直升機武器系統校靶技術研究

汪智超，黃福貴

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 3330002)

直升機武器系統校靶技術研究

汪智超，黃福貴

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 3330002)

結合國內外校靶工作發展的基本情況，主要對AH-64所采用的“先進校靶設備系統”進行分析，并提出改進措施，然后根據武裝直升機作戰運用的特點，針對活動航炮、武器隨動掛架系統提出了以視頻處理、疊加技術為基礎的快速校靶方案，使武裝直升機航炮等武器能夠實現快速、簡易校靶，能夠有效提升武器系統的作戰能力。

直升機；校靶；慣性平臺

0 引言

校靶是使武器系統各裝置的光、電、機械軸線與基準坐標軸線協調一致的所有校準、調整操作的總稱，是一項經常性的、直接關系到機載武器保障性、命中概率及整個武器系統任務效率的重要工作[1]。1989年美國批準“先進校靶設備系統”計劃立項，項目由美陸航負責，陸?？杖妳⑴c。從1989開始，經過數十年的不斷改進，美國的先進校靶設備系統(ABE)已經日趨完善，廣泛應用于美軍及其他各國軍隊使用的AH-64武裝直升機。

1 校靶技術發展簡介[1]

自機載武器誕生以來，校靶就成為一項關系到機載武器命中概率的重要工作，校靶技術也從實彈校靶、儀器校靶(靶板法)發展到了自身校靶。

靶板法是用校靶鏡十字中心在靶圖上的投影點代替實彈射擊在靶圖上的平均彈著點來對武器系統進行校準的校靶方法。在各方面要求不苛刻的情況下，是一種比較成熟、可行的辦法，但存在需要將載機頂水平、遠距離立靶板、校靶時間長等局限性。

自身校靶是指載機以任意姿態停放后，借助載機及校靶裝置上的光、機、電等設備來測量并調節各校準線間的空間位置關系的一種校靶方法。與儀器校靶相比，自身校靶不需要將載機頂水平，不需要在距載機50m外立靶板，對場地的要求較低，相對來說也要省時、省力得多。特別是對于海軍艦載機，由于其特殊的場地、環境要求，自身校靶比其他校靶方法更具優勢。

目前，國內直升機校靶方法均為儀器校靶(靶板法)，已經不適應現代科學技術及裝備的發展需要，特別是已經不能滿足現代化戰爭部隊的作戰模式和戰術運用的需要。

隨著人們對校靶地越來越重視及校靶技術的發展，未來的校靶方法將越來越少地依賴機載設備以外的校靶裝置，借助載機光、機、電等設備及少量的便攜式校靶裝置完成對機載武器系統的校準，甚至在載機飛行中，就可以完成武器系統的快速校準。

2 先進校靶設備系統(ABE)分析

根據各國具體的應用情況，目前應用比較廣泛的自身校靶方法有兩種：“靶板機身固定”法和“測角”法。

“靶板機身固定”法——校靶時將靶板框架通過過渡框架固定到載機上，由這些框架保證靶板與基準軸線間的空間對應關系。這種方法的實質與儀器校靶是一樣的，相當于把靶板固定在載機上，其優點是載機可以不頂水平，校靶空間及場地要求少；缺點是在校靶距離縮短的情況下，為了保證校靶精度，需要提高對校靶儀器精度及校靶過程精度控制的要求。這種方法在我國固定翼飛機機載武器的校靶上使用比較普遍，AH-64武裝直升機的機載武器早期也曾使用過。

“測角”法——主要是以載機各軸線在作戰過程中應滿足的空間關系為基礎，然后借助光學測角設備來指導調校過程的校靶方法。這種方法的特點是在載機設計的過程中，也不需要過多的基準設備、機構或裝置，校靶過程中使用的設備相當少，校靶過程中對場地的要求不十分嚴格，對野戰條件的適應性好，并且對于一般現役的載機，只要載機自身條件具備，可進行改裝，轉而使用這種方法進行校靶。這與“靶板機身固定”法相比，不需要安裝龐大的機身靶架，校靶工作的時間比較短，操作較為簡單，但校靶工作對維護人員有較高的培訓工作要求。美國的先進校靶設備系統(ABE)運用的就是“測角”法原理。

ABE系統使用了平行光自準測角、焦平面CCD成像及陀螺慣性平臺技術，使其能夠實現對飛行器(特別是艦載飛行器)進行全天候校靶，減少測角誤差，操作比其他“測角”校靶方法更為簡單、快捷、準確，其校靶精度可以達到0.1mrad。

ABE校靶系統實際上是一個測量待校靶設備軸線姿態角的角度測量系統，由于與載機沒有控制信號交聯，只要對載機進行有限的改裝以便于安裝各類校靶轉接鏡，便可以對不同機種、機型進行校靶。目前ABE系統已經成功應用于各類型飛行器。

