自行火炮身管指向測量技術(shù)

陳 揚

(中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230030)

當前武器裝備信息化、自動化程度越來越高，自行火炮對于實現(xiàn)精確打擊、提高首發(fā)命中率的要求也緊隨而至，由于傳統(tǒng)的手工調(diào)炮操作，其賦予射角和射向的測量設(shè)備(象限儀、周視鏡等)加工精度受限以及存在人工裝定誤差不受控制的特點，導(dǎo)致高精度打擊不能夠?qū)崿F(xiàn)。于是，火控計算機、角度傳感器、伺服系統(tǒng)等組件組成的火控系統(tǒng)越來越多地被運用到武器裝備上，使之具有了自動調(diào)炮等數(shù)字化的操作功能，更是對火控系統(tǒng)精度有著很大的提高［1］。火控系統(tǒng)精度包括火控系統(tǒng)解算得到的射擊諸元輸出精度、火炮身管指向精度和隨動系統(tǒng)的相應(yīng)精度，而火炮身管指向精度的測量則是整個系統(tǒng)精度測量的關(guān)鍵點和難點。傳統(tǒng)的身管指向測量是依靠角度傳感器實現(xiàn)的，通過對隨動控制系統(tǒng)中傳動裝置的測量得到結(jié)果，測量對象并非火炮身管本身，因此沒有形成對火控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的閉環(huán)測量［2］。目前試驗基地靶場采用的是基于高精度經(jīng)偉儀的身管指向測量系統(tǒng)，雖然其靜態(tài)測試精度達到了0.2 mil，但是由于操作非常復(fù)雜，降低了火控系統(tǒng)精度測試的效率［3］。

1 涉及的相關(guān)概念和定義

1)火控系統(tǒng)

火控系統(tǒng)即控制武器自動或半自動地實施瞄準與發(fā)射的裝備的總稱。

其中當火控系統(tǒng)配備到非制導(dǎo)武器上時，對其瞄準和發(fā)射的準確性與快速性有明顯的提高，并使其對戰(zhàn)場惡劣環(huán)境的適應(yīng)性有很好的增強作用，從而更好地發(fā)揮武器的毀傷作用。當火控系統(tǒng)配備至制導(dǎo)武器上時，因為在發(fā)射前作了較為準確的瞄準，使其制導(dǎo)系統(tǒng)的工作條件得到了改善，提高導(dǎo)彈對機動目標的反應(yīng)，減少制導(dǎo)系統(tǒng)的失誤率［4-5］。

2)閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)即為輸出端直接或間接地將信息反饋到輸入端的過程中形成閉環(huán)參與控制的系統(tǒng)，也叫反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的實現(xiàn)，要求必須測量輸出量，并將測量結(jié)果反饋至輸入端和輸入端量進行相減得到偏差，再通過偏差關(guān)聯(lián)的直接控制作用消除偏差。整個系統(tǒng)形成一個閉環(huán)。

3)調(diào)炮精度

與火炮精度直接相關(guān)的技術(shù)指標通常有4 個，分別是最大射程地面密集度、尋北精度、慣導(dǎo)漂移精度、調(diào)炮精度?？梢姏Q定火炮身管空間絕對指向的指標有3 個: 尋北精度、慣導(dǎo)漂移精度、調(diào)炮精度。在這樣的指標體系中，調(diào)炮精度反映的是火炮在短時間調(diào)炮時，射角和相對方位角的準確程度，調(diào)炮精度檢測中測量的對象是火炮射角和相對方位角［6］。

4)身管指向測量

火炮身管指向測量即測量火炮身管所處的高低角及方位角，為人工調(diào)炮和自動操瞄調(diào)炮精度的測量提供必要的參數(shù)。身管指向測量分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。靜態(tài)測量是指火炮在任意固定位置的身管指向的測量;動態(tài)測量是指在火炮運動過程中，對其身管指向的連續(xù)動態(tài)測量。

2 自行火炮身管指向測量技術(shù)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述

國外在20 世紀70年代至80年代當時主要采用安裝瞄準鏡的方式對身管指向進行測量。而國內(nèi)在這一領(lǐng)域的起步較晚，但20 世紀90年代初期江蘇自動化所的楊育華等研制成功了零飛試驗儀［7］，填補了國內(nèi)空白，達到了當時的國際先進水平。

