飛機目視瞄準解算及測距誤差影響因素淺析

趙鵬飛 許子健 李勇軍

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

飛行員在飛機對地目視瞄準訓練過程中，通過平顯瞄準目標來投放炸彈等非制導武器，經常出現無法準確命中地面目標的問題。飛行員對地面目標進行目視瞄準時，主要由載機與目標的距離及姿態參數共同確定瞄準線的方向，除載機與目標之間的距離以外，其他參數均由機上配備的各種傳感器測定，且測量精度相對較高；而對于載機與目標之前的距離測定，飛機需裝備構造復雜的遠距高精度激光測距器來完成。激光測距器是利用激光技術測量目標距離的激光設備，是航空火力控制系統的重要組成部分，因為其產品故障率高，調校難度大，所以激光測距器產生的測距誤差是引起目視瞄準誤差的主要因素之一。

1 基本概念

1.1 對地目視瞄準基本概念

對地目視瞄準的數據處理和瞄準線解算由機載火控計算機完成，利用本機姿態參數、環境風速、大氣密度、載機與目標物的距離等參數，通過火控計算機內部軟件計算出目標的瞄準線角坐標。角坐標用于確定平顯上顯示的瞄準標記的精確位置，如圖1所示。飛行員通過瞄準標記來觀察地面的目標物，當兩者重合時，即完成了一次瞄準操作。此時，飛行員進行炸彈等非制導武器的投放，武器將按照預定軌跡命中目標物。

圖1 對地目視瞄準示意圖

1.2 飛機常用測距方法介紹

目標距離測量方法一般可以分為三角測距法和激光測距法。三角測距法是將載機高度和姿態角度參數代入三角函數，從而間接計算目標距離，其計算精度相對較低。激光測距法是利用激光往返所經歷的時間與光速的乘積計算目標距離，其計算精度相對較高。為提高對地面目標打擊的精度，國內外具備對地攻擊功能的三代機和先進的武裝直升機一般都裝備有高精度激光測距器，其測距量程可達10km以上。

2 瞄準線坐標角度的計算

2.1 瞄準線角度確定

空中投放炸彈等非制導武器可以看作是一個近似的自由落體運動，炸彈著點的位置受載機的高度、速度、側滑角、迎角、傾斜角、俯仰角及目標距離等參數影響，同時也與載機所處的環境風速和大氣密度相關。這些參數由載機上安裝的各種傳感器測得，提供給機載火控計算機，并通過火控計算機內部軟件程序完成炸彈投放坐標系的構建和幾何運算，計算出瞄準線方位角φA和俯視角φB，從而控制瞄準標記在平顯上的精確位置。

2.2 瞄準線矢量方程的建立

炸彈等非制導武器被投放后，可近似為有初速度的自由落體運動，下落過程中受環境風速和大氣密度影響。構建投放點到理論彈著點的幾何圖形，如圖2所示。圖中無風射程為A0，炸彈落下時間為T，炸彈投放高度為H，載機速度為V，載機攻角為υ（俯沖時為負值）。在圖2上炸彈投放點用O表示，在無風時降落點用A表示，在有風速度為U時，降落點用B表示。

2.2.1 俯仰角的計算

在三角形OO'E 內建立三角函數關系計算公式：

由式（1）計算可得彈著點俯仰角坐標φB：

圖2 對地目視瞄準矢量圖

2.2.2 彈著點方位角的計算

根據圖2可得下式：

式中，A0為炸彈的無風射程，具有在水平面上的飛機速度投影方向，圖2中O′A；T為炸彈落下時間；D為離彈著點的距離，圖2中OB；Uy為Y軸上的風速投影，圖2中CE；Ux為X軸上的風速投影，圖2中DF；χ為炸彈偏移與Y軸之間夾角。

3 瞄準線角坐標影響分析

3.1 瞄準線俯仰角誤差分析

為了更明確地分析激光測距對瞄準標記的影響程度，假定其他參數為常數，把距離參數作為變量。通過瞄準線矢量方程的計算可知，瞄準線俯仰角φB僅由載機高度、速度、側滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態參數確定，這些參數由載機上配備的各種傳感器進行測定，無需進行復雜的校準。通常情況下，精確度容易得到有效控制，是導致瞄準誤差產生的次要因素。

3.2 瞄準線方位角誤差分析

在瞄準線方位角φA的確定過程中，除載機高度、速度、側滑角、攻角、俯仰角和傾斜角等姿態參數參與運算外，載機與地面目標的距離參數直接參與瞄準線方位角度的計算，距離是影響瞄準標記在平顯上顯示位置的關鍵參數，同時也是戰機日常作訓中導致對地目視瞄準誤差形成的主要原因。

4 激光測距誤差產生的原因及解決措施

機載激光測距器安裝于飛機的前側，可根據必要的工作狀態形成輻射探測脈沖，接收和處理來自目標的回波脈沖，并通過計算得出空中和地面目標的真實距離。激光測距器的精度除由產品硬件性能保證之外，更大程度上需通過調校平顯瞄準線和激光測距器軸線的平行度來保證。對地面目標物進行瞄準的狀態下，激光輻射的軸線受控于平顯的瞄準線，兩者的平行度決定著激光測距點與目標物的同一性，如圖3所示。當平行度不符合要求時，激光測距點就會偏離目標物，產生距離失真，從而形成較大的測距誤差。

