專利名稱：飛機激光空中射擊模擬器的制作方法
技術領域：
本發明是一種飛機激光空中射擊模擬器，安裝在飛機上用做飛機作戰的模擬訓練系統，特別適用于戰斗機航箭、航炮的空戰格斗或對地面目標攻擊的戰術、技術訓練。
傳統的空中攻擊訓練，通常采用兩種方法。一種方法是打空靶，目標機拖著一個靶標，此種方法對攻擊機、目標機的飛行動作限制甚多，僅適用于部分技術訓練，對高速戰斗機不適用。第二種方法是照相攻擊。此種方法作為技術訓練雖優于打空靶，但可信度低、且不能實時檢驗攻擊效果，攻擊機照相捕獲目標機后目標機并不知道自身是否被“擊中”。因此被“擊中”的飛機不能及時退出戰斗，需要格斗后再對照相的結果進行判讀。美國專利US4273536提出的一種激光火炮模擬系統，適用于飛機的火炮射擊模擬訓練，它包括有模擬飛機火力射擊的激光器及相關的電子裝置組成，它的模擬過程是利用第一次發射的扇形激光脈沖捕捉目標，激光脈沖碰到目標反射，攻擊機接收到目標反射信號，進行處理，測得目標的方位和距離，利用光束偏轉器控制激光束的方向，光束偏轉器采用聲光偏轉器。根據第一次發射的測量激光脈沖提供的距離方位信息，發射第二次“炮彈”激光脈沖，如果命中目標，目標即可顯示信號，如發聲、發煙，并記錄下來。攻擊機也可利用接收到的回波信號判斷目標是否命中。美國專利US4273536提出的模擬系統，飛行員操作的設備和按鈕是該火炮模擬系統的專有設備和按鈕，不是飛行員實際作戰時操作的飛機原有的設備和按鈕，與飛機上原有設備相脫離，而且激光束的偏轉控制設備復雜。
本發明的目的是提供一種對空或對地面攻擊訓練中仿真度高，能實時顯示攻擊效果，可連續攻擊的模擬訓練裝置。
本發明的第二個目的是飛機加裝模擬裝置后，飛行員對模擬系統的操作與飛機實際作戰時的操作完全一致，不因為加裝模擬裝置而增加其他操作。
本發明的第三個目的是飛機加裝模擬裝置后，不改變飛機的空氣動力性能，不干擾其它機載設備。
本發明的飛機激光空中射擊模擬器是攻擊機利用瞄準具瞄準，激光器發射的脈沖激光束模擬火炮射擊，利用與瞄準具隨動的陀螺控制激光束軸線與瞄準線同步，目標機利用接收到的激光信號進行光電轉換和信號處理，完成效果顯示，實施飛機空中攻擊模擬訓練。
本發明的附1.裝有射擊模擬器的飛機攻擊訓練示意2.模擬器原理框3.瞄準具構成的修正角示意4.激光出射光路系統圖5.隨動陀螺控制電路a.主線圈控制電路b.抬高角線圈控制電路c.迎角線圈控制電路d.側滑角線圈控制電路圖6.距離比較電路原理框7.a.激光發射電路原理框圖b.激光調制電路的波形8.激光信號接收器原理框圖飛機激光空中射擊模擬器(見圖2)主要有用于模擬飛機火力射擊的激光器4，測距雷達6，射擊按鈕8，余彈指示器9，用于接收攻擊機激光模擬攻擊信號的激光信號接收器11，以及用于擊中效果顯示的發煙裝置12，音響裝置13和記錄裝置14，記錄裝置14也執行攻擊機攻擊信號的記錄。本發明的特征還包括兩個相同型號的三自由度內框式電磁陀螺，一個是攻擊機機載的瞄準具1的陀螺，另一個是用于控制激光束的隨動陀螺2，激光束出射的光路系統3，保持隨動陀螺2與瞄準具1的陀螺同步的隨動陀螺控制電路5，用于雷達測距與光學測距進行比較的距離比較電路7，受距離比較電路7、射擊按鈕8、余彈指示器9控制的射擊門電路10。
