瞄准稳定系统：上反稳像与下反观瞄技术

稳像火控系统就是一种能够在行进间实施有精度射击的火控系统，能在运动中精确瞄准目标，是稳像火控系统和简易火控系统的本质区别之一。简易火控系统采用的是瞄准线随动于火炮轴线的系统结构，由于火炮轴线稳定精度不高，所以只能依赖火炮稳定功能在行进间观察。稳像式火控系统采用的是独立瞄准线稳定结构，由于决定瞄准线方向的光学部件都在瞄准镜里，质量又都较小，所以其精度可以控制得较高，这就是稳像火控系统可以在车辆行进间精确瞄准目标的原因。目前在国际上广泛使用的是通过控制上反射镜来实现瞄准线稳定的方案，被称为上反稳像方案，由此技术构成的火控系统，叫上反稳像火控系统。我国在“上反”方案未能获得技术突破时期，自主创新了一种通过控制下部反射镜组件实现的瞄准线稳定方案，被称为下反稳像方案，由此技术构成的火控系统，叫下反稳像火控系统。

1.下反稳像

（1）下反稳像系统构造和原理

下反稳像式瞄准镜是下反稳像观瞄系统的重要构成部分，安装于炮塔内、炮长正前方位置，通过镜体两侧的耳轴吊挂在炮塔上，在火炮摇架和镜体上各选择一个支点通过连杆相连，两个支点、镜耳轴和炮耳轴具有平行四边形的关系，如图5-6所示。这种结构保证了火炮绕炮耳轴的转角和镜体绕镜耳轴的转角相等，由于在这种情况下利用下部反射组件的控制实现了瞄准线的独立稳定，所以，在镜体中即可方便实现瞄准线和火炮轴线误差角的测量，从而构成稳像火控系统。

图5-6　下反瞄准镜安装示意图

下反稳像瞄准镜采用一个三自由度陀螺直接稳定炮长瞄准镜主光路中一个120°等腰棱镜，实现视场和瞄准线在方位向、高低向都被稳定的目的。因120°等腰棱镜位于光路的下部，故称为下反稳像。图5-7给出了下反稳像式火控系统瞄准光路示意图。

在镜体未摆动时，与陀螺转子轴线平行的入射光线，经过光学系统，最后出射时与目镜轴线平行。如果在镜体摆动时，经过如图5-7所示的光学系统，能保证出射光线与目镜轴线摆动相同的角度，即保证出射光线始终与目镜轴线平行，则炮手从目镜观察的景像将稳定不动，从而达到稳像的目的。下面简要说明该光学系统是怎样实现稳像的。

入射光路最前端安装有五角棱镜，依次是2×补偿光组、45°棱镜、120°棱镜、3×光组和目镜。五角棱镜保证出射光线与入射光线垂直。当镜体顺时针转动α 角时，相对2×补偿光组光轴，入射光线逆时针偏转α 角，如图5-8所示。对于2×补偿光组，入射光线逆时针偏转α 角时，出射光线顺时针偏转2α 角。当入射光线顺时针偏转2α 角时，出射光线逆时针偏转2α 角。当镜体顺时针转动α 角时，由45°棱镜出射的光线相对镜体逆时针偏转2α 角。由于120°棱镜被陀螺仪稳定保持原位不动，则由45°棱镜入射到120°棱镜的光线将逆时针偏转α 角。按照光学原理不难分析出，由120°棱镜出射的光线将顺时针转动α 角。由于3× 光组和目镜此时与镜体一起顺时针转动α 角，即和120°棱镜出射的光线转动角度相等，因此炮手观察景物和目标是不动的。

图5-7　下反瞄准光路示意图

在下反稳像瞄准镜稳定系统中，120°三反射面等腰棱镜固定在陀螺仪的内环转子轴上，被三自由度陀螺仪独立稳定，其余光学零件均被固定在瞄准镜的镜体上，镜体通过四连杆与火炮连接。当镜体摆动时，由二倍望远镜组（也称补偿光组）补偿120°等腰棱镜产生的二倍角差，使瞄准线与陀螺仪Z 轴保持平行一致，从而达到视场稳定的目的。

