某車載火炮系統水平度測量數據分析與建議

谷 濤 陳明哲

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

水平基準是雷達與火炮產品重要的工作基準,對其俯仰角和方位角精度有直接影響,尤其對俯仰角影響更大。獨立的雷達與火炮產品水平基準標定方法已較為成熟,但集成了雷達的新型火炮武器系統因缺乏成熟的標定方法,在產品試驗中常出現雷達與火炮水平基準不一致影響武器系統精度指標的問題;其原因一般可歸結為火炮武器系統安裝雷達時水平基準傳遞出現問題,即雷達在火炮武器系統上水平基準標定精度不足或方法不正確。

文獻[2]對某車載火炮武器系統檢飛試驗中出現的“跟蹤雷達俯仰測角精度超差”問題進行了分析,確定問題原因后采取措施對誤差進行了補償,并通過仿真驗證了補償方法的可行性。本文作者曾參與該武器系統跟蹤雷達水平基準標定工作,通過對雷達水平度檢測試驗數據進行重新分析,分析結論與建議可以對解決該武器系統雷達俯仰測角精度超差提供另一種思路與解決途徑。

1 武器系統布局及雷達俯仰零位水平度誤差測量試驗

1.1 系統結構布局

某車載火炮武器系統由火炮、雷達、火控計算機及拖車底盤等部分構成,其中雷達系統集成了光電設備,雷達與光電系統采用共伺服系統,系統結構布局如圖1所示[1-2]。

圖1 某武器系統結構布局示意圖

武器系統作戰時,雷達完成目標探測,跟蹤,提供目標現在點實時高精度坐標信息;火控計算機對點坐標信息進行坐標轉化,完成射擊諸元解算,并控制火炮隨動指向未來點,雷達伺服系統在火炮隨動系統運轉基礎上進行復合運動;拖車底盤上安裝調平裝置及水平傳感器用于武器系統調平,雷達跟蹤天線座內部也安裝了水平傳感器用于對雷達方位軸回轉平面水平度進行測量。

1.2 雷達俯仰零位標定

圖1顯示該武器系統存在火力回轉軸與雷達跟蹤回轉軸兩根回轉軸線,兩回轉軸線理論上應保持平行即保持火力回轉面與跟蹤回轉面平行。當武器系統調平后火力回轉面與跟蹤回轉面均應保持水平,實際上由于調平傳感器精度、基準標定誤差、各部位零件制造精度等不可消除誤差的影響,系統必然存在一定的水平度誤差。由于水平基準雷達俯仰角的基準,武器系統水平度誤差會對雷達俯仰角精度造成影響,繼而影響武器系統技戰術性能。

該火炮武器系統在武器系統車體調平的基礎上對雷達俯仰零位進行標定。首先,以火炮安裝面上調平傳感器為基準對武器系統車體進行調平,要求橫向與縱向傳感器水平度不大于2′,即認為雷達安裝面水平度滿足要求;然后,在該狀態下進行雷達俯仰零位的標定,一般通過經緯儀與雷達光軸對瞄方式完成俯仰零位標定。通過標定流程可以發現,車體調平水平度、火炮回轉面與雷達回轉面平行度、炮塔方位軸隙晃動、雷達方位軸隙晃動等多種因素均會影響雷達俯仰零位標定。

1.3 雷達俯仰零位水平度誤差測量試驗

該火炮武器系統在檢飛試驗中出現俯仰角系統誤差均值達-1.5mrad,超出不大于0.8mrad的指標要求。為解決該火炮武器系統俯仰測角精度系統誤差超差問題,文獻[2]經過分析先后排除了傳感器跟蹤角誤差與雷達光電軸軸系不一致兩方面的原因,最終將原因確認為雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,確認過程進行了兩組試驗。

1)采用經緯儀與雷達光軸對瞄方式檢查雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,在距離雷達100m以遠位置架設并調平經緯儀,將火炮方位指向調整至0mil、500mil、1000mil、1500mil、2000mil、2500mil、3000mil七個雷達檢飛典型位置,一般情況下經緯儀架設高度低于雷達光軸位置,用經緯儀盤左與盤右分別與雷達光軸對瞄,讀取并記錄雷達俯角及經緯儀仰角;將雷達仰角與經緯儀仰角數據取反后計算雷達俯仰零位與絕對水平的誤差。測試數據及計算結果見表1所示。

表1 經緯儀與雷達對瞄計算誤差結果[2]

