柏 舸,智小軍,劉 杰,沈 波

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)技術(shù)是小口徑榴彈引信實(shí)現(xiàn)定距空炸的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)外計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)技術(shù)研究主要以實(shí)現(xiàn)“精確定距起爆”為目標(biāo)。其基本原理是對于飛行過程中旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定且彈道平直的彈丸,由于發(fā)射時(shí)膛線導(dǎo)程的持續(xù)作用,彈丸在彈道上每轉(zhuǎn)過一圈,就會(huì)沿速度方向前進(jìn)一段距離,此距離值為一確定值;飛行經(jīng)過一定距離時(shí),對應(yīng)彈丸旋轉(zhuǎn)一定的轉(zhuǎn)數(shù),而與炮口速度無關(guān),所以可以通過計(jì)彈丸的轉(zhuǎn)數(shù)來控制彈丸定距起爆,從而避免一般定時(shí)起爆由于炮口初速變化、計(jì)時(shí)誤差等產(chǎn)生的不利影響。小口徑彈引信中計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)的常用方法有三種:離心法、繞心運(yùn)動(dòng)法和地磁法[1]。用離心計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)法和繞心運(yùn)動(dòng)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)法進(jìn)行測量需要分別采用壓阻式應(yīng)變傳感器和加速度傳感器[2],由于它們復(fù)雜度、功耗和成本較高,不適合在小口徑榴彈引信上使用。地磁法具有無源測量、信號(hào)較強(qiáng)、易于處理的優(yōu)點(diǎn),特別適合在小口徑上應(yīng)用[3]。因此,采用地磁法實(shí)現(xiàn)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距較為普遍,它利用彈丸在空中旋轉(zhuǎn)飛行,彈上的地磁傳感器切割磁力線產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電動(dòng)勢來工作[4]。此時(shí),引信的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度最小劃分為地磁傳感器產(chǎn)生的一個(gè)周期(即1轉(zhuǎn)),受彈丸開始旋轉(zhuǎn)與磁傳感器工作起點(diǎn)不同步的影響,計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度至少存在1轉(zhuǎn)的誤差。實(shí)際使用中引信的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距精度為±1轉(zhuǎn),可能會(huì)造成彈丸的炸點(diǎn)散布較大,從而不能滿足定距精度的要求。

因此,針對引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度不易提升而影響彈丸炸點(diǎn)控制的問題,本文提出一種基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信精確定距方法,該方法可以改善引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距精度。

1 計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信定距原理

1.1 地磁法計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信計(jì)數(shù)原理

依據(jù)地磁法設(shè)計(jì)的地磁計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信是利用彈丸在空中旋轉(zhuǎn)飛行,彈上的地磁傳感器切割磁力線產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電動(dòng)勢,即變化的電壓信號(hào)[4]進(jìn)行定距。由于彈丸在空中的飛行姿態(tài)較為穩(wěn)定,地磁傳感器輸出的電壓信號(hào)近似為正弦波,通過對輸出信號(hào)的放大、整形處理,將其轉(zhuǎn)化為一組脈沖信號(hào)作為引信的計(jì)數(shù)基準(zhǔn),通過對脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)。

1.2 計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信炸點(diǎn)散布分析

影響計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距彈藥炸點(diǎn)精度的因素可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差主要包括射角、環(huán)境溫度、風(fēng)力風(fēng)向、火控系統(tǒng)測量和計(jì)算誤差、裝定裝置轉(zhuǎn)換信號(hào)產(chǎn)生的誤差、引信電路起始工作點(diǎn)等。產(chǎn)生的隨機(jī)誤差因素有彈丸質(zhì)心、章動(dòng)角變化、初速跳動(dòng)、計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)器的計(jì)數(shù)精度等。在計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距彈研制中,應(yīng)把重點(diǎn)放在減少隨機(jī)誤差、控制產(chǎn)生影響炸點(diǎn)散布的隨機(jī)誤差源上[5]。針對隨機(jī)誤差源對計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距精度影響已經(jīng)有多篇文章從計(jì)算、數(shù)值仿真到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了射角、初速和質(zhì)量對計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距彈藥的炸點(diǎn)精度影響較小[6]。因此,在彈丸質(zhì)心不變的前提下,改善引信自身的誤差就可以提高引信對彈丸炸點(diǎn)的控制。這里引信自身誤差包括計(jì)數(shù)起點(diǎn)誤差、計(jì)數(shù)精度誤差、爆炸序列誤差以及裝定誤差[7]。