2.1 先進校靶設備系統(ABE)組成

ABE系統由一個動態慣性測量裝置、一個基準慣性測量裝置、一個處理運算裝置、一個基準框架、一個手持式顯示控制器及一系列的校靶轉接鏡組成，如圖1所示。

圖1 ABE系統組成[2]

基準框架——與載機有精確的裝配關系，能夠為基準慣性測量裝置提供與載機姿態一致的安裝面。

校靶轉接鏡——與載機有精確的裝配關系，為不方便直接校靶的武器/傳感器提供轉接。反射鏡的鏡面垂線可以準確反映待校靶武器/傳感器的方位、俯仰角。(有些反射鏡的鏡面垂線與待校靶武器/傳感器方位、俯仰成固定角度)。

手持式顯示控制器——提供控制指令、參數和模型的輸入，并顯示測量結果。

基準慣性測量裝置——安裝在基準慣性測量裝置安裝框架上，通過內部的三軸陀螺傳感器實時測量機體姿態角，建立校靶測量基準坐標系。該裝置上有兩塊垂直分布的發射鏡，用于基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置的對準(圖2)。

動態慣性測量裝置——可以發射平行光束，通過反射光束測量待校靶武器/傳感器的方位、俯仰角。

運算處理裝置——對基準慣性測量裝置、動態慣性測量裝置輸出姿態角度和對動態慣性測量裝置中發射光束及反射光束的成像視頻數據進行處理；對動態慣性測量裝置輸出驅動角；可以為校靶系統提供電源。

圖2 動態慣性測量裝置、基準慣性測量裝置外形圖[2]

2.2 先進校靶設備系統原理分析

2.2.1 動態慣性測量裝置的角度測量原理

動態慣性測量裝置是一個手持的便攜測量設備，主要由一個3軸穩定框架平臺及安裝在3軸穩定框架平臺上的平行光管成像系統、框架驅動系統、三軸陀螺傳感器組成。三軸陀螺傳感器實時輸出穩定框架平臺的姿態角。平行光管成像系統主要由焦平面CCD相機、光源、十字分劃板和凸透鏡等其他光學鏡片組成。如圖3所示， CCD相機感光平面在凸透鏡1倍焦距的焦平面上，十字分劃板與CCD相機感光平面相對半反半透鏡對稱。點光源發射光線經平行光管成像系統內的半反半透鏡反射，經凸透鏡后匯聚成平行光，沿平行光管軸線發射出去，平行光束被校靶鏡反射回來并透過凸透鏡、半反半透鏡成像于焦平面CCD相機上。

圖3 動態慣性測量裝置角度測量光路原理圖[3]

由于涉及到方位、俯仰、橫滾三個角度的測量，所以在坐標系(X，Y，Z)內，定義矢量M與XY平面夾角為其俯仰角，在XY平面上方為正；矢量M在XY平面內投影與X軸夾角為矢量M方位角，XZ平面右方為正；橫滾角為XY平面繞X軸轉動角度，順時針為正，如圖4所示。

圖4 姿態角定義

在圖4所示坐標系(X，Y，Z)內，三軸穩定平臺方位、俯仰角即平行光管軸線方位、俯仰角α，β均為0(其中β為俯仰角)；校靶鏡M1鏡面垂線的方位、俯仰角分別為α1，β1所以經校靶鏡M1反射的反射光束與平行光管軸線俯仰方向夾角為2β1；反射光束在焦平面上成像點坐標為(y,z)。方位、俯仰角定義見圖5。

由圖4光路分析可得：

利用同樣的原理，可以得到校靶鏡M1鏡面垂線方位角：

由于校靶鏡M2與校靶鏡M1成90°夾角，所以可以通過測量校靶鏡M2的俯仰角獲得待校靶設備的橫滾角。

假定CCD相機像圓直徑r為10μm,透鏡焦距f為10cm，則角度測量精度：

2.2.2 ABE校靶系統校靶步驟、原理

使用ABE校靶系統對直升機進行校靶，特別是載機所處環境為動態環境時(艦載環境)，首先需要完成基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置的對準，即動態慣性測量裝置中慣性平臺姿態與載機姿態的對準，以便獲得相同的測量坐標系基準和減少陀螺零位漂移的影響。基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置的對準方法有兩種：

1)將基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置平行放置在水平的基準面內進行對準。

2)將基準慣性測量裝置通過基準框架安裝在載機平臺上，基準慣性測量裝置上反射鏡M1的鏡面垂線可以提供方位、俯仰基準，M2的鏡面垂線可以提供方位、橫滾基準。如圖5所示，手持動態慣性測量裝置靠近基準慣性測量裝置的反射鏡，并通過平行光管成像系統測量當前平行光管軸線與反射鏡發射光束的夾角，并驅動三軸慣性穩定平臺轉動直至該角度為0，完成動態慣性測量裝置對于基準慣性測量裝置的對準。

