提高步战车运动中对空目标指示精度的方法和实现

单东升，邱晓波，楚东来

（1.陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京 100072；2.陆军装甲兵学院士官学校，长春 130117）

0 引言

对空自卫防御是步兵战车小口径机关炮的重要能力之一，射手可以利用光学瞄具的对空射击分划，判断目标航向、航速和距离，实施射击［1］。战车在行进间，射手依据指控系统显示的空中目标坐标数据，操作火炮由对地射击向对空射击转换，由于对地观瞄视场角小，指示精度差时目标难以进入视场，很难快速发现空中目标，导致目标丢失贻误战机，难以快速有效地实施对空射击。

本文以某型步兵战车的现有技术状况为背景，针对步兵战车克服车辆姿态变化的影响，行进间快速控制火炮自动精确指向空中目标的现实问题，提出了一种自动实现对空目标指示的实现方案，和提高指示控制精度及速度的方法，并在实践中取得了良好的试验效果。

1 步兵战车武器控制系统

1.1 系统结构

为满足步兵战车机关炮对空作战的大仰角需求，其武器控制系统在高低向大都采用齿轮- 齿弧传动方式，方位向则多采用传统的齿轮- 齿圈传动方式［2］。

步兵战车武器控制系统是一个可以根据射手操纵台转角改变火炮指向的调速伺服系统，测速机作为调速系统的输出测量反馈元件通常和驱动电机同轴连接；为了实现武器指向的稳定控制，其还安装有高低和方位陀螺仪，以测量反馈火炮偏离惯性空间方位的角度；同时，为了实现车长的目标指示功能，通常还安装有火炮轴线相对炮塔和车体的高低和方位位置传感器。步兵战车武器控制系统的一般结构如图1 所示。

图1 步兵战车武器控制系统一般结构图

1.2 工作模式及控制原理

根据作战需求，它一般有测速机反馈、陀螺反馈和车长目标指示3 种工作模式［3］。

测速机反馈工作模式是典型的调速伺服系统，陀螺反馈工作模式是兼有火炮空间姿态稳定功能的调速伺服系统，可在车辆行进间稳定火炮和改变指向。控制系统原理框图如图2 所示。

图2 速度伺服控制原理框图

车长目标指示功能用于车长对目标的方位向方向指示。车长通过瞄准镜瞄准目标，按下目标指示按钮，武器控制系统自动采集车长瞄准线和武器轴线方位向位置传感器的当前位置码值，计算出沿捷径转动方向和车长瞄准线方位向对应的武器轴线方位向位置码值，通过位置闭环控制武器轴线在方位向指向目标。

因此，车长目标指示工作模式是一种位置控制系统，速度环可处于测速机和陀螺反馈任一模式。车长目标指示时，系统自动变结构为武器轴线随动目标方向线的位置控制系统，当武器轴线和车长瞄准方向一致后，自动退出位置环工作模式，控制系统原理框图如图3 所示。

图3 目标指示位置控制原理框图

2 对空目标自动指示的总体实现方案

如果已知空中目标相对武器轴线的角度，立足现有技术条件，稍加改进，即可借助车长目标指示功能的硬件环境实现对空目标自动指示功能。其总体实现方案如下：

1）通过总线实时获取车载指控系统输出的目标在地理坐标系下的位置信息。

2）通过总线实时获取车载惯性导航系统输出的步兵战车姿态信息。

3）通过坐标变换，利用本车导航提供的战车位置坐标信息，可得到目标相对步兵战车在地理坐标系中的相对位置，再根据惯导系统提供的实时车辆姿态信息，得到车体动坐标系和地理坐标系之间的实时角度关系，最终求出车体动坐标系下目标相对战车当前姿态下的方向角，以此作为武器位置控制系统车长目标指示功能的输入条件，可保证目标指示精度不受车辆运动中姿态变化的影响。

4）现有车长目标指示功能通常只在方位向实现，为了实现对空目标的高低向自动指示功能，以现有的武器高低向位置传感器测量输出的武器轴线相对目标指示线在高低向的误差角，增加高低向位置闭环控制即可实现。

系统总体方案如下页图4 所示，在CA N 总线上连接指控系统、惯性导航系统和武器控制系统，升级指控系统软件和武器控制系统软件，重点实现空中目标方向角解算、对空目标指示位置控制，即可快速实现目标自动指示功能，几乎没有增加硬件成本，具有很高的性价比。

图4 目标自动指示的总体实现方案

3 空中目标方向角解算模型

3.1 地理坐标系下的目标方向角

武器控制系统从指控系统接收到的空中目标位置信息是地理坐标系下的三维直角坐标（xg1，yg1，zg1），惯导系统可输出战车位置的直角坐标或经纬高数据，设置为直角坐标输出形式（xg2，yg2，zg2），二者的位置关系如图5 所示。

图5 地理坐标系中的目标方向角

在地理坐标系中，目标相对于战车的高低角和相对于北向的方位角分别为：

在车体处于水平静止状态下，方位角扣除航向角后，它们和火炮轴线高低位置传感器测量值αt及方位位置传感器测量值βt的差值作为武器目标位置控制的输入量，即可以保证目标指示精度。

