飞机激光空中射击模拟器

1、一种适用于航炮、航箭对空或对地面目标攻击的战术、技术训练的飞机激光空中射击模拟器，由瞄准具1、模拟飞机火力射击的激光器4、测距雷达6、射击按钮8、余弹指示器9、激光信号接收器11以及用于显示攻击效果的发烟装置12、音响装置13和记录装置14等组成，本发明的特征是增加一个随动陀螺2，通过随动陀螺2与瞄准具1的陀螺同步随动，使激光束模拟瞄准线构成总修正角ψ总，控制激光束与瞄准线同步，另外，还有随动陀螺控制电路、激光光路系统、激光发射控制电路、激光接收处理电路和距离比较电路等，以实施空中射击模拟。
2、根据权利要求1所述的射击模拟器，其特征是控制激光束出射方向的随动陀螺2采用与瞄准具1的陀螺同型号的内框式三自由度电磁陀螺，随动陀螺2的控制电路采用四个运算放光器，分别控制主线圈电流、抬高角线圈电流、迎角线圈电流和侧滑角线圈电流，实现控制随动陀螺2的运动。
3、根据权利要求1所述的射击模拟器，其特征是激光光路由会聚激光束的聚光镜15、控制激光束方向的陀螺镜16、中心反光镜17、透光窗玻璃18和前反光镜19等组成。
4、根据权利要求1所述的射击模拟器，其特征是激光的发射选用发散角小、发射功率较大的半导体大光腔激光器，其激光发射控制电路由四部分组成：（1）由三端稳压片组成的稳压电路23;（2）由集成块组成的脉冲调制电路24;（3）由间歇振荡器组成的激光脉冲形成电路25;（4）由大功率开关管组成的脉冲功率放大电路26。
5、根据权利要求1所述的射击模拟器，其特征是激光接收处理电路由滤光片27、光电转换器28、放大电路29、带通频率滤波电路30、脉冲宽度滤波电路31、滤波器门电路32和脉冲计数滤波电路33组成，脉冲计数滤波电路33的输出信号控制发烟装置12、音响装置13和记录装置14。
6、根据权利要求1所述的射击模拟器，其特征是距离比较电路由测距信号变换电路20、双限比较器21和继电器控制电路22等组成，以完成光学测距信号与雷达测距信号的比较。

本发明是一种飞机激光空中射击模拟器，安装在飞机上用做飞机作战的模拟训练系统，特别适用于战斗机航箭、航炮的空战格斗或对地面目标攻击的战术、技术训练。
传统的空中攻击训练，通常采用两种方法。一种方法是打空靶，目标机拖着一个靶标，此种方法对攻击机、目标机的飞行动作限制甚多，仅适用于部分技术训练，对高速战斗机不适用。第二种方法是照相攻击。此种方法作为技术训练虽优于打空靶，但可信度低、且不能实时检验攻击效果，攻击机照相捕获目标机后目标机并不知道自身是否被“击中”。因此被“击中”的飞机不能及时退出战斗，需要格斗后再对照相的结果进行判读。美国专利US4273536提出的一种激光火炮模拟系统，适用于飞机的火炮射击模拟训练，它包括有模拟飞机火力射击的激光器及相关的电子装置组成，它的模拟过程是：利用第一次发射的扇形激光脉冲捕捉目标，激光脉冲碰到目标反射，攻击机接收到目标反射信号，进行处理，测得目标的方位和距离，利用光束偏转器控制激光束的方向，光束偏转器采用声光偏转器。根据第一次发射的测量激光脉冲提供的距离方位信息，发射第二次“炮弹”激光脉冲，如果命中目标，目标即可显示信号，如发声、发烟，并记录下来。攻击机也可利用接收到的回波信号判断目标是否命中。美国专利US4273536提出的模拟系统，飞行员操作的设备和按钮是该火炮模拟系统的专有设备和按钮，不是飞行员实际作战时操作的飞机原有的设备和按钮，与飞机上原有设备相脱离，而且激光束的偏转控制设备复杂。
本发明的目的是提供一种对空或对地面攻击训练中仿真度高，能实时显示攻击效果，可连续攻击的模拟训练装置。
本发明的第二个目的是飞机加装模拟装置后，飞行员对模拟系统的操作与飞机实际作战时的操作完全一致，不因为加装模拟装置而增加其他操作。
本发明的第三个目的是飞机加装模拟装置后，不改变飞机的空气动力性能，不干扰其它机载设备。
本发明的飞机激光空中射击模拟器是攻击机利用瞄准具瞄准，激光器发射的脉冲激光束模拟火炮射击，利用与瞄准具随动的陀螺控制激光束轴线与瞄准线同步，目标机利用接收到的激光信号进行光电转换和信号处理，完成效果显示，实施飞机空中攻击模拟训练。
本发明的附图