2012年段長林等應(yīng)用傳感器技術(shù)研制的炮兵用零位零線檢測儀，實現(xiàn)了野戰(zhàn)環(huán)境下的火炮零位零線檢測［8］。該方法操作簡單，適用于靜態(tài)下的身管指向測量，但其精度有限，而且角度傳感器安裝較為復(fù)雜，無法滿足火控系統(tǒng)動態(tài)精度測試的要求。

2005年中國兵器工業(yè)第202 研究所的王靜等提出了使用測量型GPS 測量身管指向的方法，當炮口炮尾兩天線距離超過8 m 時，動態(tài)測量精度可小于0.6mil［9］。但GPS 數(shù)據(jù)更新率低，不能用于動態(tài)測量。

2011年嚴德斌等研究了基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的火炮身管指向測量技術(shù)，設(shè)計了由3 個垂直安裝的激光陀螺和3 個加速度計(2 個相互垂直)為主體的測量系統(tǒng)。如果采用精度為0.003/hr 的陀螺儀，分辨率和精度都能滿足測量要求［10］，該系統(tǒng)的缺點是安裝調(diào)試較為復(fù)雜。王春燕等設(shè)計了一個多光軸光學(xué)系統(tǒng)用于在火控系統(tǒng)動態(tài)精度測試過程中測試身管指向角［11-13］。該方法測量精度高，但是操作復(fù)雜，對測量環(huán)境要求也比較苛刻，3 種測試設(shè)備本身的光軸一致性就很難保證，而且難以克服火控系統(tǒng)動態(tài)測試過程中火炮振動和噪聲等的影響。何一陸等提出了固定目標式箭炮調(diào)精度測試方法［14］，該方法研究了在沒有專業(yè)測量設(shè)備的情況下利用瞄準鏡測量身管指向的操作過程，但也不能用于動態(tài)性能測量。

目前比較流行的身管指向測量大都是基于高精度經(jīng)緯儀的，2001年北京兵器工業(yè)系統(tǒng)工業(yè)研究所的陶化成等設(shè)計出了壓制兵器身管指向測量系統(tǒng)［15］，該產(chǎn)品靜態(tài)測量精度可達0.2 mil，缺點是不能用于動態(tài)測量。此后多人對該方法進行了完善［16-17］，2004年長春理工大學(xué)的王春燕等設(shè)計了激光光電經(jīng)緯儀炮管靜態(tài)定向角測量系統(tǒng)［18］，曾刊等在雙經(jīng)緯儀身管測量系統(tǒng)［19］的基礎(chǔ)上引入了具有測距功能的全站儀［20-21］，董起順等研究了經(jīng)緯儀布站對測量精度的影響，給出了最優(yōu)布站的基本方法［22］，孫澤林等分析了經(jīng)偉儀測量系統(tǒng)的誤差及其抑制方法［23］。

除上述幾種方法以外，CCD 在身管指向測量中的應(yīng)用也十分廣泛。其中一類是點光源加CCD 或位敏傳感器，該方法只適合角度變化較小的場合，2004年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的赫赤等對該類方法做了相關(guān)總結(jié)［24］;另一類則是CCD 加靶標，2009年軍械工程學(xué)院全厚德等研究了基于雙目交會原理的身管指向測量方法［25］，但是該方法測量結(jié)果不是很理想，高低角平均測量誤差為1.133 3°，方位角平均測量誤差為0.7553°［26］。2010年宋慶華等在火炮身管安裝一圓形標牌，通過檢測身管運動過程中標牌在成像中的變化測量身管和攝像機光軸在同一水平面內(nèi)的夾角［27］。2012年軍械工程學(xué)院段修生、朱耀軒等研究了計算機視覺技術(shù)在火炮身管測量上的應(yīng)用，提出了基于單目視覺的火炮身管指向測量方案，并著重研究了靜態(tài)測量方法，但對標志物安裝誤差消除、動態(tài)測量方法及其實現(xiàn)等方面尚待繼續(xù)研究。

2.2 小結(jié)

以上這些測量方法有的測量精度低，比如角度傳感器;有的方法測量范圍小，比如點光源加CCD 或位敏傳感器;有的對炮管長度有要求，比如GPS 方法;有的不適用于動態(tài)測量，比如GPS 方法和基于經(jīng)緯儀的方法;有的安裝調(diào)試復(fù)雜，對環(huán)境要求苛刻，比如基于陀螺儀的方法和基于精密光學(xué)系統(tǒng)的方法。這些方法都不適用于高動態(tài)、大范圍運動情況下的自行火炮火控系統(tǒng)動態(tài)精度測試，因此當前需要繼續(xù)研制一種測量精度能滿足要求、同時安裝調(diào)試方便的身管指向測量系統(tǒng)。

