互瞄法在艦載武器系統(tǒng)電氣零位標定中的應(yīng)用

顧穎閩，鄭劍波，王嘉蘇

（中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港 222006）

在艦載武器系統(tǒng)中，由于光電跟蹤儀、跟蹤雷達等高精度傳感器和武器設(shè)備在艦艇上位置分布不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)存在零位不一致現(xiàn)象。而系統(tǒng)零位一致性是決定艦載武器系統(tǒng)射擊精度的重要因素[1]。盡管在安裝艦載武器系統(tǒng)各設(shè)備時，已調(diào)整并滿足了系統(tǒng)機械零位的要求，但僅滿足機械零位要求，仍無法滿足高精度艦載武器系統(tǒng)射擊精度的要求。為滿足高精度艦載武器系統(tǒng)的射擊精度的要求，需再對各設(shè)備電氣零位進行一致性對準。電氣零位修正主要指通過數(shù)字或模擬量修正，調(diào)整傳感器和武器的零位，以滿足艦載武器系統(tǒng)零位一致性的要求。電氣零位主要包括角度零位和距離零位兩部分。電氣角度零位對準主要包括系統(tǒng)舷角和仰角的對準[2]。在系泊條件下，傳統(tǒng)的電氣角度零位一致性對準方法主要是瞄星法。

瞄星法一般采用經(jīng)緯儀作為角度測量的真值設(shè)備，將經(jīng)緯儀的水平基準與艦基準平臺一致，方位基準與艦艏艉線一致，被檢設(shè)備的光學(xué)設(shè)備與經(jīng)緯儀同時瞄準天上的某一星體，星體的選擇主要考慮星體的亮度、移動的速度、周圍一定范圍內(nèi)是否有其它較亮的星體及星體的高低角等因素。之所以選擇星體作為瞄準目標，是由于星體十分遙遠，同時瞄準它的多個設(shè)備的光軸可認為是完全平行的，無需考慮各設(shè)備在艦艇坐標系中的相對位置及其基線修正等因素[2-3]。

瞄星法具有對準精度高、實施較為簡單等優(yōu)點，但由于該方法需要通過光學(xué)儀器直接觀測天上的星體，故受氣象條件影響較大，只能在有星星的夜晚進行，如果試驗地區(qū)陰雨天氣多，夜晚看不到星星或星星晦暗難辨時，瞄星法就無法實施。

為了解決瞄星法受氣象條件影響較大的問題，同時又要滿足高精度艦載武器系統(tǒng)的要求，本文提出了一種新的零位檢測與對準方法——互瞄法。

1 互瞄法的工作原理

互瞄法是由瞄星法發(fā)展、演變而來的一種方法。該方法主要是通過架設(shè)在艦上的經(jīng)緯儀與架設(shè)在岸上的經(jīng)緯儀互瞄，然后再將架設(shè)在岸上的經(jīng)緯儀與武器系統(tǒng)各設(shè)備互瞄，得到各設(shè)備舷角、仰角真值，艦載武器系統(tǒng)各設(shè)備再進行相應(yīng)地修正。為了更清楚地了解互瞄法的工作原理，我們先了解一下瞄星法的基本原理。

1.1 瞄星法的基本原理

艦載武器系統(tǒng)各設(shè)備的對準，實際就是將各設(shè)備的舷角和仰角的零位分別修正到與艦艏艉線和基準平面保持平行（誤差滿足精度要求），但由于各設(shè)備本身不具備直接測量準確舷角、仰角值的功能，所以需要借助經(jīng)緯儀來讀取。

