飞机目视瞄准解算及测距误差影响因素浅析

赵鹏飞 许子健 李勇军

（国营芜湖机械厂，芜湖 241007）

飞行员在飞机对地目视瞄准训练过程中，通过平显瞄准目标来投放炸弹等非制导武器，经常出现无法准确命中地面目标的问题。飞行员对地面目标进行目视瞄准时，主要由载机与目标的距离及姿态参数共同确定瞄准线的方向，除载机与目标之间的距离以外，其他参数均由机上配备的各种传感器测定，且测量精度相对较高；而对于载机与目标之前的距离测定，飞机需装备构造复杂的远距高精度激光测距器来完成。激光测距器是利用激光技术测量目标距离的激光设备，是航空火力控制系统的重要组成部分，因为其产品故障率高，调校难度大，所以激光测距器产生的测距误差是引起目视瞄准误差的主要因素之一。

1 基本概念

1.1 对地目视瞄准基本概念

对地目视瞄准的数据处理和瞄准线解算由机载火控计算机完成，利用本机姿态参数、环境风速、大气密度、载机与目标物的距离等参数，通过火控计算机内部软件计算出目标的瞄准线角坐标。角坐标用于确定平显上显示的瞄准标记的精确位置，如图1所示。飞行员通过瞄准标记来观察地面的目标物，当两者重合时，即完成了一次瞄准操作。此时，飞行员进行炸弹等非制导武器的投放，武器将按照预定轨迹命中目标物。

图1 对地目视瞄准示意图

1.2 飞机常用测距方法介绍

目标距离测量方法一般可以分为三角测距法和激光测距法。三角测距法是将载机高度和姿态角度参数代入三角函数，从而间接计算目标距离，其计算精度相对较低。激光测距法是利用激光往返所经历的时间与光速的乘积计算目标距离，其计算精度相对较高。为提高对地面目标打击的精度，国内外具备对地攻击功能的三代机和先进的武装直升机一般都装备有高精度激光测距器，其测距量程可达10km以上。

2 瞄准线坐标角度的计算

2.1 瞄准线角度确定

空中投放炸弹等非制导武器可以看作是一个近似的自由落体运动，炸弹着点的位置受载机的高度、速度、侧滑角、迎角、倾斜角、俯仰角及目标距离等参数影响，同时也与载机所处的环境风速和大气密度相关。这些参数由载机上安装的各种传感器测得，提供给机载火控计算机，并通过火控计算机内部软件程序完成炸弹投放坐标系的构建和几何运算，计算出瞄准线方位角φA和俯视角φB，从而控制瞄准标记在平显上的精确位置。

2.2 瞄准线矢量方程的建立

炸弹等非制导武器被投放后，可近似为有初速度的自由落体运动，下落过程中受环境风速和大气密度影响。构建投放点到理论弹着点的几何图形，如图2所示。图中无风射程为A0，炸弹落下时间为T，炸弹投放高度为H，载机速度为V，载机攻角为υ（俯冲时为负值）。在图2上炸弹投放点用O表示，在无风时降落点用A表示，在有风速度为U时，降落点用B表示。

2.2.1 俯仰角的计算

在三角形OO'E 内建立三角函数关系计算公式：

由式（1）计算可得弹着点俯仰角坐标φB：

图2 对地目视瞄准矢量图

2.2.2 弹着点方位角的计算

根据图2可得下式：

式中，A0为炸弹的无风射程，具有在水平面上的飞机速度投影方向，图2中O′A；T为炸弹落下时间；D为离弹着点的距离，图2中OB；Uy为Y轴上的风速投影，图2中CE；Ux为X轴上的风速投影，图2中DF；χ为炸弹偏移与Y轴之间夹角。

3 瞄准线角坐标影响分析

3.1 瞄准线俯仰角误差分析

为了更明确地分析激光测距对瞄准标记的影响程度，假定其他参数为常数，把距离参数作为变量。通过瞄准线矢量方程的计算可知，瞄准线俯仰角φB仅由载机高度、速度、侧滑角、攻角、俯仰角和倾斜角等姿态参数确定，这些参数由载机上配备的各种传感器进行测定，无需进行复杂的校准。通常情况下，精确度容易得到有效控制，是导致瞄准误差产生的次要因素。

3.2 瞄准线方位角误差分析

在瞄准线方位角φA的确定过程中，除载机高度、速度、侧滑角、攻角、俯仰角和倾斜角等姿态参数参与运算外，载机与地面目标的距离参数直接参与瞄准线方位角度的计算，距离是影响瞄准标记在平显上显示位置的关键参数，同时也是战机日常作训中导致对地目视瞄准误差形成的主要原因。

4 激光测距误差产生的原因及解决措施

机载激光测距器安装于飞机的前侧，可根据必要的工作状态形成辐射探测脉冲，接收和处理来自目标的回波脉冲，并通过计算得出空中和地面目标的真实距离。激光测距器的精度除由产品硬件性能保证之外，更大程度上需通过调校平显瞄准线和激光测距器轴线的平行度来保证。对地面目标物进行瞄准的状态下，激光辐射的轴线受控于平显的瞄准线，两者的平行度决定着激光测距点与目标物的同一性，如图3所示。当平行度不符合要求时，激光测距点就会偏离目标物，产生距离失真，从而形成较大的测距误差。