3 相關(guān)自行火炮身管指向測量系統(tǒng)介紹

自行火炮的調(diào)炮精度檢測(尤其是火炮身管指向測量方面)的問題，人們從不同實現(xiàn)方式、不同技術(shù)手段先后提出了多種自行高炮身管指向測量系統(tǒng)的設(shè)計方案。這里分別介紹GPS 測向系統(tǒng)、基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的火炮身管指向測量系統(tǒng)、雙經(jīng)緯儀調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)及火炮身管指向的視覺測量方法等4 種技術(shù)上具有代表性的身管指向測量系統(tǒng)和方法。

3.1 GPS 炮身指向測量系統(tǒng)

GPS 測向系統(tǒng)的工作原理為通過載波相位測量法對移動站和基準站的坐標差的三維矢量L(α，β，d)進行實時測量。測量型GPS 的載波相位輸出具有高速率的特點，先利用計算機將的長度求解出來，并作為常量，然后實時測出兩天線安裝點的相對位置之差，從而和即可求解出來，圖1 即為GPS 測向系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 GPS 測向系統(tǒng)組成框圖

圖1中，L 的方向為基準站指向移動站，d 是L 的長度，α是L 的空間方位角，真北為0，順時針為正，β 是L 的俯仰角，向上為正。

車體定向只是L 的空間方位角測量，當在炮口安裝移動站天線，在炮尾安裝基準站天線，該火炮身管的空間指向即為所測量出的α 和β。當身管長度大于8 m 或更長時，可以有很好的測量精度(靜態(tài)觀測20 s 的測量精度小于0.1 mil;動態(tài)測量精度可達0.6 mil 的精度)，這有助于調(diào)炮校炮操作，同時可通過檢測傳動鏈的空回和動態(tài)形變，進行改進設(shè)計，可提高火炮的射擊精度。

3.2 基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的火炮身管指向系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的火炮身管指向系統(tǒng)可分為姿態(tài)測量部分和計算機部分，圖2 即為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，姿態(tài)測量部分利用夾具將其安裝在身管上，其作用是用來高精度測量身管的姿態(tài)，并對身管的方位角進行實時測量。計算機部分主要是處理、顯示和存儲姿態(tài)測量部分所測得的數(shù)據(jù)。利用RS485/RS422S 接口將姿態(tài)測量部分和計算機之間進行連接。

圖2 火炮身管高精度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中數(shù)據(jù)采集、控制與計算電路采用FPGA(大規(guī)?？删幊踢壿嬮T陣列)和DSP(高速浮點數(shù)字信號處理器)的數(shù)據(jù)采集與處理的一體化設(shè)計技術(shù)。該指向系統(tǒng)解算模型包括系統(tǒng)自動標定、陀螺溫度漂移補償模型、載體晃動武昌補償模型、角度與瞬時角速度計算模型等。系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集模塊、自檢模塊、標定模塊、轉(zhuǎn)位控制模塊、角度計算模塊、角速度計算模塊、晃動和溫度漂移誤差補償模塊、通訊模塊等8個部分。

3.2.2 工作原理

激光陀螺也稱速率陀螺，其輸入角速度與光頻差成正比，但由于頻率測量一般都需要將頻率對時間進行積分才能實現(xiàn)，即必須要定時計數(shù)，對應(yīng)的直接測量輸出的結(jié)果是角速度，從而，激光陀螺也是一種角位置陀螺，輸出結(jié)果為一定時間間隔內(nèi)的角度。

該測量系主要是由相互垂直安裝的兩個加速度計和相互垂直安裝的3 個激光陀螺組成。激光陀螺的作用是測量在3 個方向上載體的指向變化，加速度計則是為了測量初始靜止狀態(tài)下載體在水平方向的重力加速度，求得作為測量的基準的載體初始水平姿態(tài)。在靜止狀態(tài)下，通過測量可得到水平方向上的角度，利用當時的地理緯度值和靜止狀態(tài)下陀螺測量得到的地球自轉(zhuǎn)分量值通過數(shù)學(xué)解算可得到指向。

3.3 雙經(jīng)緯儀調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

雙經(jīng)緯儀調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺架構(gòu)由筆記本電腦(或臺式機)，調(diào)炮精度檢測軟件、串口數(shù)據(jù)線以及2 臺高精度數(shù)字式經(jīng)緯儀(或全站儀)等組成。