機載武器發射時要考慮到武器彈道參數，目標速度以及攻擊機的飛機狀態等因素的影響，需要對武器發射軸線進行修正。圖3是瞄準具構成的修正角示意圖。其中ψ為修正目標運動而造成的射擊偏差，武器軸線相對目標線OM提前的角度，d為修正彈道向下彎曲而造成的射擊偏差，武器軸線相對目標線OM抬高的角度，β為修正攻擊機運動狀態而造成的射擊偏差，武器軸線相對目標線OM構成的迎角帶偏修正角及側滑帶偏修正角。φ總為綜合上述各角的總修正角。飛機射擊瞄準具所要解決的根本問題就是要建立準確的總修正角φ總。
在利用激光束模擬武器射擊時，由于激光是以光速傳輸的，在激光束軸線與瞄準線方向一致時發射激光束即可“擊中”目標。實現激光束軸線與瞄準線一致的方法，是使激光束軸線與武器軸線的夾角保持瞄準線與武器軸線構成的總修正角相同，即以激光束構成的修正角模擬瞄準具構成的修正角。也就是說，上述兩個角應該相同。為使激光束構成的總修正ψ總與瞄準具1構成的總修正角ψ總相同。本發明模擬器的實施例是采用兩個相同型號的三自由度內框式電磁陀螺，一個是飛機原有的瞄準具1的陀螺，另一個是用于控制激光束出射方向的隨動陀螺2，隨動陀螺2選用與瞄準具1同型號的陀螺，隨動精度容易實現。借助于隨動陀螺2的陀螺鏡控制激光束方向，使得激光束瞄準線同步。稱這種模擬方式為陀螺隨動，激光發射，構角模擬。
本發明的飛機激光空中射擊模擬器實現隨動陀螺2跟隨瞄準具1的陀螺同步的方法，是從瞄準具1陀螺的各線圈中取出相應的電壓信號，經隨動陀螺2的控制電路5處理，輸出電流至隨動陀螺2的各相應線圈。
隨動陀螺2的控制電路參見圖5。控制電路5用以控制隨動陀螺2的運動，使激光束和瞄準具分別與武器軸線構成相同的總修正角ψ總，保證出射的激光軸線與瞄準具1的瞄準線OM重合。為此隨動陀螺各線圈電流應滿足下述要求I主F＝K1I主……(1)I抬F＝K2I抬……(2)I迎F＝K2I迎……(3)I側F＝K2I側……(4)式中K1、K2為系數;I主F、I抬F、I迎F、I側F分別為隨動陀螺2的主線圈，抬高角線圈，迎角線圈，側滑角線圈的電流;I主、I抬、I迎、I側分別為瞄準具1陀螺的主線圈、抬高角線圈、迎角線圈、側滑角線圈的電流。主線圈控制電路如圖5a所示。
u208為瞄準具1主線圈取出的信號電壓，其大小為U208＝I主·R主其中R主的阻值可以從主線圈電路計算得到。
YF4是隨動陀螺2主線圈控制電路第一級，采用運算放大器，其同相端輸入信號是u208，反相端輸入信號是+15V電壓，輸出電壓為uA＝- (R44)/(R41+R45) ×15+ (R43)/(R42+R43) ·(1+ (R44)/(R41+R45) )u208＝-A41×15+A42·u208CW3為隨動陀螺2主線圈控制電路第二級，是集成穩壓器，其最大輸出電流可達1.5安。當輸入電壓uBA＝7-35伏時輸出電壓uCA恒等于5伏，YF4與CW3偶合，c點對地電位為uC＝uCA+uA＝5-A41×15+A42·u208適當選取YF4的各電阻值，使CW3的輸入電壓uBA在規定數值范圍內，并使輸出電壓uC為uC＝A42·u208……(5)此時流過隨動陀螺2主線圈Q1F·Q2F的電流為I主F＝ (A42·U208)/(R47+RQF) ＝ (A42·R)/(R47+RQF) ·I主…(6)式中RQF為Q1F、Q2F的電阻值。
適當選取放大系數A42、R47的大小，則I主F滿足(1)式的要求。I主與I主F為線性關系。R45是調零電阻，R47為可調電阻，用以補償陀螺性能的差異。
抬高角線圈控制電路如圖5b所示。該電路只采用一個運算放大器YF1。輸入信號為u301，u316分別從瞄準具1的抬高角線圈兩端取出，大小滿足下述關系u316-u301＝I抬·R抬……(7)式中R抬為抬高角線圈電阻值。