經(jīng)緯儀是一種測量某一目標點相對于經(jīng)緯儀所設(shè)定的平面和零位中線的仰角和舷角真值的精密儀器設(shè)備。

由于經(jīng)緯儀架設(shè)位置與各設(shè)備位置不同，當觀察同一目標時，各設(shè)備舷角、仰角真值與經(jīng)緯儀測量真值之間存在一角度差，所以，該觀測目標和本艦之間需要有足夠遠的距離。因為，如果觀測目標距離選取太近，不考慮架設(shè)位置的分布不同，誤差較大（如經(jīng)緯儀與設(shè)備之間的距離為20m，選取11km的目標測量，最大誤差大于arcsin(10/11000)°即0.1°），如考慮架設(shè)位置的分布不同，則對各設(shè)備的坐標和目標距離測量精度要求太高，對測量儀器精度要求很高，實施較為困難。如果選取觀測目標和本艦之間距離合適，即可以忽略架設(shè)位置的分布不同，則觀測目標至少需要在距離 57km（10m/sin0.01°）以外（如經(jīng)緯儀與設(shè)備之間的距離為20m），即便該目標有足夠的亮度，地面目標也超出了視距范圍。所以必須選取具有足夠亮度、距離足夠遠以及目標可視面積足夠小的天體點目標，最合適就是選取星體。

測量時，需經(jīng)緯儀、各設(shè)備水平零位在相互平行的平面上（各平面與艦體基準平臺平面平行），并且舷角零位與艦艏艉線保持平行。因為被觀測目標的距離相對于經(jīng)緯儀與設(shè)備之間的距離可以近似認為無窮遠，所以經(jīng)緯儀與武器系統(tǒng)各設(shè)備觀察視線相互平行，各設(shè)備舷角、仰角真值理論上就是經(jīng)緯儀的觀測值。

瞄星法可以很好地滿足高精度艦載武器系統(tǒng)對準精度要求，巧妙地解決了無合適對準參考點滿足艦載武器系統(tǒng)各設(shè)備零位一致性對準精度要求的問題。

瞄星法基本原理如圖1所示。

1.2 互瞄法的工作原理

為了實現(xiàn)在無星的天氣里進行對準，可以采用觀測目標點（用經(jīng)緯儀作為目標點）與系統(tǒng)各設(shè)備互瞄的方法。所謂互瞄，就是兩個光學(xué)儀器互相瞄準，以達到二者的光軸重合的操作過程。可以通過位于觀測目標點的經(jīng)緯儀（以下稱為岸上經(jīng)緯儀）來測量各設(shè)備的舷角和仰角，同時各設(shè)備讀出此刻觀測目標點的舷角和仰角。測量時，需要岸上經(jīng)緯儀水平零位與各設(shè)備水平零位在相互平行的平面上，并且岸上經(jīng)緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行。

由于岸上經(jīng)緯儀沒有架設(shè)在艦上，為了保證測量精度并使測量方便，我們選取大地平面作為水平零位。同時，為保證岸上經(jīng)緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行，需在艦上架設(shè)一個經(jīng)緯儀（以下簡稱艦上經(jīng)緯儀），以大地平面為水平零位，艦艏艉線為舷角零位，向岸上經(jīng)緯儀瞄準，岸上經(jīng)緯儀也同時向艦上經(jīng)緯儀瞄準。將岸上經(jīng)緯儀的舷角值設(shè)置為艦上經(jīng)緯儀的舷角值。這樣就將艦艏艉線平行移到岸上經(jīng)緯儀的位置，岸上經(jīng)緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行。岸上經(jīng)緯儀與各設(shè)備互瞄，得到各設(shè)備相對于大地平面的舷角和仰角真值。各設(shè)備讀取岸上經(jīng)緯儀是以艦甲板為平面的舷角和仰角，所以必須將以大地為平面的舷角和仰角真值轉(zhuǎn)換為以艦甲板為平面的舷角和仰角真值（具體轉(zhuǎn)換公式見后文）。互瞄方法如圖2、圖3所示。