1) 計(jì)數(shù)起點(diǎn)誤差

在發(fā)射起始階段,主要引入的是計(jì)數(shù)起點(diǎn)誤差。對裝有快激活電源的引信來說,彈丸發(fā)射時(shí),電源激活膛內(nèi)開始給引信電路供電,引信接收到裝定信息后,以此為計(jì)數(shù)起點(diǎn)啟動(dòng)計(jì)數(shù),這個(gè)過程帶來的誤差就由電源激活和接收裝定信息兩個(gè)動(dòng)作引入。電源激活時(shí)間在1 ms內(nèi)完成,整個(gè)裝定過程的耗時(shí)為1 ms,因此引信的計(jì)數(shù)電路延時(shí)10 ms后才開始計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)工作,將這10 ms的誤差作為系統(tǒng)誤差放到火控中修正,盡可能地消除計(jì)數(shù)起點(diǎn)誤差的影響。

2) 爆炸序列誤差

此誤差主要是指爆炸序列點(diǎn)火傳爆過程需要的延遲時(shí)間,一般爆炸序列傳爆延遲都非常小,對炸點(diǎn)誤差的影響極小,可忽略不計(jì)。

3) 計(jì)數(shù)精度誤差

此誤差表現(xiàn)為計(jì)數(shù)誤差,貫穿于全過程。地磁傳感器決定著計(jì)數(shù)器的穩(wěn)定性和精度,它必須能夠承受高過載、高沖擊的彈丸發(fā)射環(huán)境,而且能夠保證轉(zhuǎn)數(shù)準(zhǔn)確而穩(wěn)定地輸出,不能出現(xiàn)漏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。但受地磁傳感器自身工作原理、尺寸和功耗的影響,目前計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)的最小劃分計(jì)數(shù)為1轉(zhuǎn),那么引信空炸精度至少都要1轉(zhuǎn),這樣誤差可能會(huì)影響到彈丸炸點(diǎn)精度。因此,在不增加電路功耗和硬件成本的前提下,實(shí)現(xiàn)更小劃分地計(jì)數(shù)就成為提高引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度的核心問題。

2 基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的定距方法

引信通常是通過地磁傳感器、磁阻芯片等識(shí)別彈丸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù),這類傳感器都是將地磁場信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)電信號(hào)作為引信計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘,信號(hào)的分辨率直接影響計(jì)數(shù)精度。為提高計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信的定距精度,提出了一種基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的引信定距方法,該方法在不需要增加硬件復(fù)雜度的前提下,通過改變引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率,進(jìn)而提高計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)定距的精度。

2.1 計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率

計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率可以解釋為在時(shí)域圖橫坐標(biāo)上的最小計(jì)數(shù)間隔,其大小代表著對模擬信號(hào)采樣后得到的離散信號(hào)中點(diǎn)的密集程度,數(shù)學(xué)公式為Ts=1/Fs,點(diǎn)越密集,信號(hào)的分辨率越高。如果把彈丸在空中旋轉(zhuǎn)一圈地磁傳感器輸出的一個(gè)正弦信號(hào)看作一個(gè)點(diǎn),那么這時(shí)的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率就為1轉(zhuǎn),引信計(jì)數(shù)電路的最小計(jì)數(shù)單位為1轉(zhuǎn)。如果可以將1轉(zhuǎn)分割成若干份,那么時(shí)域內(nèi)的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率也就得到了提高。

2.2 方法的基本原理

基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信精確定距方法需要預(yù)先設(shè)定引信的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)劃分為1/N,火控根據(jù)目標(biāo)距離、導(dǎo)程和計(jì)數(shù)劃分等要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將信息轉(zhuǎn)化為裝定數(shù)據(jù)A發(fā)送給裝定器(A為N的整數(shù)倍);裝定器對引信裝定數(shù)值為A-N,彈丸發(fā)射后,引信彈旋信號(hào)處理電路對轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,并記錄第1轉(zhuǎn)所用的時(shí)間tn;以第2轉(zhuǎn)為起始時(shí)刻,彈丸旋轉(zhuǎn)第n圈時(shí)彈旋信號(hào)處理電路以彈丸旋轉(zhuǎn)第n-1圈所記錄的時(shí)間tn-1替代tn為基準(zhǔn)(n>1),根據(jù)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率劃分為1/N轉(zhuǎn)的要求,設(shè)置定時(shí)器時(shí)間為tn-1/N,每tn-1/N時(shí)間輸出1個(gè)方波信號(hào)給計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)電路,計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)電路接收到A-N個(gè)方波信號(hào)時(shí),執(zhí)行級(jí)電路輸出起爆信號(hào),實(shí)現(xiàn)了計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率為1/N。方法的工作流程見圖1。