图5-8　高低向稳像原理示意图

在稳像工况下，陀螺仪Z 轴代表了瞄准线的状态；镜体上其他光学元件的状态代表了火炮的状态。等腰棱镜被陀螺仪独立稳定，车体不动时，三倍镜组光轴、直角棱镜横轴及五角棱镜的出射轴（瞄准轴）与陀螺仪Z 轴平行，二倍镜组光轴与陀螺仪Z 轴垂直（夹角90°）。当车体运动时（譬如上坡），其他光学元件随车体上坡而后仰α 角；三倍望远镜组光轴相对Z 轴向下偏α 角，经等腰棱镜后，以相对Z 轴向上偏α 角射向直角棱镜，由于直角棱镜向后偏α 角，由直角棱镜射向二倍镜组的光线与Z 轴成90°+3α 角，此时二倍镜组的光轴与Z 轴成90°+α 角，即直角棱镜射向二倍光组的光线相对于二倍镜组光轴偏角为2α，由于负二倍镜组的补偿作用（将输入的2α 角缩小变成-α 角），经二倍镜组后，射出的光轴与Z轴呈：

(90o-α)+α=90o

由于五角棱镜始终保持入射光轴与出射光轴呈90°，所以，经五角棱镜射出的光轴与Z 轴平行。因此，当车体高低向后仰时，只要等腰棱镜被陀螺仪稳定不动，观察者所看到的图像就是稳定不动的。

（2）炮长下反稳像观瞄系统的特点

① 视场、瞄准线独立稳定。

炮长下反稳像瞄准镜的视场和瞄准线独立稳定，不受装备在行进间的振动、冲击等各种因素干扰。炮长通过稳像瞄准镜在捕捉目标、跟踪、测距直至射击的过程中，瞄准分划始终指向目标，整个射击过程仅需一次瞄准。

② 火炮随动于瞄准线。

由于瞄准线与火炮各自通过陀螺仪稳定，因此，瞄准线与火炮各自独立，通过火炮定位传感器瞬时输出火炮偏离瞄准线的偏离角信号，计算机控制火炮控制系统驱使火炮向瞄准线逼近，从而实现瞄准线指向哪里，火炮跟随到哪里的功能。

③ 昼夜观瞄和激光测距于一体。

炮长下反稳像观瞄系统是集昼视稳像瞄准镜、激光测距仪和二代微光夜视仪于一体的“三合一”观瞄仪器。它为炮长全天候作战提供观瞄和测距条件。

④ 直接输出目标角速度。

炮长下反稳像瞄准镜中陀螺仪上的力矩器，构成目标相对运动角速度传感器，测量目标的相对运动角速度；炮长稳像瞄准镜中陀螺仪上的反射式光电编码器，形成角度传感器，测量火炮偏离瞄准线的角度。

⑤ 防护性能好。

炮长稳像瞄准镜由于采用下反稳像方式，减小了瞄准镜头部的质量，减小了瞄准镜头部体积，降低了安装高度，使瞄准镜在战斗中不易遭到攻击，从而获得好的防护性。

⑥ 具有多级降级使用功能和应急射击功能。

炮长下反观瞄系统在稳像工况下，可实施行进间对各种目标的观瞄、测距和射击。稳像工况故障时，可降级到自动装表工况继续使用。当整个火控系统故障时，瞄准镜可降级到手动装表工况继续使用。在紧急操作模式下，利用直射分划，无须测距即可对近距离危险目标直接瞄准射击。

⑦ 夜视窗口与昼视1 倍窗口共用。

由于炮长微光瞄准镜与1 倍潜望镜交替共用一个窗口，使瞄准镜体积大为减小，给装甲车辆乘员提供了较宽敞的活动空间，且采用挂扣链连接方式，互换方便。

⑧ 昼视分划向夜视投影。

由于采用了昼用的瞄准分划（三角分划和圆圈分划）向夜视投影的光电系统，夜间也具备对各种目标的射击功能，但夜间不具备行进间射击功能。

2.上反稳像

下反火控系统，陀螺直接稳定瞄准镜中的1200 棱镜，瞄准线的稳定精度高；另外，下反火控系统在我国技术成熟，已具有大批量生产的能力。但这种火控系统光路设计有缺陷，仅在瞄准线和炮身轴线夹角小于30°时系统精度高，大于30°时，精度下降；光线从物镜到目镜通过的光路长，玻璃厚，光线透过率低；光路结构复杂，易产生零位走动。更重要的是，这种火控系统功能扩展受限制，在已有的产品中，夜视及热像光路不能通过1200 棱镜，在这些工作方式下，炮长瞄准不能“稳像”，只能“稳线”。再者，瞄准镜和火炮同步转动采用四连杆传动方案，连杆活动占空间大；另外，坦克行进时，镜体相对炮塔前后摆动，当地形起伏大、坦克行驶速度高时，不利于射手瞄准。