該系統(tǒng)的工作原理為:數(shù)字式經(jīng)緯儀將檢測到的身管位置角度數(shù)據(jù)，通過串口數(shù)據(jù)線發(fā)送到筆記本電腦(安裝有調(diào)炮精度檢測軟件)，調(diào)炮精度檢測軟件根據(jù)雙經(jīng)緯儀測得的身管軸線炮口測點和炮尾測點的4 個高低角、4 個方位角數(shù)據(jù)進行解算，求得雙經(jīng)緯儀中心連線與身管軸線的方向角和大地水平面與身管軸線的高低角，再和輸入的裝訂諸元進行比較得到調(diào)炮誤差，選取好樣本量統(tǒng)計后對調(diào)炮精度是否合格判定。

3.3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

調(diào)炮精度檢測模型示意圖如圖3 所示。

圖3 調(diào)炮精度檢測模型示意圖

點K 為火炮身管炮口測點，點W 為炮尾測點，線段WK為火炮身管軸線，點Q 為炮口經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心，點V 為炮尾經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心，線段VQ 為雙經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心點連線，假設(shè)雙經(jīng)緯儀架設(shè)在同一水平面上，則線段VQ 位于水平面上，點W，K 在線段VQ 所在水平面上的投影點分別為點W1，K1，以點W1，K1分別向VQ 作垂線交于W2，K2點，以點W 向KK2作垂線交于A 點，以點W1向K1K2作垂線交于B 點。

炮口和炮尾兩經(jīng)緯儀在測試前先調(diào)平和對瞄歸零，然后分別瞄準火炮身管炮口和炮尾側(cè)點，可測出4 個方位角和4個高低角數(shù)據(jù)。即已知條件為方位角: ∠QVW1、∠QVK1、∠VQK1、∠VQW1，高低角: ∠WVW1、∠KVK1、∠KQK1、∠WQW1; 需推導(dǎo)計算的角度為方位角∠BW1K1和高低角∠KWA。

3.4 火炮身管指向的視覺測量方法

視覺測量就是將計算機視覺應(yīng)用于空間幾何尺寸的精確測量，是一種全新的非接觸測量方式。

3.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由一棋盤靶、便攜式PC、激光測距機及工業(yè)相機組成。實驗系統(tǒng)如圖4 所示。

工作原理即在火炮身管上固定一個棋盤狀平面模板作為測量標志物。首先，將Harris 算法提取到的棋盤板上的角點坐標進行相機成像模型的解算(即相機標定)，結(jié)合擴展卡爾曼濾波(EKF)算法得到相機的內(nèi)參，然后，提取帶測位置圖像的角點，運用最小二乘擬合算法解出該位置的外參矩陣。最后，根據(jù)身管的運動模型以及標志物與之的相對位置關(guān)系，推導(dǎo)高低角、方位角與外參矩陣滿足的約束方程，進而解出這兩個角度。

圖4 實驗系統(tǒng)

3.4.2 基于棋盤狀標志物的身管指向測量實現(xiàn)方法

在內(nèi)參求出后，在進行正式測量之前，先對火炮身管進行校零，采集零位置圖像，計算出零位置旋轉(zhuǎn)矩陣R0。然后將火炮身管調(diào)轉(zhuǎn)至帶測位置n(n=1，2，3，4，…)采集對應(yīng)圖像并計算出與之對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rn，則可以得到標志物從零位置到位置的旋轉(zhuǎn)矩陣為

其中:

根據(jù)身管的運動模型以及標志物與之的相對位置。推導(dǎo)α、β 與Tn約束方程，進而解算這兩個角度。

3.5 小結(jié)

以上4 個系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較如表1 所示。

4 結(jié)束語

身管指向精度是炮控調(diào)炮精度測量中最為關(guān)鍵的一環(huán)，易操作、高精度的精度測量系統(tǒng)，對在信息化條件下提高炮兵精確打擊和快速反應(yīng)能力有極大的幫助。在炮控調(diào)炮精度檢測中，針對目前身管指向測量方法不能同時滿足測量精度、測量范圍、可操作性、動態(tài)測量等要求的現(xiàn)狀，隨著新的測試理論及測試技術(shù)的研究實現(xiàn)、計算機科學(xué)的深入應(yīng)用和軟硬件技術(shù)的更新升級，必定能夠找到合適的測量方案。

表1 優(yōu)缺點比較

［1］姚霧云，徐德友.某型自行火炮火控系統(tǒng)檢測系統(tǒng)［J］.兵工自動化，2010，29(12):69-72.