2)讀取雷達天線座內水平傳感器數據,計算雷達俯仰零位與絕對水平間的誤差,將火炮方位指向調整至0mil、500mil、1000mil、1500mil、2000mil、2500mil、3000mil七個雷達檢飛典型位置,讀取并記錄雷達天線與火炮同向(0mil)與反向(3000mil)兩位置時天線座水平傳感器數據,兩位置水平傳感器讀數差的均值即為對應火炮方位雷達俯仰零位水平誤差。測試數據及計算結果見表2所示。

表2 雷達水平傳感器數據計算誤差結果[2]

文獻[2]對兩組試驗水平誤差數據進行了比對分析,比對結果如圖2所示。

圖2 兩組試驗計算誤差比對

兩組試驗數據計算的雷達俯仰零位與絕對水平誤差值基本一致,誤差方向也一致,據此認定雷達俯仰零位與絕對水平誤差是引起該火炮系統俯仰測角精度系統誤差超差的主要原因,采取使用雷達天線座水平傳感器兩軸水平度數據修正目標空間位置的處理措施,通過仿真和后期檢飛驗證了措施的有效性。

文獻[2]未對雷達俯仰零位與絕對水平誤差超差進行更深入分析,進一步確定前端因素采取相應控制措施,而采取了使用雷達水平傳感器數據修正雷達俯仰零位的措施,在批量生產階段這會增加武器系統調試的復雜度,可能也會影響雷達或火炮俯仰基準的一致性;本文嘗試對文獻[2]試驗數據進行重新分析,以定位引起雷達雷達俯仰零位與絕對水平誤差超差的前端原因并給出具體改進建議。

2 水平度誤差測量數據重新分析

2.1 水平度測量數據擬合分析方法

裝備回轉面不水平時,安裝于回轉面之上的水準器的氣泡就會來回竄動;對于裝備回轉結構上安裝的水平傳感器,其兩軸讀數也分別按正弦規律變化;使用合像水平儀或電子水平儀測量并記錄裝備方位角和水平儀讀數,按方位角繪制水平儀曲線即可得到調平誤差曲線,該誤差曲線包括了裝備調平誤差及方位軸隙晃動量[3]。通過對測量數據進行擬合分析,可以單獨分離出調平誤差,該誤差服從正弦規律,通過擬合分析可以得到最大調平誤差及其出現的角度,也可以得到測量面(水平儀工作面或水平傳感器安裝面)與回轉軸的垂直度誤差。

將包括方位角及各方位水平度測試數據導入Math CAD軟件[4],建立正弦曲線擬合方程為

F(X)=a·sin(x.deg+b.deg)+c

(1)

調平誤差正弦曲線頻率一般固定置為1,該方程仍包括3個未知項,無法使用常規計算求解,使用最小二乘法進行數值求解,可達到較高的計算精度;對曲線參數進行初始賦值如a=1,b=0,c=0,再使用Mineer()函數按最小二乘條件求解正弦曲線方程參數為

(2)

其中參數a為曲線幅值,表示調平誤差大小;參數b為曲線相位,最大調平誤差出現在方位角b±90°位置;參數c為曲線中線位置,表示測量面與回轉軸線的垂直度誤差。

2.2 雷達俯仰零位水平度誤差測量數據擬合分析

將表1經緯儀與雷達對瞄測試數據中的火炮方位指向單位由mil轉換為(°),在Math CAD中輸入方位角及俯仰零位誤差數據,根據式(1)、式(2)進行調平誤差正弦曲線擬合計算如下。

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

根據各參數計算值繪制調平誤差曲線如圖3所示。

雷達與經緯儀對瞄試驗時,火炮進行方位旋轉,雷達相對火炮方位保持不變,得到的俯仰零位誤差是通過雷達仰角與取反的經緯儀讀數求差得到。去除火炮方位軸隙晃動及等微小影響,等效于通過雷達光軸以雷達俯仰角軸角編碼系統作為測角傳感器對火炮方位回轉面水平度的測量。

通過最小二乘計算得到的曲線參數和擬合曲線可看出:

1)車載火炮系統拖車調平誤差0.898mil即3.2′;系統使用前要求橫向與縱向調平誤差不大于2′,則兩軸耦合調平誤差不超過2.8′,系統調平誤差超過允許值。

2)雷達俯仰零位與火炮火力回轉軸垂直誤差為-0.657mil。

使用相同方法對雷達水平傳感器在火炮不同方位指向的讀數進行分析,以表2 雷達與火炮同向數據計算得到:

根據各參數計算值繪制調平誤差曲線如圖4所示。

圖4 雷達水平傳感器(與火炮同向)讀數擬合曲線

將雷達水平傳感器與火炮反向數據倒序排列也可以得到幾乎相同的分析計算結果與擬合曲線。

通過最小二乘計算得到的曲線參數和擬合曲線可看出:

1)分析結果顯示車載火炮系統拖車調平誤差0.86mil即3.1′,再次驗證了該車載火炮系統調平精度超差;

2)雷達水平傳感器安裝面與火炮火力回轉軸垂直誤差為-1.621mil。

2.3 對雷達俯仰零位水平度誤差測量數據分析結果的推定

根據2.2中對經緯儀與雷達對瞄誤差及雷達水平傳感器誤差分析的結果,可以做出如下推定:

1)兩組分析顯示該車載火炮系統拖車調平誤差分別為0.86mil及0.898mil,兩組分析結果極為接近,均驗證了車載火炮系統調平精度超差。

2)通過比對經緯儀與雷達對瞄及雷達水平傳感器誤差數據,雷達俯仰零位及雷達水平傳感器安裝面分別與火炮火力回轉軸垂直誤差數值,雷達俯仰零位及雷達水平傳感器安裝面平行度誤差為:

Δ=(-1.621)-(-0.657)=0.964(mil)

雷達俯仰零位在雷達調試過程中一般通過將雷達調平后與經緯儀對瞄的方式進行標定,該誤差值顯示,在該車載火炮系統標定過程中存在雷達俯仰零位標定誤差過大問題,導致雷達俯仰零位與雷達水平傳感器之間產生了約1mil誤差。

火炮系統拖車底盤調平精度、雷達方位回轉軸與炮塔方位回轉軸平行度、雷達俯仰軸角編碼器測角精度、雷達光軸與電軸匹配精度、車載火炮武器系統調平裝置支撐剛性等因素,均對在車載火炮系統上標定雷達俯仰零位有較大影響。其中雷達俯仰軸角編碼器測角精度、雷達光軸與電軸匹配精度在雷達研制單位已進行過嚴格測試并驗證精度,車載火炮武器系統調平裝置支撐剛性一般情況下在火炮系統設計、制造完成后已基本確定。因此建議針對火炮系統拖車底盤調平精度、雷達方位回轉軸與炮塔方位回轉軸平行度進行控制,保證在車載火炮系統上標定雷達俯仰零位的精度。

3 建議

根據在誤差數據分析基礎上做的推論,給出以下具體建議:

1)對該車載火炮系統調平裝置水平傳感器精度進行檢查驗證,再次對火炮系統拖車底盤進行精確調平;

2)在雷達隨方位轉動部位上選擇測量面(接近水平面)放置水平儀,進行以下測量與計算[5]:

① 火炮方位鎖定情況下,僅轉動雷達方位軸,使用水平儀間隔45°測量并記錄水平度,其算數平均值為測量面與雷達方位軸垂直度誤差;

② 雷達方位鎖定情況下,僅轉動炮塔方位軸,使用水平儀間隔45°測量并記錄水平度,其算數平均值為測量面與火炮方位軸垂直度誤差;

③ 若①、②兩次測量無法做到規則分布測量,可記錄雷達或火炮方位角及對應水平度,使用2.2方法擬合計算測量面與回轉軸垂直度誤差;

④ 對①、②兩次測量計算得到的誤差絕對值求差即為雷達方位回轉軸與炮塔方位回轉軸平行度誤差,該誤差值應小于允許值,否則可采用在炮塔上雷達安裝基準面加裝調整墊等方式進行調整。

3)使用經緯儀對瞄等方法在車載火炮系統上重新進行雷達俯仰零位標定。

以上措施在某自行火炮武器系統上已進行過應用驗證,通過以上措施預期可減小雷達俯仰零位與絕對水平誤差,保證雷達俯仰基準標定精度,在該車載火炮武器系統后期調試過程中通過檢飛試驗可進一步驗證。

4 結束語

車載火炮武器系統總體單位對各子系統的標定是裝備調試的重要環節,水平基準標定直接影響武器系統測量精度,因此要對武器系統水平基準標定予以特別重視,確保其標定精度。本文僅利用原論文中的精度驗證試驗數據進行了分析,根據雷達結構基本理論與標定經驗給出了一些建議,為解決該車載火炮武器系統俯仰測角精度超差提供了另一種思路和解決途徑。

本文對火炮回轉軸與雷達回轉軸關系的分析結論及給出的計算、調整方法,可以對其它車載或自行火炮武器系統中雷達分系統的裝配、調試提供借鑒。受文獻[2]精度驗證試驗測量精度、頻次、測量位置分布的影響,本文測量數據分析計算精度略受影響,但不足以對所給出建議的有效性造成較大影響。