与下反火控系统相比，上反火控系统有着明显的优点。它的光路结构简洁，只需稳定上反射镜；光路短，零位走动容易满足技术指标要求；光线透过率高，可提高微光夜视仪的视距；夜视及热像下工作仍然“稳像”，并很容易扩展成自动跟踪火控系统，以及通过激光制导使坦克具有炮射导弹功能。为此，西方国家和我国新研制的火控系统普遍采用了“上反”方案。

采用“上反”方案，按各国技术发展水平，可选用不同器件。下面介绍一种用积分陀螺仪组成稳定平台的方案。

（1）系统结构

① 双轴陀螺稳定平台。

双轴陀螺稳定平台是上反稳像火控系统的关键部件。

陀螺稳定装置有许多类型，每种类型都可组成双轴陀螺稳定平台（双轴平台）。下面以由两套力平衡式单轴空间稳定平台构成的双轴平台为例进行介绍。图5-9是这种双轴陀螺稳定平台的结构示意图。

图5-9　双轴陀螺稳定平台结构图

由图5-9可以看出，外框架轴垂直安装，上反射镜安装在外框架内且平行于坦克火炮耳轴，上反射镜通过二分之一机构由内框架的转轴带动。内框架上安装着两个浮子式积分陀螺，水平积分陀螺用于感受外框架相对机座的转动，垂直积分陀螺用于感受内框架相对外框架的转动。如前所述，在每个积分陀螺的输出轴上都安装有角度转换器和力矩电动机，在内框架轴上安装有垂直卸荷力矩电动机，在外框架轴上安装有水平卸荷力矩电动机。

② 二分之一机构。(www.xing528.com)

校准好的火炮在瞄准过程中要保证瞄准线与火炮轴线同步转动，按照光学原理，上反射镜转动的角度应为火炮转动角度的一半。例如，当火炮向仰角方向转动角ε 时，上反射镜应向仰角方向转动ε/2。这个任务由二分之一机构完成。图5-10所示为二分之一机构原理图。

图5-10　二分之一机构原理图

（2）基本工作原理

图5-11是将双轴陀螺稳定平台用于上反稳像式火控系统的结构框图。图中，水平解算器和水平卸荷电动机的定子与炮塔刚性连接，而转子安装在外框架的轴上；垂直解算器、上反射镜解算器和垂直卸荷电动机的定子与外框架刚性连接，而转子安装在内框架的轴上；两个液浮积分陀螺的壳体与内框架轴刚性连接；每个积分陀螺内部，力矩电动机和角度转换器的定子与壳体刚性连接，而转子安装在积分陀螺的输出轴上。水平液浮积分陀螺的输入是绕外框架轴的角速度，垂直液浮积分陀螺的输入是绕内框架轴的角速度。下面分析该系统的工作。

图5-11　上反稳像火控系统基本工作原理结构图

1）稳定工作状态

在稳像工作方式下，当系统处于稳定工作状态时，要求稳定平台能隔离坦克运动对上反射镜角度的影响，使上反射镜的精度稳定，从而达到稳像的目的；同时，要求炮塔和火炮有一定的稳定精度。工作原理如下：

在水平向，假设由于车体振动使炮塔向左偏转，在外框架轴摩擦力矩作用下，外框架将带着内框架产生相应转动，从而引起水平液浮积分陀螺绕它自身的输出轴进动，水平角度转换器测得转角ηβ 并输出电压ηu，通过水平放大、校正环节2 作用到水平卸荷电动机，使卸荷电动机产生一个与外框架轴摩擦力矩方向相反、大小几乎相等的平衡力矩，抵消摩擦力矩的影响，从而使内框架连同上反射镜几乎保持原位不动。与此同时，水平解算器定子和转子间产生失调角，发出稳定信号给炮塔驱动系统，使炮塔向右转动，直至恢复到原来位置。