完成基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置的對準后，就可以進行基準慣性測量裝置、動態慣性測量裝置和運算處理裝置的交聯，并使動態慣性測量裝置的慣性穩定平臺姿態可以隨動于載機姿態，使平行光管成像系統的輸出光束軸線與機體縱軸線平行，獲得相同的測量坐標系基準。

圖5 動態慣性測量裝置的對準

ABE校靶系統校靶原理框圖見圖6。機上待校靶設備可以分為三類：武器等非光學設備、紅外、可見光傳感器、激光測距設備。

圖6 ABE校靶系統原理框圖[2]

武器等非光學設備必須通過校靶轉接鏡進行校準，如圖7所示，對機載活動航炮系統進行校靶需進行以下步驟：

1)完成基準慣性測量裝置和動態慣性測量裝置三軸陀螺的對準，即動態慣性測量裝置中慣性平臺姿態與載機姿態的對準。

2)安裝活動航炮的校靶轉接鏡，校靶轉接鏡鏡面垂線與活動航炮炮管軸線平行。

3)手持動態慣性測量裝置靠近航炮校靶轉接鏡，并將其平行光管成像系統鏡頭對準校靶轉接鏡鏡面；按壓動態慣性測量裝置或手持式顯示控制器上的“啟動”按鈕，平行光管成像系統發射平行光束，動態慣性測量裝置中的三軸慣性平臺以當前發射光束軸線(即機體縱軸線)為中心做螺旋形轉動，搜索經校靶鏡反射回來的光束。捕獲反射光束，就可解出目前航炮校靶鏡鏡面垂線的方位、俯仰角。將航炮校靶鏡方位、俯仰角與機體縱軸線方位、俯仰角比較，得出校正角度，航炮根據校正角度進行校正，校正后可再重復測量航炮校靶鏡鏡面垂線是否與平行光管軸線重合。

紅外、可見光傳感器的校靶見圖8，通過平行光焦平面成像原理，接收動態慣性測量裝置發射的平行光束，通過綜合顯示器比較平行光束在傳感器內成像的像點與傳感器中心十字線的位置，進行校準(圖8)[4]。

激光測距設備的校靶通過對準動態慣性測量裝置發射激光束(相當于校靶鏡反射光束)。光束進入平行光管成像系統在焦平面內成像，可以獲得激光束相對平行光管軸線(機身縱軸線)的角度差，其原理與活動航炮校靶類似。

圖7 活動航炮的校靶

圖8 紅外傳感器的校靶

2.3 對于ABE校靶系統改進措施的思考

1)提高ABE校靶系統自動化程度

目前ABE校靶系統僅僅是一個測角系統，不能完成校靶的整個過程，還需要其他人員控制待校靶設備(如航炮、觀瞄轉塔)根據測角結果轉動，經過多次測量-轉動使其軸線與平行光管成像系統軸線平行，即與機身縱軸線共面、平行。這個過程不僅耗時而且必須增加一名校靶人員。為提高校靶效率和自動化程度，可以在運算控制裝置上增加一個與載機火控系統交聯的接口，給火控系統輸出校靶驅動角，火控系統自動進行校靶。

2)提升ABE校靶系統的小型化程度

①考慮到校靶工作一般都在各類場站進行，運算控制裝置可以去除其中的蓄電池，校靶系統電源由機上電源或其他外接電源供應。

②對于陸基校靶，直升機平臺相對地面是靜止不動的，不需要基準慣性測量裝置實時輸出機身縱軸線姿態角，所以針對陸基校靶，基準慣性測量裝置可以去除，僅在基準框架上增加相互垂直的兩面校靶鏡用于動態慣性測量裝置對機身縱軸線姿態角的測量。對于海上艦載直升機校靶，如果艦載直升機機上慣導精度可以滿足校靶要求，校靶系統可以與機上慣導交聯，機上慣導作為基準慣性測量裝置實時輸出機身縱軸線姿態角。

由于兩軸穩定平臺自身橫滾角的變化不會引起平行光管光軸在機體坐標系中方位、俯仰變化，所以平臺自身橫滾變化Δγ后，平行光管發射的平行光束在機體坐標系中姿態角沒有變化，反射光束在焦平面的像點G空間位置也不會變化。根據圖9所示， 有以下等式成立：

Z0=Z1×cosΔγ

根據以上等式，可以得出：

Z=Z1+Z2

Δγ=γ-γ0

Z0=Z×cos(γ-γ0)-Ysin(γ-γ0)

[Z-Ytan(γ-γ0)]×sin(γ-γ0)