图1.装有射击模拟器的飞机攻击训练示意图
图2.模拟器原理框图
图3.瞄准具构成的修正角示意图
图4.激光出射光路系统
图5.随动陀螺控制电路
a.主线圈控制电路
b.抬高角线圈控制电路
c.迎角线圈控制电路
d.侧滑角线圈控制电路
图6.距离比较电路原理框图
图7.a.激光发射电路原理框图
b.激光调制电路的波形图
图8.激光信号接收器原理框图
飞机激光空中射击模拟器（见图2）主要有：用于模拟飞机火力射击的激光器4，测距雷达6，射击按钮8，余弹指示器9，用于接收攻击机激光模拟攻击信号的激光信号接收器11，以及用于击中效果显示的发烟装置12，音响装置13和记录装置14，记录装置14也执行攻击机攻击信号的记录。本发明的特征还包括两个相同型号的三自由度内框式电磁陀螺，一个是攻击机机载的瞄准具1的陀螺，另一个是用于控制激光束的随动陀螺2，激光束出射的光路系统3，保持随动陀螺2与瞄准具1的陀螺同步的随动陀螺控制电路5，用于雷达测距与光学测距进行比较的距离比较电路7，受距离比较电路7、射击按钮8、余弹指示器9控制的射击门电路10。
机载武器发射时要考虑到武器弹道参数，目标速度以及攻击机的飞机状态等因素的影响，需要对武器发射轴线进行修正。图3是瞄准具构成的修正角示意图。其中ψ为修正目标运动而造成的射击偏差，武器轴线相对目标线OM提前的角度，d为修正弹道向下弯曲而造成的射击偏差，武器轴线相对目标线OM抬高的角度，β为修正攻击机运动状态而造成的射击偏差，武器轴线相对目标线OM构成的迎角带偏修正角及侧滑带偏修正角。φ总为综合上述各角的总修正角。飞机射击瞄准具所要解决的根本问题就是要建立准确的总修正角φ总。
在利用激光束模拟武器射击时，由于激光是以光速传输的，在激光束轴线与瞄准线方向一致时发射激光束即可“击中”目标。实现激光束轴线与瞄准线一致的方法，是使激光束轴线与武器轴线的夹角保持瞄准线与武器轴线构成的总修正角相同，即以激光束构成的修正角模拟瞄准具构成的修正角。也就是说，上述两个角应该相同。为使激光束构成的总修正ψ总与瞄准具1构成的总修正角ψ总相同。本发明模拟器的实施例是采用两个 相同型号的三自由度内框式电磁陀螺，一个是飞机原有的瞄准具1的陀螺，另一个是用于控制激光束出射方向的随动陀螺2，随动陀螺2选用与瞄准具1同型号的陀螺，随动精度容易实现。借助于随动陀螺2的陀螺镜控制激光束方向，使得激光束瞄准线同步。称这种模拟方式为：陀螺随动，激光发射，构角模拟。
本发明的飞机激光空中射击模拟器实现随动陀螺2跟随瞄准具1的陀螺同步的方法，是从瞄准具1陀螺的各线圈中取出相应的电压信号，经随动陀螺2的控制电路5处理，输出电流至随动陀螺2的各相应线圈。
随动陀螺2的控制电路参见图5。控制电路5用以控制随动陀螺2的运动，使激光束和瞄准具分别与武器轴线构成相同的总修正角ψ总，保证出射的激光轴线与瞄准具1的瞄准线OM重合。为此随动陀螺各线圈电流应满足下述要求：
I主F＝K1I主……（1）
I抬F＝K2I抬……（2）
I迎F＝K2I迎……（3）
I侧F＝K2I侧……（4）
式中K1、K2为系数;I主F、I抬F、I迎F、I侧F分别为随动陀螺2的主线圈，抬高角线圈，迎角线圈，侧滑角线圈的电流;I主、I抬、I迎、I侧分别为瞄准具1陀螺的主线圈、抬高角线圈、迎角线圈、侧滑角线圈的电流。主线圈控制电路如图5a所示。
u208为瞄准具1主线圈取出的信号电压，其大小为：
U208＝I主·R主
其中R主的阻值可以从主线圈电路计算得到。
YF4是随动陀螺2主线圈控制电路第一级，采用运算放大器，其同相 端输入信号是u208，反相端输入信号是+15V电压，输出电压为：
uA＝- (R44)/(R41+R45) ×15+ (R43)/(R42+R43) ·（1+ (R44)/(R41+R45) ）u208＝-A41×15+A42·u208CW3为随动陀螺2主线圈控制电路第二级，是集成稳压器，其最大输出电流可达1.5安。当输入电压uBA＝7-35伏时输出电压uCA恒等于5伏，YF4与CW3偶合，c点对地电位为：
uC＝uCA+uA＝5-A41×15+A42·u208
适当选取YF4的各电阻值，使CW3的输入电压uBA在规定数值范围内，并使输出电压uC为：