當R11＝R12·R14＝R13時YF1的輸出電壓為uO＝ (R14)/(R12) (u316-u301)＝A1·R抬·I抬……(8)流過隨動陀螺2的抬高角線圈Q4F的電流為I抬F＝ (u0)/(R15+R抬F) ＝ (A1·R抬)/(R15+R抬F) ·I抬……(9)適當選取放大倍數A1·電阻R15的大小。則I抬F滿足(2)式的要求。I抬與I抬F為線性關系。電路中R15為可調電阻，用以補償陀螺性能的差異。
迎角線圈和側滑角線圈控制電路分別如圖5C和5d所示，其工作原理與抬高角線圈控制電路原理相同。
為了防止飛行員在使用光學測距時，光環尚未包好目標(即未測準距離)，就發射激光，本發明的模擬器采用光學測距與雷達測距比較電路7，使得激光發射電路受距離比較電路7的控制，只有當瞄準具1的光學測距與測距雷達6的雷達測距差值在規定的允許值范圍內才能接通激光器4的發射電路，否則激光器4的發射電路被斷開。圖6所示是距離比較電路的原理框圖。它包括測距信號變換電路20、雙限比較器21、繼電器控制電路22。信號變換電路的輸入uLD和uGD分別為雷達測距電壓信號和光學測距電壓信號。測距信號變換電路20的輸出為與雷達測距和光學測距差值ΔD有關的電壓ΔuΔu＝A·(DL-DG)＝A·ΔD式中A為測距信號變換電路20的放大系數，DL為雷達測距的距離，DG為光學測距的距離，ΔD為光學測距誤差。
雙限比較器21用于判斷輸入的Δu信號是否處于兩個指定門限電位之間。當位于兩個門限電位之間時，輸出為低電位，否則輸出為高電位。雙限比較器21的輸出加給激光發射電路控制繼電器，雙限比較器21輸出低電位，控制繼電器接通激光器4發射電路，否則斷開。
另外，本發明模擬裝置的激光發射還受余彈指示器9，射擊按鈕8的控制。因此，只有當距離比較電路7、余彈指示器9和射擊按鈕8三個條件同時滿足時才能發射激光束。上述三個輸出信號經射擊門電路10與激光發射電路接通。
本發明的模擬器采用半導體激光器。為提高接收信號的功率，需選用發散角小，發射功率大的大光腔激光器。所用的激光器功率為15-20瓦，重復頻率為5千周，脈沖寬度為300毫微秒。閾值電流6-8安，工作波長9100埃+30埃(工作溫度300°K時)。為實現激光器4的最大功率輸出，設計了專用的激勵電路。該電路由四部分組成(見圖7a)，包括有三端穩壓片組成的穩壓電路23，集成電路組成的激光脈沖調制電路24，間歇振蕩器組成的激光脈沖形成電路25，大功率開關管脈沖功率放大電路26。
穩壓電路23為發射電路提供穩定的24伏直流電壓。脈沖調制電路24振蕩周期為60毫秒，工作波形如圖7b所示，在T1期間為正脈沖，具有高電平，利用此高電平給下一級激光脈沖形成電路25的間歇振蕩器加上正偏壓，使其具有脈沖輸出。在T2期間為低電平，關閉間歇振蕩器，使其沒有輸出，由此實現調制的目的，用以模擬航炮或航箭發射的情況。30-1航炮的射速每發周期約為60毫秒。擬采取60毫秒發射出一個激光脈沖串，代表發射一發炮彈。由于發射出的激光脈沖串受脈沖調制電路24的控制，只是在T1期間才有連續的脈沖激光束射出，T2期間沒有脈沖激光束射出。
激光脈沖形成電路25是一個自激間歇振蕩器，其輸出脈沖頻率為5000赫，間歇振蕩器占空比大，輸出功率強，可使輸出脈沖寬度達到毫秒級，脈沖功率放大電路26為激光器4提供足夠的激勵電流。