4.1 激光测距器性能故障

4.1.1 原因分析

三代战机激光测距器一般由辐射器、接收－发射装置和电子组件3个子系统组成。辐射器用来建立具有预定光谱、时间和能量特性的电磁能辐射，激光辐射仅作为测距器的发射部分，无相关信号处理和过程运算，因此辐射器对激光测距精度无影响。接收－发射装置以激光发射时产生的脉冲干扰作为基准信号使用，接收目标反射信号，并将这些光信号转换为电信号，放大后以模拟形式通过一个通道发送给电子组件的时间间隔测量器，从而计算出激光发射和接收的时间间隔T。综上分析，接收－发射装置故障将会导致发射和接收的时间间隔T不准确，而距离值由时间间隔与光速的乘积计算得出，因此可知对激光测距的精度影响较大。电子组件主要根据接收部件提供的脉冲间隔，生成激光发射与接收的时间差值T，模块内部程序进行距离的运算，得到目标物的距离D，将距离参数发送给火控计算机，用于瞄准线的计算。电子组件为激光测距器的核心部件，若出现性能故障，会产生测距不连续、精度不高等问题。

4.1.2 解决措施

机载激光测距器设置有自检功能，用以评判测距性能指标。当执行自检命令时，时间间隔测量器中可产生一对间隔时间为(20±1)µs、频率ƒ=10Hz的间隔控制脉冲（基准+回波）。这对脉冲可保证控制发光二极管的触发。发光二极管的辐射流落在雪崩式光电探测装置的光敏场，并在电子组件的输出端转换为两个延迟时间为(20±1)µs的信号。当该信号的延迟时间与时间间隔测量器中早先确定的延迟时间相符时，时间间隔量器即给出与距离D=(3000±150)m相一致的检测码，当超出规定范围后，需要依次更换接收－发射装置、时间间隔器和电子组件排除故障。

图3 激光测距示意图

4.2 扫描镜零位漂移

4.2.1 原因分析

火控计算机控制激光辐射的光轴方向，这个功能由激光测距器内部可移动的扫描镜完成。根据所需打击的目标，火控计算机产生扫描机构传动指令，控制扫描镜的方位、俯仰和倾斜角度，确定激光向外部空间发射的轴线，指向需要瞄准的目标物。方位传感器、俯仰角传感器和倾角传感器测定扫描镜的方位、俯仰和倾斜角度值，以格雷码形式提供给格雷码变换器，格雷码变换器可将格雷码转换为二进制数字码，反馈给扫描镜控制器，从而对扫描镜形成闭环控制。当传感器零位出现一定的偏差时，会导致扫描镜角度控制存在误差，激光辐射轴线出现偏差，那么激光照射的物体与所瞄准的目标物将不是同一物体，就会造成激光测距失真，形成测距误差。

4.2.2 解决措施

激光测距器内部设置有扫描镜零位校准传感器，用于补偿激光测距器零位传感器的安装误差，对于国内外三代战机装备的激光测距器，零位角度允许误差要求在± 5s之内，则对测距精度的影响在可接受范围内。若误差超出规定值，需按照使用维护说明书调整校准传感器的开关位置，用以对激光测距器的零位偏差进行补偿，此举可以有效提高激光测距精度。

4.3 安装误差

4.3.1 原因分析

激光测距器辐射的激光轴线与平显瞄准线平行时，在较远距离的某个点上两条线可以近似为相交，当瞄准点和测距点为同一物体时，激光测距器测定的目标距离最为精确，如图3所示。反之，当激光测距器所辐射激光轴线与平显瞄准线存在一定安装误差角度时，那么两轴线在无限远处无法近似为相交，瞄准点和测距点不统一，就会造成激光测距误差。

4.3.2 解决措施

激光测距器的安装与载机过程中，无法避免会存在一定的安装误差，需要通过整机校靶的方式来消除误差。一般方法是控制对地瞄准系统进入维护模式后，接通激光辐射，激光入射到靶板上形成灼烧光斑，通过测量理论入射点和实际入射点的误差尺寸值，进行正切三角函数运算，从而确定误差角度。当误差角度超过规定值时，通过火控计算机中输入校正误差参数，对激光辐射方向进行校正，保证激光轴线与平显瞄准线的平行度，从而提高测距精度。

5 结束语

激光测距器产生的相关误差直接影响目视瞄准和对地攻击的精度，日常训练中经常遇到平显上瞄准标记左右抖动的现象，一般就是由于激光测距器性能不稳定或者光轴校准存在误差，应及时对激光测距器进行检查，及时发现故障所在，并予以排除。检修过后，应重新对激光测距器光轴进行零位和安装光轴误差校准，以提高飞机对地目视瞄准的精度。