在垂直向，当车体俯仰振动，例如，向仰角方向振动时，陀螺外框架将随之转动。在内框架轴摩擦力矩作用下，内框架将转动，从而引起垂直液浮积分陀螺绕它自身的输出轴进动，垂直角度转换器测得转角εβ，并输出电压εu，通过垂直放大、校正环节2 作用到垂直卸荷电动机，使卸荷电动机产生一个与内框架轴摩擦力矩方向相反、大小几乎相等的平衡力矩，抵消内框架轴摩擦力矩的影响，从而使内框架连同上反射镜几乎保持原位不动。与此同时，如果在火炮耳轴摩擦力矩作用下，火炮向仰角方向偏转了一定角度，则炮解算器将向上反射镜解算器输出一火炮角度信号，上反射镜解算器产生失调角信号ζ，该信号加到火炮驱动系统，使火炮向下转动，直至ζ 信号减小到零，火炮恢复到原来位置为止。

2）瞄准工作状态

在稳像工作方式下，当系统处于瞄准工作状态时，要求炮手通过操纵台驱动上反射镜（瞄准线）转动到要求的角度，并使火炮轴线高精度随动于瞄准线。工作原理如下：

当炮手向左转动操纵台在水平向瞄准时，通过水平放大、校正环节1，将向水平液浮积分陀螺力矩电动机输入一定电压，在力矩电动机作用下，积分陀螺将绕其输出轴转动，水平角度传感器测得转角ηβ，输出电压ηu，经过水平放大、校正环节2，驱动水平卸荷力矩电动机，使外框架轴带动内框架向逆时针方向转动；内框架转动使水平积分陀螺产生陀螺力矩，在稳定状态时，与水平力矩电动机产生的力矩相平衡。操纵台转角越大，水平力矩电动机加在水平积分陀螺框架轴上的力矩越大，外框架转动速度越快。外框架转动带动内框架、上反射镜连同水平解算器转子一起转动；当操纵台返回原位后，外框架立即停止转动。假设解算器转子转动了Δη 角度，此时，由于水平解算器转子偏离了定子的中立位置，遂产生误差信号。该信号加到炮塔驱动系统，驱动炮塔向左转动，直到炮塔向左也转动Δη 角度，使转子又恢复到定子中立位置时停止。

在垂直向，当炮手向仰角方向转动操纵台手柄时，通过垂直放大、校正环节1，向垂直力矩电动机输入一定电压，在力矩电动机作用下，垂直积分陀螺绕其输出轴转动，垂直角度传感器测得转角εβ，输出电压εu，该电压经过垂直放大、校正环节2，驱动垂直卸荷力矩电动机，使内框架轴带着上反射镜连同上反射镜解算器转子一起转动；内框架转动使垂直液浮陀螺产生陀螺力矩，与垂直力矩电动机产生的力矩相平衡。操纵台转角越大，垂直力矩电动机加在垂直液浮陀螺框架轴上的力矩越大，内框架转动速度越快。当操纵台返回原位后，内框架立即停止转动。假设内框架连同上反射镜解算器转子转动到εS 角度（瞄准线也转动到εS 角度），若此时火炮角度为εg，上反射镜解算器将以瞄准线的角度εS 和火炮目前角度εg 的差值ζ 作为误差信号，控制火炮驱动系统，驱动火炮向减小ζ 的方向，即向仰角方向转动，直到火炮角度εg=εS，使误差信号ζ 为零时停止。显然，此时火炮轴线将与瞄准线角度一致。

值得说明的是，上反射镜转动的角度应为火炮转动角度的一半。如前所述，这靠二分之一机构来完成。

3）装表工作方式

当火控系统工作于装表工作方式时，应将工作方式选择开关扳到“装表”位置。此时，火炮双向独立稳定，火控系统无论工作在稳定还是瞄准状态，瞄准线均应随动于火炮轴线。

在装表工作状态，系统将切断积分陀螺原有的输入、输出信号。此时，由角度传感器、附加的放大器（图中未画出）和力矩电动机等三个部件对陀螺构成闭环控制，在陀螺的内框架轴上组成一个等效的“电气弹簧”，使积分陀螺变为力平衡式测速陀螺。从而在装表工作方式下，当炮塔有水平和垂直振动时，使陀螺能保持在一定位置上；而当系统转换为稳像工作方式时，陀螺具有正确的起始工作位置。

装表方式系统工作情况如下：

在水平向，假设炮塔向逆时针方向偏离原位一个角度Δη，则水平解算器定子将偏转同样角度Δη。由于水平解算器转子偏离了定子中立位置，将产生失调角信号；该信号通过水平放大、校正环节3，驱动水平卸荷力矩电动机，使外框架带动内框架连同上反射镜和水平解算器转子一起向逆时针方向转动。当水平解算器转子到达定子中立位置时，即外框架带动上反射镜也转动了Δη 角度时，外框架停止转动。显然，此时瞄准线随动火炮已到达了新的位置。