本實施例的模擬器安裝在飛機座艙內，模擬器的激光出射光路系統如圖4所示。激光器4發射的散射狀激光經聚光鏡15會聚成平行光束，再經陀螺鏡16及中心反光鏡17，穿過透光窗玻璃18射向前反光鏡19，反射出座艙玻璃，從機頭方向射向目標機。陀螺鏡16是光學系統中的可動元件，受隨動陀螺2控制，當陀螺鏡16改變角度時，射出的激光束在空間的角度也隨之改變。本實施例根據30-1航炮射彈散布狀況，在目標機距離D＝1000米時，炮彈散布面直徑為5米，要求激光束在同樣距離上的光斑直徑亦應接近5米。為此，聚光鏡15的焦距f選用50毫米，直徑Φ選用25毫米，激光器4置于聚光鏡15的焦點位置，可接收28°發散角范圍的激光。為了提高激光束質量，減少在光路中的能量損耗，各反光鏡均鍍波長為0.9微米的紅外激光高反膜，透光窗玻璃鍍增透膜，使得0.9微米的紅外激光束獲得高反射，可見光又可以通過，因而使得飛行員的瞄準視線不受影響。
本發明模擬器的激光信號接收器11如圖8所示。由濾光片27，光電轉換器28，放大電路29，帶通頻率濾波電路30，脈沖寬度濾波電路31，濾波器門電路32和脈沖計數濾波電路33組成。脈沖計數濾波電路33的輸出信號控制音響裝置13，發煙裝置12和記錄裝置14。
激光信號通過濾光片27進入光電轉換器28，光電轉換器28采用硅光電池片，得到的電信號經帶通頻率濾波電路30和脈沖寬度濾波電路31，它們的輸出同時加給濾波器門電路32，濾波器門電路32輸出信號再經脈沖計數濾波電路33控制發煙裝置12，音響裝置13，記錄裝置14。
帶通頻率濾波電路30用于濾除與激光信號頻率不同的干擾信號，大于或者小于激光信號頻率的干擾信號都被濾掉，只允許激光信號頻率能通過帶通頻率濾波電路30。本發明模擬器激光器4的工作頻率是5000赫，本實施例帶通頻率濾波電路30的中心工作頻率為5000赫，通頻帶為±400赫，以適應電路參數漂移和激光信號頻率誤差。脈沖寬度濾波電路31用于濾除脈沖寬度大于基準脈沖寬度的干擾信號。脈沖計數濾波電路33用于濾除非連續性的干擾脈沖串。本實施例設計成只有達到10個連續激光脈沖串的信號才能通過脈沖計數濾波電路33。本發明模擬器激光器4經調制后發射的激光脈沖連續達幾十個，因此激光信號可以通過脈沖計數濾波電路33。凡是連續脈沖個數達不到10個的干擾信號都被濾掉。實際上激光信號接收器11通過帶通頻率濾波電路30，脈沖寬度濾波電路31，脈沖計數濾波電路33三個濾波電路對干擾信號加以濾除，使得激光信號接收器11抗干擾信號的能力大大提高，保證了激光信號接收器11的可靠工作。
本發明的模擬器受瞄準具1和應答機開關的控制，除此之外還有一專用控制器，用以操縱模擬器的通斷，專用控制器上并設有“復位”按鈕和“記錄、充彈”按鈕及余彈指示器9。本發明模擬器的電源用飛機上的電源，本實施例用的是直流27伏和交流115伏，400赫電源。
本發明模擬器的空中使用在需要使用模擬器時，只需按規定的順序接通模擬器，然后按瞄準具在空戰中使用的操縱方法，使光環瞄準目標實施攻擊，模擬器即可正常地發揮作用。
模擬器的接通順序發動機起動前接通機上原有的總電源開關，瞄準具1的加溫開關，瞄準具1的工作開關，射擊投彈開關，應答機開關，并把瞄準具1的武器選擇開關置于所模擬武器的位置。
發動機起動后接通模擬器電源開關，按壓“復位”按鈕，使記錄器內的計算機恢復初始狀態，按壓“記錄、充彈”按鈕。(多機在同一空域模擬攻擊飛行時，各機的記錄器“記錄、充彈”按鈕在指揮員統一命令下按下。)記錄器“記錄、充彈”按鈕按下后，記錄器打印機號、姓名，并進入記錄狀態。
