一種瞄星替代方法方案設(shè)計

徐立群，馮元偉，劉少偉

（解放軍92941部隊, 遼寧 葫蘆島 125001）

艦炮武器系統(tǒng)角度零位一致性檢查是系統(tǒng)試驗、使用過程中一項重要的基礎(chǔ)性工作，是艦炮武器系統(tǒng)精確探測、跟蹤目標(biāo)，進(jìn)行精確火控解算，準(zhǔn)確打擊目標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。艦炮武器系統(tǒng)中艦炮、炮瞄雷達(dá)、光電跟蹤儀等設(shè)備，它們的角度安裝、檢測都是以艦艇基準(zhǔn)平面和艦艏艉線為基準(zhǔn)，充分運用各種光學(xué)設(shè)備，使被試設(shè)備的電器零位與機(jī)械零位保持一致，使電氣傳輸?shù)男畔?zhǔn)確表達(dá)實際的物理值，以滿足系統(tǒng)的使用要求[1]。

在系泊條件下，傳統(tǒng)的角度零位一致性檢查方法主要是瞄星法，其工作原理是以艦艇相對不穩(wěn)定坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，在某一瞬時時刻，真值設(shè)備與被測量設(shè)備同時瞄準(zhǔn)北極星，從而求得各被測設(shè)備在方向、高低上的角度誤差。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(zhǔn)與艦基準(zhǔn)平臺一致，方位基準(zhǔn)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(zhǔn)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，如果條件允許通常選擇北極星。之所以選擇星體作為瞄準(zhǔn)目標(biāo)，是由于星體十分遙遠(yuǎn)，同時瞄準(zhǔn)它的多個設(shè)備的光軸可以認(rèn)為是完全平行的，無需考慮各設(shè)備在艦艇坐標(biāo)系中的相對位置及其基線修正等因素。但傳統(tǒng)的瞄星方法也存在很大的局限性，瞄星必須選擇無風(fēng)無涌浪、艦艇搖擺幅度不大、天氣晴好的夜晚，若不滿足上述條件，瞄星則無法進(jìn)行。在某地區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，適合瞄星的天數(shù)不足全年的五分之一，天氣因素已成為制約瞄星試驗的瓶頸。

在艦艇系泊條件下，如何根據(jù)具體環(huán)境條件，創(chuàng)造性地運用瞄星的原理，充分利用現(xiàn)有的光學(xué)技術(shù)，依托現(xiàn)有的大地測量手段，在確保武器系統(tǒng)精度滿足使用要求的條件下，設(shè)計出新的試驗方案是十分必要的。應(yīng)用上述瞄星原理，采用一種新的方法，在試驗現(xiàn)場選取合適的瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并計算真值設(shè)備與被測量設(shè)備的相對位置關(guān)系，亦可求得被測設(shè)備在方向、高低上的角度誤差。該方法與瞄星方法相比優(yōu)勢在于受天氣的制約較小，與平行物標(biāo)定法相比優(yōu)勢在于更適用于系泊條件，該方法可作為未來艦炮武器系統(tǒng)零位標(biāo)校的備用方法和手段進(jìn)行使用[2]。

1 艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系的建立[3]

1.1 儀器儀表的準(zhǔn)備

試驗中選用6〃手動補(bǔ)償式經(jīng)緯儀二臺，全站儀一臺，動態(tài)角度測量儀一臺，1′瞄星儀一臺。

1.2 設(shè)備的水平度檢查[4]

新方法以艦艇基準(zhǔn)平臺為基準(zhǔn)，每隔30°對艦炮、炮瞄雷達(dá)天線基座、光電跟蹤儀基座等設(shè)備進(jìn)行水平度檢查，原則上各設(shè)備的水平度誤差最大值不應(yīng)超過2′，艦炮的水平度誤差可適當(dāng)放寬，但亦不能超過3′。

