺(tái)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，方位偏移及俯仰偏移亦小于0.2 mrad。由此驗(yàn)證了該方法有效的抑制了由地球自轉(zhuǎn)所引起的瞄準(zhǔn)線漂移。

3　結(jié)論

本方法在利用傳統(tǒng)陸戰(zhàn)坦克火炮控制中的穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)及控制回路的基礎(chǔ)上，只需借助慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息，并引進(jìn)適當(dāng)算法就可實(shí)現(xiàn)，無需引入額外儀器設(shè)備，使整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等特點(diǎn)。該方法不需要操作者手動(dòng)調(diào)整，就能從根本上解決了由于地球自轉(zhuǎn)而引起的瞄準(zhǔn)線漂移問題，避免了因人眼分辨力的限制造成的補(bǔ)償精度不高且操作頻繁的問題，從而使穩(wěn)定平臺(tái)的瞄準(zhǔn)效率及精度得到顯著提高。此外，補(bǔ)償量的施加既能適應(yīng)低速的瞄準(zhǔn)線漂移，又能適應(yīng)運(yùn)載體頻率較高的上下平移。

［1］羅兵，黃國忠.行進(jìn)間瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定技術(shù)［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12（2）：9-12.

［2］王惠林，紀(jì)明，齊華.一種新穎的瞄準(zhǔn)線高精度穩(wěn)定補(bǔ)償方法研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2001，22（5）：40-42.

［3］秦永元.慣性導(dǎo)航技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006：204-221.

［4］向世明，高教波，焦明印，等.現(xiàn)代光電子成像技術(shù)概論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：226-257.

［5］陳文建，紀(jì)明，易科.穩(wěn)瞄導(dǎo)航一體化技術(shù)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（1）：36-40.

［6］陳文建.穩(wěn)瞄慣導(dǎo)一體化技術(shù)研究［D］.西安：西安應(yīng)用光學(xué)研究所，2010：87-98.

［7］MICHAEL.A comparison of inertial line-of-sight stabilization techniques using mirrors［J］.SPIE，2004，5430：13-22.

A Realization Method for Eliminating the LOS Drift

XUE Yuan-yuan，CHEN Wen-jian，ZHANG Xia-jiang，XU Kai-luan，KANG Zhen，YANG Meng
（Xi'an Institute of Applied Optical，Xi'an 710065，China）

The LOS drift caused by the earth's rotation is a knotty problem to the tank fire control system.A LOS drift suppression method based on inertial system parameters is proposed.By virtue of the vehicle inertial system，geographic coordinates and attitude information of aiming mirror are obtained，and the earth rate components respect to the stabilized aiming mirror frame is calculated.A stabilized control system is used to control two directional channels by adding the respective compensations and then the influence of earth rotation is counteracted.As a result，in view of the observer，LOS is still following the goal and not need operator to manually fine-tune it.This method is not only suitable for tank combat training system，but also can be used in stabilized sighting device of shipboard or airborne system.

stabilized sighting system，inertial attitude information，LOS drift，drift compensation and suppression

TP273

A

1002-0640（2016）07-0144-04

2015-06-10

2015-07-15< class="content">作者簡介：薛媛元（1984-），女，寧夏中寧人，工程師。研究方向：慣性技術(shù)應(yīng)用及研究。

薛媛元（1984-），女，寧夏中寧人，工程師。研究方向：慣性技術(shù)應(yīng)用及研究。