uC＝A42·u208……（5）
此时流过随动陀螺2主线圈Q1F·Q2F的电流为：
I主F＝ (A42·U208)/(R47+RQF) ＝ (A42·R)/(R47+RQF) ·I主…（6）
式中RQF为Q1F、Q2F的电阻值。
适当选取放大系数A42、R47的大小，则I主F满足（1）式的要求。I主与I主F为线性关系。R45是调零电阻，R47为可调电阻，用以补偿陀螺性能的差异。
抬高角线圈控制电路如图5b所示。该电路只采用一个运算放大器YF1。输入信号为u301，u316分别从瞄准具1的抬高角线圈两端取出，大小满足 下述关系：
u316-u301＝I抬·R抬……（7）
式中R抬为抬高角线圈电阻值。
当R11＝R12·R14＝R13时YF1的输出电压为：
uO＝ (R14)/(R12) （u316-u301）＝A1·R抬·I抬……（8）
流过随动陀螺2的抬高角线圈Q4F的电流为：
I抬F＝ (u0)/(R15+R抬F) ＝ (A1·R抬)/(R15+R抬F) ·I抬……（9）
适当选取放大倍数A1·电阻R15的大小。则I抬F满足（2）式的要求。I抬与I抬F为线性关系。电路中R15为可调电阻，用以补偿陀螺性能的差异。
迎角线圈和侧滑角线圈控制电路分别如图5C和5d所示，其工作原理与抬高角线圈控制电路原理相同。
为了防止飞行员在使用光学测距时，光环尚未包好目标（即未测准距离），就发射激光，本发明的模拟器采用光学测距与雷达测距比较电路7，使得激光发射电路受距离比较电路7的控制，只有当瞄准具1的光学测距与测距雷达6的雷达测距差值在规定的允许值范围内才能接通激光器4的发射电路，否则激光器4的发射电路被断开。图6所示是距离比较电路的原理框图。它包括测距信号变换电路20、双限比较器21、继电器控制电路22。信号变换电路的输入uLD和uGD分别为雷达测距电压信号和光学测距电压信号。测距信号变换电路20的输出为与雷达测距和光学测距差值ΔD 有关的电压Δu
Δu＝A·（DL-DG）＝A·ΔD
式中A为测距信号变换电路20的放大系数，DL为雷达测距的距离，DG为光学测距的距离，ΔD为光学测距误差。
双限比较器21用于判断输入的Δu信号是否处于两个指定门限电位之间。当位于两个门限电位之间时，输出为低电位，否则输出为高电位。双限比较器21的输出加给激光发射电路控制继电器，双限比较器21输出低电位，控制继电器接通激光器4发射电路，否则断开。
另外，本发明模拟装置的激光发射还受余弹指示器9，射击按钮8的控制。因此，只有当距离比较电路7、余弹指示器9和射击按钮8三个条件同时满足时才能发射激光束。上述三个输出信号经射击门电路10与激光发射电路接通。
本发明的模拟器采用半导体激光器。为提高接收信号的功率，需选用发散角小，发射功率大的大光腔激光器。所用的激光器功率为15-20瓦，重复频率为5千周，脉冲宽度为300毫微秒。阈值电流6-8安，工作波长9100埃+30埃（工作温度300°K时）。为实现激光器4的最大功率输出，设计了专用的激励电路。该电路由四部分组成（见图7a），包括有三端稳压片组成的稳压电路23，集成电路组成的激光脉冲调制电路24，间歇振荡器组成的激光脉冲形成电路25，大功率开关管脉冲功率放大电路26。
稳压电路23为发射电路提供稳定的24伏直流电压。脉冲调制电路24振荡周期为60毫秒，工作波形如图7b所示，在T1期间为正脉冲，具有高电平，利用此高电平给下一级激光脉冲形成电路25的间歇振荡器加上正偏压，使其具有脉冲输出。在T2期间为低电平，关闭间歇振荡器，使其没有输出，由此实现调制的目的，用以模拟航炮或航箭发射的情况。30-1航炮的射速 每发周期约为60毫秒。拟采取60毫秒发射出一个激光脉冲串，代表发射一发炮弹。由于发射出的激光脉冲串受脉冲调制电路24的控制，只是在T1期间才有连续的脉冲激光束射出，T2期间没有脉冲激光束射出。
激光脉冲形成电路25是一个自激间歇振荡器，其输出脉冲频率为5000赫，间歇振荡器占空比大，输出功率强，可使输出脉冲宽度达到毫秒级，脉冲功率放大电路26为激光器4提供足够的激励电流。