由于武器控制是在车体动坐标系下进行的，当战车运动时，目标指示误差是实时变化的，只有把地理坐标系中的目标方向角实时转换到车体动坐标系中，才可以克服车辆姿态对目标指示精度的影响。

3.2 车体动坐标系下的目标方向角

惯导系统输出的车辆航向角、俯仰角和横滚角给出了车体动坐标系Oxtytzt和东北天（EN U）地理坐标系之间的关系［4］，如图6 所示。

图6 车体动坐标系和地理坐标系的关系

动坐标系Oxtytzt的Oyt轴为通过车体质心O点沿纵轴指向车体正前方的方向，Oxt轴为和炮塔座圈平面平行且垂直于Oyt轴指向车体右侧的方向，Ozt轴为垂直于Oxtyt平面向上的方向。车体纵轴方向Oyt在水平面的投影与地理北向之间的夹角为航向角，数值以地理北向为起点，顺时针方向为正，用符号φ 表示；车体纵轴与水平面投影轴的夹角为俯仰角，以车体纵轴在水平面的投影轴为起点，向上为正，用符号θ 来表示；车体绕纵轴相对于铅垂平面的转角为横滚角，从车辆纵轴所在铅垂平面的垂直面为起点算起，右倾为正，用符号γ 来表示。

根据车体姿态角的定义，从地理坐标系到车体动坐标系的变换矩阵可表示为：

将目标位置（xg1，yg1，zg1）和战车位置（xg2，yg2，zg2）的大地直角坐标差值即距离分量转换到车体坐标系下，可表示为：

那么，在车体动坐标系中，目标的高低角αb，方位角βb，分别为：

那么，它们和火炮轴线高低位置传感器测量值αt及方位位置传感器测量值βt的差就是武器目标位置控制的输入量，即车体坐标系下的目标方向角。

由于目标信息不断更新和车体姿态的不断变化，解算出的目标方向角也是不断变化的，在动态情况下，这个位置控制系统具有目标自动跟踪的特性。但最终的射击过程是人工操作的，所以，射手发现目标即可随时中断目标指示状态，进入人工跟踪、瞄准和射击状态。

4 目标指示控制算法设计

4.1 控制方法的选择

车辆运动中武器控制系统通常工作在陀螺反馈模式，目标指示控制过程系统自动变结构为位置控制系统，目标指示过程相当于给系统一个随机大小阶跃输入的响应过程，而且，在控制过程中这个目标值会随着车体姿态的变化而变化，如果直接采用传统的PID 控制方法，位置环只能是比例积分（PI）控制，积分用于静态情况下消除误差，在动态情况下还要对积分项进行改进，消除积分带来的副作用，这种控制方法存在较大的超调，系统的过渡过程时间长，严重影响系统反应时间，而快速响应是对空目标指示防止贻误战机的基本要求。

提高系统控制质量的方法很多，这里采用高志强博士提出的线性自抗扰控制［5］方法。线性自抗扰控制是在经典自抗扰控制［6］基础上进行的一次改进，以PD 作为控制基础发挥系统扰动进行实时补偿的控制精髓，使得系统既能减小零稳态误差，又可有效回避积分环节引起的超调；对扩张状态观测器［7］进行线性化处理，通过带宽的概念量化了参数之间的关系，其控制参数得到了大大的简化，更有利于利用自抗扰控制的思想解决实际问题。

4.2 位置控制器设计

在空中目标指示状态，系统控制结构变化是以当前时刻目标方向角为指令的位置控制系统，系统输出就是武器轴线和目标方向线的夹角，用θ（t）表示，系统输入就是实时解算出的目标方向角，用r（t）表示，为了减小系统超调改善控制质量，采用跟踪微分器安排过渡过程［8］，线性自抗扰控制器结构如图7 所示。

图7 线性自抗扰控制器结构

跟踪微分器的离散方程为：

其中，T 为控制周期，fst 为改进后的最速控制函数，fst 计算公式的离散表达式为：

式中，r 为速度因子，h 为滤波因子。

线性扩张状态观测器（LESO）的离散方程为：

式中，T 为控制周期，z1、z2和z3是观测器根据上个控制周期的控制量u（t）和系统对其响应输出θ（t），通过选择β1、β2、β3和b 参数，观测器对未知模型系统外扰下进行状态估计，得到的系统输出角位置、角速度和角加速度估计值，当参数选择合理时，估计值能很好地反映实际系统的状态，能取得良好控制效果的基础。

把跟踪微分器提取的输入微分量r2（t）引入PD 控制率后的控制率离散方程为：

4.3 控制器参数整定

为了验证算法的正确性和初选算法参数，建立系统的仿真模型如下页图8 所示。

线性自抗扰控制器虽然大大减少了控制器参数，但系统参数整定仍是工程实践中很花时间的过程，由于被控对象的模型很难准确得到，通过仿真手段整定的参数会和实际系统有很大差异，在实际系统中很难得到较理想的控制效果。为此，把仿真出的参数作为实际系统调试的初值，按照以下步骤进行参数整定。