4.1 激光測距器性能故障

4.1.1 原因分析

三代戰機激光測距器一般由輻射器、接收－發射裝置和電子組件3個子系統組成。輻射器用來建立具有預定光譜、時間和能量特性的電磁能輻射，激光輻射僅作為測距器的發射部分，無相關信號處理和過程運算，因此輻射器對激光測距精度無影響。接收－發射裝置以激光發射時產生的脈沖干擾作為基準信號使用，接收目標反射信號，并將這些光信號轉換為電信號，放大后以模擬形式通過一個通道發送給電子組件的時間間隔測量器，從而計算出激光發射和接收的時間間隔T。綜上分析，接收－發射裝置故障將會導致發射和接收的時間間隔T不準確，而距離值由時間間隔與光速的乘積計算得出，因此可知對激光測距的精度影響較大。電子組件主要根據接收部件提供的脈沖間隔，生成激光發射與接收的時間差值T，模塊內部程序進行距離的運算，得到目標物的距離D，將距離參數發送給火控計算機，用于瞄準線的計算。電子組件為激光測距器的核心部件，若出現性能故障，會產生測距不連續、精度不高等問題。

4.1.2 解決措施

機載激光測距器設置有自檢功能，用以評判測距性能指標。當執行自檢命令時，時間間隔測量器中可產生一對間隔時間為(20±1)μs、頻率?=10Hz的間隔控制脈沖（基準+回波）。這對脈沖可保證控制發光二極管的觸發。發光二極管的輻射流落在雪崩式光電探測裝置的光敏場，并在電子組件的輸出端轉換為兩個延遲時間為(20±1)μs的信號。當該信號的延遲時間與時間間隔測量器中早先確定的延遲時間相符時，時間間隔量器即給出與距離D=(3000±150)m相一致的檢測碼，當超出規定范圍后，需要依次更換接收－發射裝置、時間間隔器和電子組件排除故障。

圖3 激光測距示意圖

4.2 掃描鏡零位漂移

4.2.1 原因分析

火控計算機控制激光輻射的光軸方向，這個功能由激光測距器內部可移動的掃描鏡完成。根據所需打擊的目標，火控計算機產生掃描機構傳動指令，控制掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度，確定激光向外部空間發射的軸線，指向需要瞄準的目標物。方位傳感器、俯仰角傳感器和傾角傳感器測定掃描鏡的方位、俯仰和傾斜角度值，以格雷碼形式提供給格雷碼變換器，格雷碼變換器可將格雷碼轉換為二進制數字碼，反饋給掃描鏡控制器，從而對掃描鏡形成閉環控制。當傳感器零位出現一定的偏差時，會導致掃描鏡角度控制存在誤差，激光輻射軸線出現偏差，那么激光照射的物體與所瞄準的目標物將不是同一物體，就會造成激光測距失真，形成測距誤差。

4.2.2 解決措施

激光測距器內部設置有掃描鏡零位校準傳感器，用于補償激光測距器零位傳感器的安裝誤差，對于國內外三代戰機裝備的激光測距器，零位角度允許誤差要求在± 5s之內，則對測距精度的影響在可接受范圍內。若誤差超出規定值，需按照使用維護說明書調整校準傳感器的開關位置，用以對激光測距器的零位偏差進行補償，此舉可以有效提高激光測距精度。

4.3 安裝誤差

4.3.1 原因分析

激光測距器輻射的激光軸線與平顯瞄準線平行時，在較遠距離的某個點上兩條線可以近似為相交，當瞄準點和測距點為同一物體時，激光測距器測定的目標距離最為精確，如圖3所示。反之，當激光測距器所輻射激光軸線與平顯瞄準線存在一定安裝誤差角度時，那么兩軸線在無限遠處無法近似為相交，瞄準點和測距點不統一，就會造成激光測距誤差。

4.3.2 解決措施

激光測距器的安裝與載機過程中，無法避免會存在一定的安裝誤差，需要通過整機校靶的方式來消除誤差。一般方法是控制對地瞄準系統進入維護模式后，接通激光輻射，激光入射到靶板上形成灼燒光斑，通過測量理論入射點和實際入射點的誤差尺寸值，進行正切三角函數運算，從而確定誤差角度。當誤差角度超過規定值時，通過火控計算機中輸入校正誤差參數，對激光輻射方向進行校正，保證激光軸線與平顯瞄準線的平行度，從而提高測距精度。

5 結束語

激光測距器產生的相關誤差直接影響目視瞄準和對地攻擊的精度，日常訓練中經常遇到平顯上瞄準標記左右抖動的現象，一般就是由于激光測距器性能不穩定或者光軸校準存在誤差，應及時對激光測距器進行檢查，及時發現故障所在，并予以排除。檢修過后，應重新對激光測距器光軸進行零位和安裝光軸誤差校準，以提高飛機對地目視瞄準的精度。