在垂直向，当炮手通过操纵台进行高低向瞄准时，火炮俯仰角不断变化。假设火炮仰角改变到εg 位置，则位于火炮耳轴的火炮解算器将向上反射镜解算器输出要求的瞄准线角度信号。假设瞄准角为零，则此时=εg。实际瞄准线角度εS 和要求的瞄准线角度 不相等，其差值为误差信号ζ。此误差信号通过垂直放大、校正环节3，驱动垂直卸荷力矩电动机，使电动机转子带着上反射镜（瞄准线）和上反射镜解算器转子一起向减小误差信号ζ 的方向转动。当εS=，即εS=εg，瞄准线和火炮轴线方向一致时，停止转动。

无论是水平方向还是垂直方向，由于伺服系统很灵敏，因此瞄准线实际上可认为在跟着火炮转动。也就是炮身转动到哪里，炮手就能从瞄准镜看到哪里。

3.下反稳像与上反稳像比较

下反稳像式瞄准镜，是建立在用一个自由陀螺直接稳定120°等腰棱镜，并采用负二倍光学补偿原理补偿等腰棱镜产生的二倍角差的原理基础上的。下反稳像与上反稳像相比，具有如下优点和不足：

（1）优点

① 瞄准线稳定，没有随动误差。

由于采用直接稳定的原理，瞄准线的稳定精度等于自由陀螺Z 轴的稳定精度，没有随动误差。而随动系统稳定上反射镜，必然产生随动误差。

② 系统控制精度稳定、可靠。

直接稳定的系统，从火炮位置测量到火炮击发控制，全部采用数字控制，精度对使用环境不敏感。随动系统稳定采用模拟量控制，精度受使用环境影响较大。

③ 反应速度快。

由于自由陀螺Z 轴进动无惯性，所以，操纵瞄准线最灵活、最方便。

④ 结构简单、工艺成熟、造价低且便于车长观察。

直接稳定的系统，结构简单、工艺成熟、生产容易且造价低；瞄准镜外露部分小，从而防护性好，且不遮挡车长的观察（对四乘员配置而言）。随动系统稳定的瞄准镜头部外露部分大，造价高昂；为了不遮挡车长的观察，必须提高车长观察位置，从而使整车高度增加。

（2）存在的不足

① 存在原理误差。

下反稳像观瞄系统采用负二倍光学补偿原理补偿等腰棱镜产生的二倍角差，这是在近似的条件下才成立的，实质上负二倍光学补偿原理不能完全补偿等腰棱镜产生的二倍角差，但在精度要求允许的范围内，是可以近似补偿的，所以系统存在着原理性误差。

② 变倍困难。

下反稳像观瞄系统采用二倍望远镜组和三倍或四倍望远镜组，构成六倍或八倍望远镜，但在一种瞄准镜（六倍或八倍）中，难以实现变倍观察功能。

③ 微光瞄准镜只能稳定瞄准线，不能稳定视场。

由于炮长微光瞄准镜中没有任何稳像措施，即使昼视稳定的分划投影到微光瞄准镜中，也只能是瞄准线是稳定的，但从微光瞄准镜视场中看到的景物图像将随车辆的起伏而上下摆动，所以说，微光瞄准镜是稳线而不是稳场的。原则上微光瞄准镜不能进行行进间射击。

④ 零件加工和调试精度高，对制造和装配调校要求高。

二倍光学补偿望远镜的放大倍率直接影响瞄准镜稳像精度，而二倍望远镜放大倍率完全由光学零件的加工精度和装配调试精度决定。另外，作为稳像主要部件的陀螺仪组，既是稳像误差传感器，又是稳像执行机构，其零件加工精度和装配调试精度直接影响稳像精度。所以，下反稳像式瞄准镜的稳像精度，取决于工厂的零件加工精度和调校精度。

⑤ 使用中炮长的头部随瞄准镜的俯仰摆动而前后摆动。

炮长下反稳像瞄准镜采用连杆与火炮实现机械同步连接，行进间火炮的俯仰摆动带动瞄准镜前后摆动，炮长的头部将随瞄准镜的前后摆动而摆动。