其中Y、Z的值通過焦平面CCD確定，γ為通過三軸陀螺傳感器獲得的穩定平臺當前橫滾角，γ0為機體平面橫滾角。

解算出Y0、Z0后，就可以根據上文提到的測角原理得出反射光束與平行光管軸線即機身縱軸線的夾角。

圖9 橫滾角補償原理圖

3 視頻疊加校靶技術方案

ABE校靶系統及其他校靶方法，都存在校靶過程不直接、校靶結果沒有可視化顯示的缺點。通過對各類校靶方法的分析，提出一種以視頻處理、疊加技術為基礎的快速校靶方案，人機交互性更為友好、簡單。

對于武裝直升機，“靶板”法和“測角”法校靶，主要都是進行直升機武器系統軸線基于機身軸線的校準。而視頻疊加校靶技術，是在觀瞄設備觀測軸線與機身軸線偏離不大的情況下，其他武器系統軸線以觀瞄設備觀測軸線為基準進行校靶。(如果對機體機構進行改裝，增加機身軸線CCD相機，武器系統也可以基于機身軸線校準)

視頻疊加校靶系統硬件組成：航炮CCD相機、掛架CCD相機等。

對載機要求：觀瞄視頻數據為數字信號格式；校靶CCD相機與載機可以進行數據交聯；機載綜合處理軟件能夠對視頻圖像進行邊緣檢測處理，以提取其輪廓。

圖像輪廓邊緣檢測基本原理：在直徑為R的圖像內，如果存在2個或2個以上對比度差值超過閾值K的像元，則“點亮”直徑為R的圓面的中心點，再將“點亮”的中心點連接起來，形成圖像的輪廓線，如圖10所示。

視頻疊加校靶原理如圖11，綜顯以觀瞄視頻為背景視頻，再疊加經線性化處理的觀瞄圖像及校靶CCD相機圖像，校靶人員控制航炮等待校靶設備轉動，使校靶CCD相機視頻的線性化圖像與觀瞄視頻的線性化圖像重合，完成校靶過程，或機載軟件通過輪廓匹配技術，自動控制航炮等待校靶設備轉動，實行自動校靶。航炮校靶過程如圖12-圖15所示。

圖10 圖像輪廓邊緣檢測基本原理

圖11 視頻疊加校靶原理框圖

圖12 觀瞄視頻圖像及其輪廓提取

視頻疊加校靶的局限性：

1)對于校靶環境有要求，否則CCD相機無法得到清晰圖像，視頻處理軟件無法提取清晰輪廓線。

2)只能針對航炮等可以方位、俯仰轉動的設備進行校靶。

圖13 航炮CCD相機視頻圖像及其輪廓提取

圖14 未校靶前觀瞄與航炮CCD視頻疊加(綜顯顯示)

3 結論

隨著現代科學技術及裝備的發展需要，特別是與部隊的作戰模式和戰術運用的需要的提高，我們應逐步將提高校靶工作的認識，進行校靶方法的研究、改革，最終在裝備研制開始就把使用快速、簡便和精確的校靶方法當成一個重要的技術約束條件。通過分析，ABE校靶系統校靶技術成熟、精度高，使用方便快捷，適應性強，能夠實現對飛機的全天候校靶，對現有飛機的校靶只需要進行一些機體結構的局部改裝，不必更改載機的軟硬件。所以，我國直升機校靶設備的研制可以參考ABE校靶系統，以測角為基本原理進行校靶，并及時跟蹤校靶技術發展動態，積極探索新型校靶方法。

[1] 潘煥友，等.武裝直升機機載武器校靶方法研究[D].北京：陸軍航空兵學院,2006.

[2] Jaklitsch J J. GYROSCOPIC SYSTEM FOR BORESIGHTING EQUIPMENT,2004.

[3] Hamilton S B. GYROSCOPIC SYSTEM FOR BORESIGHTING EQUIPMENT BY OPTICALLY ACQUIRING AND TRANSFERRING PARALLEL AND NON-PARALLEL LINES[Z].1992.

[4] Hamilton S B. GYROSCOPIC SYSTEM FOR BORESIGHTING EQUIPMENT BY TRANSFERRING A FRAME OF REFERENCE[Z].1992.

Research on Checking Target Technology of Weapon System on Board Helicopters

WANG Zhichao, HUANG Fugui

(Naval Aeronautical Representative Office in Jingdezhen, Jingdezhen 333002, China)

This paper analyzed the advanced boresight equipment on basis of the development of the field of bore-sighting at home and abroad. Then, brought forward a new simple and quick method of bore-sighting principle for helicopter’s artillery by the technology of video-pile up and the new method could improve the campaign ability of weapon system.

helicopter；boresight；inertia platform

2016-07-08

汪智超(1985-)，男，江西九江人，大學，助理工程師，主要研究方向：直升機航電系統。

1673-1220(2016)03-056-07

TJ06

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