圖2 艦上經(jīng)緯儀和岸上經(jīng)緯儀互瞄示意圖

圖3 岸上經(jīng)緯儀與被測設(shè)備之間互瞄示意圖

1.3 互瞄法坐標轉(zhuǎn)換方法

進行坐標系轉(zhuǎn)換前，先用水平儀將各設(shè)備的沿艦縱向和橫向的水平度傾角測出。為了將以大地為平面的舷角和仰角真值轉(zhuǎn)換為以艦體為平面的舷角和仰角真值，我們需建立兩個坐標系：一個是地理坐標系X0Y0Z0，原點設(shè)在載體質(zhì)心，Y0、X0在與大地水平面平行過原點的平面α上，其中Y0方向沿艦艏艉線指向艦艏方向，X0方向指向Y0在平面α上順時針旋轉(zhuǎn)90°的方向，Z0軸沿地心與大地水平面垂直并指向天頂；一個是載體坐標系X3Y3Z3，其原點定義在載體質(zhì)量中心，Y3方向沿艦艏艉線指向艦艏方向，X3方向指向Y3在設(shè)備平臺平面上順時針旋轉(zhuǎn)90°的方向，Z3軸垂直于X3、Y3指向上方。如果各設(shè)備沿艦縱向和橫向的水平度傾角為 0，則設(shè)備平臺平面與大地平面平行；如果各設(shè)備沿艦縱向和橫向的水平度傾角為不為 0，地理坐標系需轉(zhuǎn)換變?yōu)檩d體坐標系。因此，要完成坐標系轉(zhuǎn)換的計算，需引入計算坐標系X1Y1Z1及 X2Y2Z2。坐標轉(zhuǎn)換過程可通過繞坐標系作三次旋轉(zhuǎn)得到，首先進行坐標系旋轉(zhuǎn)分析，因為艦在做該項試驗時一般在船塢半坐墩條件下，所以艦航向無變化，各設(shè)備沿Z0軸無任何旋轉(zhuǎn)，即X1Y1Z1與X0Y0Z0重合，然后考慮載體繞X1軸轉(zhuǎn)動θ角，即載體縱軸線與大地水平面有一夾角θ（逆時針為正），最后考慮載體繞 Y2軸轉(zhuǎn)動φ角，即載體橫軸線與水平面有一夾角φ（順時針為正），即

有關(guān)變換公式為：

式中，C0代表X0Y0Z0繞Z0軸轉(zhuǎn)動為X1Y1Z1坐標系的坐標轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于繞Z0軸轉(zhuǎn)動角度為0，所以C0＝1。

C1代表 X1Y1Z1繞 X1軸轉(zhuǎn)動θ角后轉(zhuǎn)變?yōu)閄2Y2Z2坐標系的坐標轉(zhuǎn)換系數(shù)。

C2代表 X2Y2Z2繞 Y2軸轉(zhuǎn)動φ角后轉(zhuǎn)變?yōu)閄3Y3Z3坐標系的坐標轉(zhuǎn)換系數(shù)。

C代表 X0Y0Z0轉(zhuǎn)變?yōu)?X3Y3Z3的坐標轉(zhuǎn)換系數(shù)。

即

以設(shè)備平臺平面為平面舷角α，仰角為β：

由此可以得出以設(shè)備平臺平面為平面舷角為α，仰角為β，相對于以大地平面為平面舷角和仰角的轉(zhuǎn)

換關(guān)系。以上坐標轉(zhuǎn)換公式也可用四元數(shù)旋轉(zhuǎn)變換的方法推出[4]。

2 互瞄法的實現(xiàn)

互瞄法的操作過程較為復(fù)雜，在實施的過程中人為因素較多，為了保證整個互瞄法的實施結(jié)果滿足艦載武器系統(tǒng)的精度要求，需制定相應(yīng)的實施規(guī)則。