1.3 系泊條件下經(jīng)緯儀的對準(zhǔn)與調(diào)平

經(jīng)緯儀的水平測量平面以艦基準(zhǔn)平臺為基準(zhǔn)，方向以艦艏艉線為基準(zhǔn)。首先，在碼頭上將經(jīng)緯儀水平基準(zhǔn)調(diào)平，手動補(bǔ)償為 0，然后，將三角架安置于艦艇上，三角架的安裝平面中心點大致置于艦艏艉線上，將經(jīng)緯儀置于其上，依據(jù)艦基準(zhǔn)平臺上動態(tài)角度測量儀的瞬時數(shù)據(jù)分別對經(jīng)緯儀進(jìn)行縱向、橫向上的高低角度補(bǔ)償，調(diào)整經(jīng)緯儀的基座旋鈕，使經(jīng)緯儀的測量平面與艦基準(zhǔn)平臺水平一致；使用經(jīng)緯儀的光學(xué)對中器，瞄準(zhǔn)艦艏艉線，移動經(jīng)緯儀，使其對中；反復(fù)進(jìn)行上述操作，直至水平角度誤差不大于30〃， 方位的對準(zhǔn)誤差不大于1mm；使經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)艦艏艉線，將經(jīng)緯儀方位角讀數(shù)置為0，高低角補(bǔ)償為0，至此，經(jīng)緯儀的對準(zhǔn)與調(diào)平工作全部完成。按照上述方法架設(shè)第二臺經(jīng)緯儀，二臺經(jīng)緯儀之間的距離不超過2m，高度相同，我們定義為1#、2#經(jīng)緯儀。

1.4 經(jīng)緯儀架設(shè)點與各設(shè)備相對位置的測量

測量經(jīng)緯儀架設(shè)點與各設(shè)備相對位置的過程如下：用1#經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)光電跟蹤儀回轉(zhuǎn)中心，讀取方位角和高低角；取下經(jīng)緯儀安置全站儀，瞄準(zhǔn)光電跟蹤儀同一位置，測量經(jīng)緯儀與光電跟蹤儀回轉(zhuǎn)中心點的距離，根據(jù)光電跟蹤儀裝艦參數(shù)，計算經(jīng)緯儀與光電跟蹤儀的相對位置坐標(biāo)。之所以采用經(jīng)緯儀測角而非采用全站儀測角是因為在艦艇搖擺的條件下，全站儀的高低角采用了自動補(bǔ)償?shù)墓ぷ鞣绞?，角度值是瞬時變化的，因此無法測量被測點在艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)系中的高低角度值。

1.5 艦艇相對不穩(wěn)定、穩(wěn)定直角坐標(biāo)系的建立

該方法以1#經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡回轉(zhuǎn)中心為原點，XY平面為經(jīng)緯儀水平測量平面且平行于艦基準(zhǔn)平臺平面，Y軸平行于艦艏艉線，Z軸垂直于基準(zhǔn)平面向上，建立艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系；如果XY平面為水平面（X’Y’平面），將稱之為艦艇相對穩(wěn)定直角坐標(biāo)系。光電跟蹤儀安裝于艦艇后，其與艦炮及炮瞄雷達(dá)的相對位置關(guān)系是已知的，1#經(jīng)緯儀與光電跟蹤儀的相對位置關(guān)系確定后，可以計算艦炮、光電跟蹤儀、炮瞄雷達(dá)與1#經(jīng)緯儀的相對位置坐標(biāo)，因此在新的艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中，1#經(jīng)緯儀、艦炮、光電跟蹤儀、炮瞄雷達(dá)的位置坐標(biāo)分別為（0，0，0），（XP，YP，ZP），（XG，YG，ZG），（XL，YL，ZL）。

2 標(biāo)定場地設(shè)計與測繪[5]

2.1 海上燈樁的選擇

海上燈樁的選擇有如下考慮：1）燈樁距我艦的距原距離大于 5km，小于 10km，以利于各種光學(xué)儀器進(jìn)行瞄準(zhǔn)；2）海上燈樁在我艦左、右舷40°～140°范圍內(nèi)為宜，以滿足各設(shè)備的通視要求；3）燈樁上架設(shè)光電標(biāo)，光電標(biāo)球體直徑0.8m～1.0m，此球體中心為海上燈樁的瞄準(zhǔn)點，球體中心距海上燈樁平臺高度不小于 5m，距海面高度不小于 10m，支撐球體的立柱直徑不超過10cm，以利于光電跟蹤儀的自動跟蹤。

2.2 標(biāo)定場地測量基準(zhǔn)點的選擇

2.2.1方位角標(biāo)定測量基準(zhǔn)點的選擇

標(biāo)定場地測量基準(zhǔn)點的選擇要因地制宜，首先在碼頭陸地一側(cè)選取若干點，定義為測量點 c1、c2、……cn，選擇的點位基本在同一直線上并與碼頭走向平行，在高程上各測量點相同，測量時可根據(jù)艦艇在碼頭的實際停靠位置選擇不同的點位，為保證較好的通視性，測量點與 1#經(jīng)緯儀架設(shè)點斜距離為100m～200m為宜。