飛機起飛后，將瞄準具1的陀螺鎖定手柄置于“開動”位置，按下穩環按鈕，待光環穩定后，模擬器即處于正常工作狀態。模擬攻擊中如發現余彈指示器9的指示燈熄滅，可根據需要按壓控制器上的“記錄、充彈”按鈕，進行再次“裝彈”。
在模擬攻擊訓練中，一定要將機載武器的發射電源斷開，以防發射真彈。
本發明模擬器的優點是模擬作戰仿真度高，飛行員對帶模擬器飛機的操作與實戰的操作相同，沒有其他附加操作，允許雙機或多機對攻的空戰訓練，模擬器不影響機上電子設備的正常工作，不影響飛機的空氣動力性能。本發明的飛機激光空中射擊模擬器為空軍戰斗機飛行員的實戰訓練提供了一個可靠有效的手段。
權利要求
1.一種適用于航炮、航箭對空或對地面目標攻擊的戰術、技術訓練的飛機激光空中射擊模擬器，由瞄準具1、模擬飛機火力射擊的激光器4、測距雷達6、射擊按鈕8、余彈指示器9、激光信號接收器11以及用于顯示攻擊效果的發煙裝置12、音響裝置13和記錄裝置14等組成，本發明的特征是增加一個隨動陀螺2，通過隨動陀螺2與瞄準具1的陀螺同步隨動，使激光束模擬瞄準線構成總修正角ψ總，控制激光束與瞄準線同步，另外，還有隨動陀螺控制電路、激光光路系統、激光發射控制電路、激光接收處理電路和距離比較電路等，以實施空中射擊模擬。
2.根據權利要求1所述的射擊模擬器，其特征是控制激光束出射方向的隨動陀螺2采用與瞄準具1的陀螺同型號的內框式三自由度電磁陀螺，隨動陀螺2的控制電路采用四個運算放光器，分別控制主線圈電流、抬高角線圈電流、迎角線圈電流和側滑角線圈電流，實現控制隨動陀螺2的運動。
3.根據權利要求1所述的射擊模擬器，其特征是激光光路由會聚激光束的聚光鏡15、控制激光束方向的陀螺鏡16、中心反光鏡17、透光窗玻璃18和前反光鏡19等組成。
4.根據權利要求1所述的射擊模擬器，其特征是激光的發射選用發散角小、發射功率較大的半導體大光腔激光器，其激光發射控制電路由四部分組成(1)由三端穩壓片組成的穩壓電路23;(2)由集成塊組成的脈沖調制電路24;(3)由間歇振蕩器組成的激光脈沖形成電路25;(4)由大功率開關管組成的脈沖功率放大電路26。
5.根據權利要求1所述的射擊模擬器，其特征是激光接收處理電路由濾光片27、光電轉換器28、放大電路29、帶通頻率濾波電路30、脈沖寬度濾波電路31、濾波器門電路32和脈沖計數濾波電路33組成，脈沖計數濾波電路33的輸出信號控制發煙裝置12、音響裝置13和記錄裝置14。
6.根據權利要求1所述的射擊模擬器，其特征是距離比較電路由測距信號變換電路20、雙限比較器21和繼電器控制電路22等組成，以完成光學測距信號與雷達測距信號的比較。
全文摘要
本發明是一種飛機激光空中射擊模擬器，適用于裝在戰斗機上模擬航炮、航箭的空戰格斗或對地面目標攻擊的戰術、技術訓練。本模擬器由瞄準具、模擬飛機火力射擊的激光器、測距雷達、射擊按鈕、余彈指示器、激光信號接收器和攻擊效果顯示等組成。通過與瞄準具隨動的陀螺，控制激光束與瞄準線同步，運用光電轉換和信號處理，完成瞄準、射擊和效果顯示，實施空中射擊模擬。本模擬器仿真度高，能實時顯示攻擊效果，性能穩定，工作可靠。
文檔編號B64D47/00GK1031891SQ8710496
公開日1989年3月22日 申請日期1987年7月25日 優先權日1987年7月25日
發明者黃尊文, 金九普, 汪立杰, 陳能達, 張先永, 潘守禮, 陳文華, 姜國衛, 汪存禮, 陳德金 申請人:空軍第一航空技術專科學校