圖1 基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信精確定距方法流程圖

用具體實(shí)例對本文方法的實(shí)現(xiàn)過程做進(jìn)一步說明,如圖2所示。設(shè)彈丸飛行到目標(biāo)距離需要100轉(zhuǎn),引信電路的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率為1/8,火控轉(zhuǎn)化出的裝定數(shù)據(jù)為800,裝定器對引信裝定數(shù)值就為800-8=792,彈丸發(fā)射后,彈旋信號(hào)識(shí)別電路對彈丸旋轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,記錄彈丸旋轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間tn;以彈丸旋轉(zhuǎn)第2轉(zhuǎn)的起始時(shí)刻開始,彈丸旋轉(zhuǎn)第n圈時(shí)彈旋信號(hào)處理電路以彈丸旋轉(zhuǎn)第n-1圈所記錄的時(shí)間tn-1替代tn為基準(zhǔn),由于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)劃分為1/8,處理電路的定時(shí)器時(shí)間設(shè)定為tn-1/8,每tn-1/8時(shí)間輸出1個(gè)方波信號(hào)給計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)電路;計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)電路接收到792個(gè)方波信號(hào)時(shí),此時(shí)彈丸剛好旋轉(zhuǎn)了100轉(zhuǎn),電路輸出起爆信號(hào),實(shí)現(xiàn)了計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度劃分為1/8轉(zhuǎn)的要求。

圖2 1/8計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率實(shí)例示意圖

3 驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室對本文方法進(jìn)行兩方面的有效性驗(yàn)證,首先在一發(fā)引信電路上采用同一計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率,驗(yàn)證不同轉(zhuǎn)數(shù)值下的計(jì)數(shù)正確性;其次對一發(fā)引信電路裝定相同轉(zhuǎn)數(shù)值,改變其計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率,驗(yàn)證分辨率變化對引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度的影響。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照文獻(xiàn)[8]中的方法進(jìn)行搭建。在轉(zhuǎn)速為12 000 r/min情況下,引信電路計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率設(shè)置為1/10,將不同的轉(zhuǎn)數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的裝定數(shù)值,對引信電路進(jìn)行裝定計(jì)數(shù)正確性測試,結(jié)果見表1。

表1 計(jì)數(shù)正確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1測試結(jié)果看,輸出的裝定數(shù)值與實(shí)際裝定數(shù)值之間存在1個(gè)數(shù)值誤差,這個(gè)誤差是由于測試系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)起點(diǎn)不同步造成的,對電路的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)正確性不會(huì)產(chǎn)生影響。

再將轉(zhuǎn)數(shù)固定為400 r,改變引信電路內(nèi)部的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率,其他實(shí)驗(yàn)條件不變,觀察電路計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度的變化,測試結(jié)果見表2。

表2 不同分辨率下實(shí)測裝定數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2中記錄了當(dāng)引信電路計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率為1、1/2、1/5、1/10時(shí)讀出的裝定數(shù)值,對每種分辨率下的電路進(jìn)行10次測試。這里利用式(1)和式(2),求取讀出的裝定數(shù)值精度,分析每組數(shù)據(jù)的精度變化。

(1)

(2)

將所得裝定數(shù)值平均誤差乘以計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率得到計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)均值誤差,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同分辨率下計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)表

由表3數(shù)據(jù)結(jié)果看,隨著計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的提高,計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)均值誤差越來越小,引信電路的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度越高。

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

將本文方法應(yīng)用到榴彈引信上進(jìn)行靶場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采用對比法,分兩種狀態(tài)進(jìn)行-本文方法的有效性驗(yàn)證。第一組狀態(tài)是保持原計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率1 轉(zhuǎn)不變,第二組狀態(tài)是將計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率設(shè)置為1/10,每組各采集有效數(shù)據(jù)10發(fā)。裝定目標(biāo)距離為800 m,在預(yù)定距離前后間隔1 m樹立若干標(biāo)桿,架設(shè)高速錄像,當(dāng)彈丸飛到預(yù)定距離時(shí)空炸,記錄空炸距離。

發(fā)射器射角確定為86密位,正式試驗(yàn)開始前,對兩組試驗(yàn)彈的裝定數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,確定第一組裝定數(shù)據(jù)為830,第二組裝定數(shù)據(jù)為8 290,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 空炸距離精度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文從計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信自身出發(fā),分析得出引信計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度不高可影響炸點(diǎn)精度,進(jìn)而提出一種基于計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信精確定距方法,該方法在不增加地磁傳感器復(fù)雜度的前提下,通過改變計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率,結(jié)合遞推法擬合出引信的計(jì)數(shù)脈沖。采用計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)引信測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,分析得出提高計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)分辨率可以提升引信的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度,同時(shí)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度不受影響。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,該方法提高了引信的計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)精度,進(jìn)而提高了彈丸精確打擊能力。