某飞机光电瞄准吊舱校靶分析

2020-08-17张明明王敏夏正娜李晓乐

教练机 2020年2期

张明明，王敏，夏正娜，李晓乐

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

某飞机的吊舱通过机身悬挂装置悬挂于飞机的机腹下,由于制造和安装误差，武器和瞄准装置相对飞机轴线的位置，在安装初始状态下一般不能满足设计要求，因此必须校靶，使其安装位置达到设计要求。通过校靶建立飞机轴线和火控系统各瞄准装置瞄准线之间符合设计要求的正确的相对位置[1]。

吊舱是集红外、电视、激光等多传感器于一体的机载光电探测与瞄准系统，能够在昼夜全天候条件下对海、地目标进行快速搜索、识别、跟踪、定位、照射，引导制导武器对目标进行精确打击及轰炸。吊舱上报瞄准线角度供机载火控系统解算，故需校准吊舱坐标系与机体坐标系之间的角偏差，以保证瞄准线角度的精度。

1 校靶方式

吊舱的校靶方式主要有地面人工校靶和动态校靶两种方式，地面人工校靶是一种传统的校靶方式，校靶方法比较成熟、可行，已得到广泛应用。但这种校靶方式精度低且操作繁琐。动态校靶是吊舱加装惯性测量单元，通过滤波算法解算出吊舱坐标系与机体系之间的偏差，自动完成校靶。动态校靶不需要附加设施，操作简单、快捷。因此，动态校靶是机载吊舱校靶的发展方向。

2 地面人工校靶

2.1 校靶时机

吊舱在初次挂装时必须进行校靶，校靶工作在地面进行，同时要求瞄准吊舱工作在维护工作模式下。吊舱重复挂装同一飞机的同一机身悬挂装置时可依据外校基准挂装，无需重复校靶。

2.2 校靶准备

在飞机前方一定距离处架设靶板，并在飞机左右各一定距离处设置标志杆，将飞机调水平，由地勤人员操纵吊舱校准吊舱与平显的视轴对准。

2.3 校靶流程

1）控制吊舱进行方位俯仰方向上调校，直至瞄准吊舱视轴十字中心点与校准靶板上的瞄准吊舱校准十字中心点重合；

2）控制吊舱进行方位俯仰调校记忆；

3）控制吊舱先右滚90 度再左滚90 度，根据吊舱视轴十字线在标杆上的位置解算出横滚挂装角；

4）控制吊舱先右滚90 度再左滚90 度，检验横滚校靶角度是否正确；

5）控制吊舱进行横滚调校记忆。

由于某飞机吊舱悬挂于机腹悬挂装置下，地面人工校靶时，靶板图像受前起落架遮挡，本方案采用左右偏移校靶点的方法进行校靶。

在靶板水平方向上选取左右对称的两个校靶点，保证校靶点完整的出现在吊舱的视场中。操作人员控制操纵游标，分别使吊舱图像中的十字线与偏移后的靶点十字轴完全重合，记录吊舱偏转的方位角和俯仰角，取两组数据的平均值，并做好记录。控制吊舱回到初始位置，在方位和俯仰方向上转动上述记录的角度值，按压 “校靶” 按钮，完成校靶。

地面人工校靶是一种比较成熟、可行的方法，但存在需要将飞机顶水平、远距离设立靶板、场地要求较高、校靶时间长等局限性。此外，吊舱挂装其他飞机或不同的挂梁时，需重新校靶，严重影响了飞机的出动准备时间。

3 动态校靶

动态校靶不需要单独架设靶板、人工操作校靶，而是通过在吊舱加装子惯导系统（惯性测量单元），通过滤波算法解算出吊舱坐标系与机体系之间的偏差，自动完成校靶。动态校靶的方式不需要附加设施，操作简单、快捷，简化了校靶的操作流程，可大大缩短吊舱校靶时间，提高吊舱的可操作性和维护性。