2.2.2高低角標(biāo)定測量基準(zhǔn)點的選擇

測量點與我艦距離 2000m～3000m，與艦上各設(shè)備通視較好，我們定義其為A點。

2.3 標(biāo)定場地測量坐標(biāo)系的建立與測繪

對測量點 c1、c2、……cn海上燈樁點位進(jìn)行大地測量，并計算出每個測量點位與海上燈樁的水平距離及高低角。選擇標(biāo)定場地一測量點（如c1點）為原點，Y軸為c1點與海上燈樁的連線，XY平面為水平面，Z軸垂直于水平面向上，建立標(biāo)定場地直角坐標(biāo)系。經(jīng)計算得到海上燈樁在該坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)（Xh，Yh，Zh）。標(biāo)定原理示意圖見圖1。

3 方位角零位標(biāo)定

在系泊狀態(tài)下艦艇的航向、縱橫搖擺變化是隨機(jī)進(jìn)行的，因此標(biāo)定必須是在同一時刻點，各測量設(shè)備及被測量設(shè)備同時瞄準(zhǔn)好目標(biāo)的條件下完成的。

3.1 1#經(jīng)緯儀架設(shè)點在標(biāo)定場地測量坐標(biāo)系中坐標(biāo)的測量

在測量點c1點架設(shè)全站儀，首先全站儀瞄準(zhǔn)海上燈樁，并將全站儀方位讀數(shù)置為0，然后再瞄準(zhǔn)1#經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的回轉(zhuǎn)中心，讀取方位角、高低角及斜距，根據(jù)測得的參數(shù)及燈樁坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，求取1#經(jīng)緯儀架設(shè)點在標(biāo)定場地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.2 測量的組織與實施

艦炮安裝瞄星儀，手動控制艦炮、炮瞄雷達(dá)在方位上從一側(cè)進(jìn)入，瞄準(zhǔn)海上燈樁，光電跟蹤儀采用自動跟蹤方式跟蹤海上燈樁，1#經(jīng)緯儀在方位上瞄準(zhǔn)海上燈樁，2#經(jīng)緯儀在高低上瞄準(zhǔn)海上燈樁，全站儀瞄準(zhǔn)經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡回轉(zhuǎn)中心，各設(shè)備同時瞄準(zhǔn)好目標(biāo)的同時，讀取各測量設(shè)備與被測量設(shè)備的相關(guān)參數(shù)。

3.3 方位角度誤差的計算

測量實施前我們已知參數(shù)：艦上經(jīng)緯儀、艦炮、光電跟蹤儀、炮瞄雷達(dá)在艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)；通過一次測量后，我們還可以知道以下參數(shù)：1#經(jīng)緯儀、艦炮、光電跟蹤儀、炮瞄雷達(dá)瞄準(zhǔn)海上燈樁的方位角，2#經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)海上燈樁的高低角，全站儀瞄準(zhǔn)海上燈樁與1#經(jīng)緯儀二點的方位夾角、瞄準(zhǔn)1#經(jīng)緯儀的斜距、高低角。下面僅以艦炮為例說明被測設(shè)備方位角度誤差的計算方法。

假設(shè)：1#經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)海上燈樁的方位角讀數(shù)值為QJ；2#經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)海上燈樁的高低角讀數(shù)值為EJ；艦炮瞄準(zhǔn)海上燈樁的方位角讀數(shù)值為Qp；全站儀瞄準(zhǔn)海上燈樁與 1#經(jīng)緯儀二點的方位夾角為 Qq，瞄準(zhǔn)艦上經(jīng)緯儀的斜距為L，高低角為Eq；艦炮在艦艇相對不穩(wěn)定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Xp，Yp，Zp）；海上燈樁在標(biāo)定場地測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Xh，Yh，Zh），在艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（XB，YB，ZB）。

1#經(jīng)緯儀在標(biāo)定場地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

經(jīng)緯儀與海上燈樁的斜距為D：

海上燈樁在艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為，

艦炮瞄準(zhǔn)海上燈樁方位角理論值：

艦炮瞄準(zhǔn)海上燈樁方位角誤差：

采用同樣的原理可以對艦炮進(jìn)行高低角度的標(biāo)定。下面介紹另一種方法對艦炮高低角度進(jìn)行標(biāo)定，這種方法更簡便快捷，動用外場的儀器設(shè)備更少，實施難度更小。