2.1 互瞄法實施的條件

1）艦艇必須保持在船塢內(nèi)半坐墩條件下 根據(jù)互瞄法的工作原理可知，互瞄法的測試工具經(jīng)緯儀中的一部是架設(shè)在岸上的，并以大地坐標系為基準平面。而被測設(shè)備是以甲板坐標系為基準的，并且另一部經(jīng)緯儀是架設(shè)在艦上的，同時在互瞄法實施過程中，需要測量艦艇相對于大地平面的姿態(tài)數(shù)據(jù)。這些過程都必須讓艦艇始終保持同一的姿態(tài)。為滿足這些要求并使試驗狀態(tài)接近艦艇水中浮態(tài)，在互瞄法實施過程中，必須保持艦艇在船塢內(nèi)半坐墩條件下。

2）被測設(shè)備水平度滿足指標 如果被測設(shè)備水平度超出指標范圍，會影響艦載武器系統(tǒng)射界、危界的準確度，導(dǎo)致艦載武器系統(tǒng)射擊安全性降低。

2.2 實施互瞄法的主要步驟

1）以大地水平面為基準，檢測設(shè)備的絕對水平度；

2）實施兩個經(jīng)緯儀第一次互瞄，實現(xiàn)將艦艏艉線平行移動到岸上；

3）實施岸上經(jīng)緯儀與測試各設(shè)備的互瞄；

4）進行坐標系轉(zhuǎn)換，將大地坐標系轉(zhuǎn)換成艦甲板坐標系；

5）完成設(shè)備誤差修正；

6）進行互瞄法的復(fù)測，以保證互瞄法測量精度。

2.3 實施細則流程圖

具體實施細則流程圖如圖4所示。

圖4 互瞄法實施細則流程圖

3 互瞄法的誤差精度及可行性分析

首先對互瞄法的對準精度進行理論分析，我們先將它與瞄星法比較。在瞄星過程中，經(jīng)緯儀需要一次對準、瞄準?；ッ榉▌t需要兩個經(jīng)緯儀對準、瞄準。所以，互瞄法最大誤差系數(shù)比瞄星法誤差系數(shù)增加了一倍左右，相應(yīng)的標準誤差系數(shù)為 2倍瞄星法標準誤差系數(shù)。

為了驗證互瞄法測量精度，我們分別對同一配試系統(tǒng)進行電氣零位對比精度測試。測試具體過程如下。

配試系統(tǒng)先完成瞄星試驗，然后進行互瞄試驗。因為瞄星試驗完成后，配試系統(tǒng)的傳感器和武器已滿足電氣零位指標，所以可以近似地以瞄星后的數(shù)據(jù)作為真值來計算互瞄法的實際誤差，進行比較分析。經(jīng)過多次測試數(shù)據(jù)比較分析，互瞄法與瞄星法相比較，最大隨機誤差比瞄星法大 30%,系統(tǒng)誤差略小于瞄星法的測量精度。

通過理論分析可知，互瞄法標準誤差略大于瞄星法，但通過科學(xué)、嚴謹和完善的試驗方法，互瞄法實際艦載武器系統(tǒng)電氣零位對準誤差精度明顯小于理論誤差分析精度。根據(jù)目前測量儀器的測量精度和艦載武器系統(tǒng)的要求，運用互瞄法進行角度零位對準的精度可以滿足大多數(shù)艦載武器系統(tǒng)的要求。由于互瞄法受氣象條件和周邊場地環(huán)境影響小，并克服了利用傳統(tǒng)瞄星法進行艦載武器系統(tǒng)角度零位對準時，受天氣和環(huán)境影響較大的問題，所以，互瞄法作為艦載武器系統(tǒng)角度零位對準的一種新方法，具有較為廣泛的適用性和推廣性。

4 結(jié)束語

互瞄法是高精度艦載武器系統(tǒng)對準的一種有效方法，可以滿足常規(guī)艦載武器系統(tǒng)電氣零位對準的精度要求。試驗表明，該方法具有對準精度高、操作靈活方便、不受氣象條件的限制等優(yōu)點，在高精度艦載武器系統(tǒng)對準方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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