［2］朱耀軒，段修生，張岐龍，等.火炮身管指向的視覺測量方法［J］.光電子·激光，2012，23(11):2163-2167.

［3］朱耀軒，段修生，王春平，等.基于彈幕視覺的火炮身管指向靜態(tài)測量［J］.兵工學(xué)報，2012，33(11):1324-1328.

［4］荊玉煥，王秀春，張振華.壓制兵器火控系統(tǒng)發(fā)展趨勢［J］.火力與控制指揮，2012，37(6):5-7.

［5］周全，楊善林，劉娟.某新型火箭炮火控系統(tǒng)可靠性［J］.火力與控制指揮，2012，36(7):138-141.

［6］刁中凱，蔣永瑜.火炮調(diào)炮精度檢查技術(shù)［J］.四川兵工學(xué)報，2008，29(2):48-50.

［7］楊育華，龔堅.一種新型武器系統(tǒng)試驗訓(xùn)練設(shè)備-零飛試驗儀［J］.火力與控制指揮，1992，19(1):46-52.

［8］段長林，毛聯(lián)山，王純亮.傳感器技術(shù)在火炮零位零線檢測中的應(yīng)用［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2012，26(5):455-460.

［9］王靜，王世凱.GPS 在自行火炮中的應(yīng)用［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2005(4):36-38.

［10］嚴德斌，胡朝根，陳紅軍.基于激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的火炮身管指向系統(tǒng)設(shè)計［J］. 艦船電子工程，2001，31(9):57-59.

［11］王春燕，姜會林，王陸，等.用于火控動態(tài)性能測試的多光軸光學(xué)系統(tǒng)［J］.兵工學(xué)報，2001，32(6):746-751.

［12］JIANG Hui-lin，GAO Tian-yuan. Optical measuring device in the coaxial hole axis positioning mechanism［P］. Patent of China:ZL 2007 10080539.2，2007-05-23.

［13］FU Yue-gang，WANG Zhi-jian，LI Bo.The investigate of the parallel multi-spectral optical system of optical calibration and test methods［J］.Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics，2001，24(4):669-671.

［14］何一陸，朱志敏，范繼.基于固定目標式檢測火箭炮方向調(diào)炮精度研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2001(3):89-92.

［15］陶化成，張衛(wèi)民，黃小平，等.壓制武器身管指向測試系統(tǒng)［J］.測控技術(shù)，2001，20(8):20-26.

［16］羅鴻飛，張英堂，任國全，等.基于空間坐標解算的火炮調(diào)炮精度檢測方法研究［J］. 火力發(fā)射與控制學(xué)報，2007，9(3):50-52.

［17］張琢.復(fù)瞄精度測試系統(tǒng)的設(shè)計研究［D］.長春:長春理工大學(xué)，2011.

［18］王春燕，王志堅. 火炮炮管靜態(tài)定向角測量系統(tǒng)研究［J］.兵工學(xué)報，2004，25(6):669-671.

［19］曾刊，賴文娟.雙經(jīng)緯儀調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)［J］.兵工自動化，2001，30(7):73-75.

［20］曾刊，賴文娟，雷雨能.單全站儀調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)［J］.四川兵工學(xué)報，2013，34(4):18-20.

［21］徐忠陽. 全站儀原理及應(yīng)用［M］. 北京: 解放軍出版社，2003.

［22］董起順，姜濤，蘇成志.火炮復(fù)瞄精度測試中經(jīng)緯儀的最佳布站研究［M］.兵工學(xué)報，2007，8(5):513-515.

［23］孫澤林，王昭，翟喚春.雙經(jīng)緯儀交會測量火炮調(diào)炮精度的誤差分析與抑制［J］.光學(xué)·精密工程，2011，19(10):2434-2441.

［24］赫赤，趙克定，許宏光，等.炮控系統(tǒng)性能試驗中角位移量的幾種測量方法［J］.火力與指揮控制，2004，29(6):103-111.

［25］全厚德，趙波，王建華.高炮隨動系統(tǒng)性能檢測算法［J］.火力與指揮控制，2009，34(11):161-163.

［26］王建華.基于雙目立體視覺的運動物體軸線三維測量關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.石家莊:軍械工程學(xué)院，2007.

［27］宋慶華，江春華.基于圖像處理的火炮身管定位定向方法［J］.微計算機信息，2010，26(11):109-111.