3.1 吊舱传递对准原理

吊舱的子惯导系统精度较低，误差随时间积累，不能满足飞机长时间执行任务的要求，需利用飞机的主惯导系统对其进行动基座传递对准。

目前对于传递对准技术方面的研究很多，方法主要可分为测量参数匹配法和计算参数匹配法两大类。测量参数匹配法有加速度匹配和角速度匹配等，计算参数匹配法典型的有速度匹配、位置匹配、姿态角匹配等[2，3]。这些方法可以单独使用，也可以相互配合使用，本文采用 “姿态+速度” 匹配的传递对准方法[4]，将主、子惯导系统输出的姿态和速度匹配量做求差运算，作为卡尔曼滤波器输入，通过卡尔曼滤波器实时估计出子惯导系统的失准角、速度误差、陀螺漂移等误差状态量，并对子惯导系统进行反馈校正。子惯导系统的对准过程分为三个子过程：1）惯导解算：根据主惯导系统提供的初始导航信息，计算出导航方程的解；2）对准滤波算法：基于速度和姿态观测量，通过卡尔曼滤波器，实时估计出各误差量；3）修正指令生成：将误差估计反馈为导航方程的修正量。

3.2 滤波算法

卡尔曼滤波是一种递推线性最小的方差估计方法，故传递对准滤波算法均采用卡尔曼滤波技术，传递对准系统离散化后模型简记为：

式中：Xk为系统状态向量；Zk为量测向量；Φk，k-1为k-1 到k 时刻的转移矩阵；Γk-1为系统噪声矩阵；Hk为量测矩阵；Wk-1为离散型系统零均值白噪声；Vk为离散型零均值量测白噪声向量。

经卡尔曼滤波离散化后的方程如下：

3.3 杆臂补偿

在进行传递对准过程中，当载机相对惯性空间产生角运动时，由于惯性导航部件（前机身设备舱）与吊舱的惯性测量单元（机腹段）安装于载机的不同位置，主惯导系统与子惯导系统之间会产生杆臂效应。因此对于杆臂的位置和速度可采用如下补偿算法：

3.4 时间同步

载机主惯导系统的导航数据通过航电总线发送至武器外挂管理计算机，武器外挂管理计算机处理后通过武器总线再传递给吊舱的子惯导系统（见图1）。故子惯导接收到的主惯导信息具有较大的延时，根据系统设计，主惯导系统发送给武器外挂管理计算机数据周期为50ms，武器外挂管理计算机传递给吊舱数据的周期为50ms。时间延时在传递对准过程中势必会造成较大的误差。子惯导收到主惯导信息后，需要进行主、子惯导时间同步的处理。

某飞机采用内插的方法完成时间同步，主惯导系统与子惯导系统数据采用统一的GPS 时间，将卫星天线通过功分器一分为二，一路接至主惯导系统，一路接至子惯导系统，主惯导系统每个周期发出的数据打时标信息T0，子惯导系统接收到数据，时间为T1，t=T1-T0，t 为主惯导系统数据传输的总延时时间。从滤波时刻nT 开始，先保存子惯导系统的导航数据，接收惯性测量单元数据，进行解算，并保存数据，接收主惯导系统数据，提取时标，找到nT 时刻前后两个时刻的主惯导数据，使用一阶线内插公式计算出nT 时刻的主惯导数据，完成nT 时刻的滤波运算，修正子惯导系统误差，最后把保存的数据逐次进行导航解算，得到吊舱所需的实时姿态信息[4]。

图1 主惯导系统与子惯导系统交联关系图

3.5 校靶流程

在机上主惯导系统（惯性导航部件+卫星天线）完成初始对准，进入导航模式后，吊舱开始进行动态校靶工作。子惯导在整个工作过程中，根据指定频率接收主惯导传输的导航数据，并根据子惯导系统内部的滤波器，完成初始对准和导航解算任务的同时，实时解算主惯导与子惯导之间的姿态偏差角，并将姿态偏差角输出给吊舱的控制计算机进行校靶矩阵运算，完成动态校靶（如图2 所示）。