4 高低角零位標(biāo)定

我們?nèi)砸耘炁跒槔?，說明高低角度零位標(biāo)定的方法，此時艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系的原點設(shè)為艦炮回轉(zhuǎn)中心，其它定義不變。

在A點架設(shè)一臺經(jīng)緯儀，艦炮安裝瞄星儀，艦基準(zhǔn)平臺放置動態(tài)角度測量儀。艦炮與經(jīng)緯儀對瞄，在同時瞄準(zhǔn)好的瞬時，讀取艦炮的方位角、高低角（Qp，EP），經(jīng)緯儀的高低角（EjA）、動態(tài)角度測量儀的艦艇縱、橫搖擺量（φ，θ），艦炮與經(jīng)緯儀的斜線距離設(shè)為LA。

此時艦艇的縱橫搖擺量已知，經(jīng)緯儀在艦艇不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的方位角已知（艦炮方位角），高低角是未經(jīng)標(biāo)定的初略值，計算經(jīng)緯儀在艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)時，可按艦炮高低角EP為初始值，代入公式中。

經(jīng)緯儀在艦艇不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

則經(jīng)緯儀在艦艇穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為[2]：

經(jīng)緯儀在艦艇穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的高低角為：

上述公式中，除LA為未知量外，其余均已知，在計算角Ea時，LA已消除，因此無需進(jìn)行測量。

理論上Ea與EjA數(shù)值相等，符號相反，但由于在計算中代入了艦炮的高低角數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)是未經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，因此二者之間存在一個角度差。以EP為初始值，步長為 0.001mrad，采用迭代逼進(jìn)的方法，重新計算Ea，直到二角誤差小于0.001mrad為止，此時艦炮的理論高低角我們定義EP0。

則艦炮在高低上的誤差為：

5 與瞄星的精度比對分析

5.1 方位角測量誤差的比對分析

此方法與瞄星方法相比存在以下誤差：1）海上燈樁與測量基準(zhǔn)點c1點的相對位置測量誤差，通過大地測量，其點位誤差為AXh=5cm，AYh=5cm，AZh=5cm；2）1#經(jīng)緯儀架設(shè)點與測量基準(zhǔn)點c1點相對位置誤差，AXj=5cm，AYj=5cm，AZj=5cm；3）艦上被測量設(shè)備在艦上的安裝相對位置誤差，此誤差為毫米級，可忽略不計；4）被測量設(shè)備的光學(xué)設(shè)備與該設(shè)備的回轉(zhuǎn)中點位置誤差，此誤差可以通過設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正，修正后誤差可忽略不計；5）2#經(jīng)緯儀與 1#經(jīng)緯儀高低角度測量誤差，由于二臺經(jīng)緯儀架設(shè)距離小于2m，系泊條件下角度標(biāo)定時艦艇的縱橫搖擺量不大于1°，因此，在高程上引起的線量誤差最大值不超過3.5mm，相對5km的目標(biāo)而言，其高低角量誤差可以忽略不計。由于海上燈樁在艦艇相對不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系中的方位、高低角標(biāo)定前無法知曉，誤差計算時以最大誤差記，則AD=15cm，AXB=10cm，AYB=10cm，AZB=10cm。綜合考慮以上因素，對5km的海上燈樁進(jìn)行瞄準(zhǔn)，此方法與瞄星方法相比，其方位最大角量誤差不大于0.04mrad，因此，采用此方法進(jìn)行方位角度標(biāo)定是滿足精度要求的。

5.2 高低角測量誤差的分析

此方法與瞄星方法相比，只存在被測設(shè)備光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與回轉(zhuǎn)中心點高程位置的誤差。對該誤差進(jìn)行修正后，其測量精度與瞄星方法相當(dāng)。

6 結(jié)束語

艦炮武器系統(tǒng)角度零位一致是保證系統(tǒng)海上動態(tài)精度、射擊精度的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的瞄星方法巧妙地克服了各設(shè)備間的基線測量誤差問題，但無法回避現(xiàn)場的天氣環(huán)境。利用瞄星的原理，依托靶場的大地測量手段和測量設(shè)備的優(yōu)勢，在系泊條件下對艦炮武器系統(tǒng)的角度零位一致性進(jìn)行檢查，創(chuàng)造性地設(shè)計出新的試驗方案，是十分必要的。該方法是對瞄星方法的補(bǔ)充與完善，具有明顯的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

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