步骤1：屏蔽跟踪微分器和PD 控制率算法，利用速度环整定β1、β2、β3和b 参数，使扩张状态观测器正确反映被控对象状态。

图8 目标指示控制系统结构Simulink 仿真模型

位置环自抗扰控制器设计的被控对象是包含了速度环和电流环的系统，在速度环输入端施加典型激励信号u（t），采集火炮摇架或炮塔陀螺仪的角速度输出信号θ˙（t），同步计算出其积分θ（t）即火炮转过的角度，再利用单独构造的一个跟踪微分器提取出火炮的角加速度θ¨（t），过程中同步进行扩张状态观测器计算并记录z1、z2和z3的值，一个控制周期结束，分别对比系统实际响应θ（t）、θ˙（t）、θ¨（t）和观测值z1、z2、z3的波形，反复修改β1、β2、β3和b 参数的取值，直到观测值和系统实际响应值吻合即找到了合适的参数取值。细化参数的一个例子是，先预置一个较大的b 值，采用0.1 H z 的正弦信号作为速度环输入，逐渐加大幅值使武器轴线的振幅在±3°左右，改变β1、β2和β3参数的取值，使观测值和系统实际响应基本一致，在系统运动过程中人为施加外扰改变系统状态，调整参数b使观测器能够基本适应不同的外扰，再不断提高频率减小振幅验证参数的适应性。

步骤2：继续屏蔽跟踪微分器、采用PD 控制率算法，确定PD 参数kp和kd。

给定最大位置指示角度一半左右的固定值r1作为阶跃输入，令r2=0，调整参数kp和kd使系统响应的超调量不超过15%，震荡次数不超过2 次，使系统处于较强控制状态。

步骤3：采用跟踪微分器算法，确定快速因子Tdr和滤波因子Tdh。

给定最大位置指示角度一半左右的固定值r作为阶跃输入，改变Tdr和Tdh参数，找到系统理想的动态过程状态。符合系统能力的Tdr参数，可使系统无超调达到稳态，PD 参数kp和kd可进一步增大，提高系统快速性和控制精度。

5 实车实验过程及验证

5.1 静止状态导航数据获取及算法正确性验证

选取适当的地形，将步兵战车置于车体对角倾斜状态。用寻北仪和倾角仪测量出车辆当前姿态下的航向角、俯仰角和横滚角，利用GPS 手持机获取车辆位置坐标数据作为验证数据。打开导航系统，设置为直角坐标输出状态，采集车辆的位置坐标、航向角、俯仰角及横滚角。人工和系统测量数据如表1 所示。

表1 人工和系统测量数据表

考虑到人工测量误差，人工测量和惯导度取值基本一致，说明导航系统连接工作正常。

把表1 中导航系统读取值作为初始条件，根据式（2）~ 式（4），人工计算出在车体坐标系中的目标相对车体正前方的高低角、方位角分别为33.0°和29.6°，和软件解算出的值33.013 1 和29.601 2 吻合，证明算法软件编程解算正确。

如果不考虑车体姿态，按照式（1）计算出的高低和方位角分别为35.3°和45°，方位向减去航向角19.1°为25.9°，按照35.3°和25.9°指示目标，和用转换后的33.0 和29.6 指示目标相比，显然，克服了因车体姿态导致的控制误差，提高了目标指示输入量的理论精度。

5.2 实际系统静态控制试验

按照上述固定条件，即假设空中目标悬停车辆静止，每次目标指示前把火炮轴线相对于车体置于正前方零高低角位置，记录控制误差序列，由于观瞄系统有将近10°的视场角，为了确保目标指示的快速性，选择进入终点误差小于0.5°稳定2 s自动终止位置控制，5 次试验的停止位置和时间如下页表2 所示。

可见，对于高低方位大约30°方向的目标指示，系统可以在1.7 s 左右完成目标快速自动指示，大大提高了人工搜寻目标的效率。

5.3 动态跟踪功能和精度试验

选择2 km 远处的静止目标，人工标定目标的地理坐标代替指控系统输入系统，车辆静止状态，使火炮初始处于不同的位置，多次进行目标指示操作，通过调整目标坐标修正人工标定误差，确保每次从瞄准镜看到精确指向目标。

表2 武器轴线的停止位置和时间

启动车辆运动，在任意时刻发出目标指示命令，从瞄准镜应该看到目标指示精度满足要求，并连续观察30 s 左右，整个过程不加人为修正，目标未跑出视场中心对空射击圆环分划，即表明系统动态自动指示修正功能有效且具有很好的自动跟踪特性。

6 结论

本文针对步兵战车人工搜索空中目标困难的问题，提出了一种实现目标指示自动化的方案，并通过引入导航参数，给出了采用坐标变换提高指示精度，通过位置环控制器设计和参数调试，提高系统指示快速性的方法，试验表明了该方案和方法的有效性，为解决步兵战车对空防御能力弱的问题，提供了一种有效的技术途径。