本实施例的模拟器安装在飞机座舱内，模拟器的激光出射光路系统如图4所示。激光器4发射的散射状激光经聚光镜15会聚成平行光束，再经陀螺镜16及中心反光镜17，穿过透光窗玻璃18射向前反光镜19，反射出座舱玻璃，从机头方向射向目标机。陀螺镜16是光学系统中的可动元件，受随动陀螺2控制，当陀螺镜16改变角度时，射出的激光束在空间的角度也随之改变。本实施例根据30-1航炮射弹散布状况，在目标机距离D＝1000米时，炮弹散布面直径为5米，要求激光束在同样距离上的光斑直径亦应接近5米。为此，聚光镜15的焦距f选用50毫米，直径Φ选用25毫米，激光器4置于聚光镜15的焦点位置，可接收28°发散角范围的激光。为了提高激光束质量，减少在光路中的能量损耗，各反光镜均镀波长为0.9微米的红外激光高反膜，透光窗玻璃镀增透膜，使得0.9微米的红外激光束获得高反射，可见光又可以通过，因而使得飞行员的瞄准视线不受影响。
本发明模拟器的激光信号接收器11如图8所示。由滤光片27，光电转换器28，放大电路29，带通频率滤波电路30，脉冲宽度滤波电路31，滤波器门电路32和脉冲计数滤波电路33组成。脉冲计数滤波电路33的输出信号控制音响装置13，发烟装置12和记录装置14。
激光信号通过滤光片27进入光电转换器28，光电转换器28采用硅光电池片，得到的电信号经带通频率滤波电路30和脉冲宽度滤波电路31，它们 的输出同时加给滤波器门电路32，滤波器门电路32输出信号再经脉冲计数滤波电路33控制发烟装置12，音响装置13，记录装置14。
带通频率滤波电路30用于滤除与激光信号频率不同的干扰信号，大于或者小于激光信号频率的干扰信号都被滤掉，只允许激光信号频率能通过带通频率滤波电路30。本发明模拟器激光器4的工作频率是5000赫，本实施例带通频率滤波电路30的中心工作频率为5000赫，通频带为±400赫，以适应电路参数漂移和激光信号频率误差。脉冲宽度滤波电路31用于滤除脉冲宽度大于基准脉冲宽度的干扰信号。脉冲计数滤波电路33用于滤除非连续性的干扰脉冲串。本实施例设计成只有达到10个连续激光脉冲串的信号才能通过脉冲计数滤波电路33。本发明模拟器激光器4经调制后发射的激光脉冲连续达几十个，因此激光信号可以通过脉冲计数滤波电路33。凡是连续脉冲个数达不到10个的干扰信号都被滤掉。实际上激光信号接收器11通过带通频率滤波电路30，脉冲宽度滤波电路31，脉冲计数滤波电路33三个滤波电路对干扰信号加以滤除，使得激光信号接收器11抗干扰信号的能力大大提高，保证了激光信号接收器11的可靠工作。
本发明的模拟器受瞄准具1和应答机开关的控制，除此之外还有一专用控制器，用以操纵模拟器的通断，专用控制器上并设有“复位”按钮和“记录、充弹”按钮及余弹指示器9。本发明模拟器的电源用飞机上的电源，本实施例用的是直流27伏和交流115伏，400赫电源。
本发明模拟器的空中使用
在需要使用模拟器时，只需按规定的顺序接通模拟器，然后按瞄准具在空战中使用的操纵方法，使光环瞄准目标实施攻击，模拟器即可正常地发挥作用。
模拟器的接通顺序
发动机起动前接通机上原有的总电源开关，瞄准具1的加温开关，瞄准具1的工作开关，射击投弹开关，应答机开关，并把瞄准具1的武器选择开关置于所模拟武器的位置。
发动机起动后接通模拟器电源开关，按压“复位”按钮，使记录器内的计算机恢复初始状态，按压“记录、充弹”按钮。（多机在同一空域模拟攻击飞行时，各机的记录器“记录、充弹”按钮在指挥员统一命令下按下。）记录器“记录、充弹”按钮按下后，记录器打印机号、姓名，并进入记录状态。
飞机起飞后，将瞄准具1的陀螺锁定手柄置于“开动”位置，按下稳环按钮，待光环稳定后，模拟器即处于正常工作状态。模拟攻击中如发现余弹指示器9的指示灯熄灭，可根据需要按压控制器上的“记录、充弹”按钮，进行再次“装弹”。
在模拟攻击训练中，一定要将机载武器的发射电源断开，以防发射真弹。
本发明模拟器的优点是模拟作战仿真度高，飞行员对带模拟器飞机的操作与实战的操作相同，没有其他附加操作，允许双机或多机对攻的空战训练，模拟器不影响机上电子设备的正常工作，不影响飞机的空气动力性能。本发明的飞机激光空中射击模拟器为空军战斗机飞行员的实战训练提供了一个可靠有效的手段。