互瞄法在舰载武器系统电气零位标定中的应用

顾颖闽，郑剑波，王嘉苏

（中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所, 江苏 连云港 222006）

在舰载武器系统中，由于光电跟踪仪、跟踪雷达等高精度传感器和武器设备在舰艇上位置分布不一致，导致系统存在零位不一致现象。而系统零位一致性是决定舰载武器系统射击精度的重要因素[1]。尽管在安装舰载武器系统各设备时，已调整并满足了系统机械零位的要求，但仅满足机械零位要求，仍无法满足高精度舰载武器系统射击精度的要求。为满足高精度舰载武器系统的射击精度的要求，需再对各设备电气零位进行一致性对准。电气零位修正主要指通过数字或模拟量修正，调整传感器和武器的零位，以满足舰载武器系统零位一致性的要求。电气零位主要包括角度零位和距离零位两部分。电气角度零位对准主要包括系统舷角和仰角的对准[2]。在系泊条件下，传统的电气角度零位一致性对准方法主要是瞄星法。

瞄星法一般采用经纬仪作为角度测量的真值设备，将经纬仪的水平基准与舰基准平台一致，方位基准与舰艏艉线一致，被检设备的光学设备与经纬仪同时瞄准天上的某一星体，星体的选择主要考虑星体的亮度、移动的速度、周围一定范围内是否有其它较亮的星体及星体的高低角等因素。之所以选择星体作为瞄准目标，是由于星体十分遥远，同时瞄准它的多个设备的光轴可认为是完全平行的，无需考虑各设备在舰艇坐标系中的相对位置及其基线修正等因素[2-3]。

瞄星法具有对准精度高、实施较为简单等优点，但由于该方法需要通过光学仪器直接观测天上的星体，故受气象条件影响较大，只能在有星星的夜晚进行，如果试验地区阴雨天气多，夜晚看不到星星或星星晦暗难辨时，瞄星法就无法实施。

为了解决瞄星法受气象条件影响较大的问题，同时又要满足高精度舰载武器系统的要求，本文提出了一种新的零位检测与对准方法——互瞄法。

1 互瞄法的工作原理

互瞄法是由瞄星法发展、演变而来的一种方法。该方法主要是通过架设在舰上的经纬仪与架设在岸上的经纬仪互瞄，然后再将架设在岸上的经纬仪与武器系统各设备互瞄，得到各设备舷角、仰角真值，舰载武器系统各设备再进行相应地修正。为了更清楚地了解互瞄法的工作原理，我们先了解一下瞄星法的基本原理。

1.1 瞄星法的基本原理

舰载武器系统各设备的对准，实际就是将各设备的舷角和仰角的零位分别修正到与舰艏艉线和基准平面保持平行（误差满足精度要求），但由于各设备本身不具备直接测量准确舷角、仰角值的功能，所以需要借助经纬仪来读取。

经纬仪是一种测量某一目标点相对于经纬仪所设定的平面和零位中线的仰角和舷角真值的精密仪器设备。

由于经纬仪架设位置与各设备位置不同，当观察同一目标时，各设备舷角、仰角真值与经纬仪测量真值之间存在一角度差，所以，该观测目标和本舰之间需要有足够远的距离。因为，如果观测目标距离选取太近，不考虑架设位置的分布不同，误差较大（如经纬仪与设备之间的距离为20m，选取11km的目标测量，最大误差大于arcsin(10/11000)°即0.1°），如考虑架设位置的分布不同，则对各设备的坐标和目标距离测量精度要求太高，对测量仪器精度要求很高，实施较为困难。如果选取观测目标和本舰之间距离合适，即可以忽略架设位置的分布不同，则观测目标至少需要在距离 57km（10m/sin0.01°）以外（如经纬仪与设备之间的距离为20m），即便该目标有足够的亮度，地面目标也超出了视距范围。所以必须选取具有足够亮度、距离足够远以及目标可视面积足够小的天体点目标，最合适就是选取星体。

测量时，需经纬仪、各设备水平零位在相互平行的平面上（各平面与舰体基准平台平面平行），并且舷角零位与舰艏艉线保持平行。因为被观测目标的距离相对于经纬仪与设备之间的距离可以近似认为无穷远，所以经纬仪与武器系统各设备观察视线相互平行，各设备舷角、仰角真值理论上就是经纬仪的观测值。

瞄星法可以很好地满足高精度舰载武器系统对准精度要求，巧妙地解决了无合适对准参考点满足舰载武器系统各设备零位一致性对准精度要求的问题。

瞄星法基本原理如图1所示。

1.2 互瞄法的工作原理

为了实现在无星的天气里进行对准，可以采用观测目标点（用经纬仪作为目标点）与系统各设备互瞄的方法。所谓互瞄，就是两个光学仪器互相瞄准，以达到二者的光轴重合的操作过程。可以通过位于观测目标点的经纬仪（以下称为岸上经纬仪）来测量各设备的舷角和仰角，同时各设备读出此刻观测目标点的舷角和仰角。测量时，需要岸上经纬仪水平零位与各设备水平零位在相互平行的平面上，并且岸上经纬仪舷角零位与舰艏艉线保持平行。

由于岸上经纬仪没有架设在舰上，为了保证测量精度并使测量方便，我们选取大地平面作为水平零位。同时，为保证岸上经纬仪舷角零位与舰艏艉线保持平行，需在舰上架设一个经纬仪（以下简称舰上经纬仪），以大地平面为水平零位，舰艏艉线为舷角零位，向岸上经纬仪瞄准，岸上经纬仪也同时向舰上经纬仪瞄准。将岸上经纬仪的舷角值设置为舰上经纬仪的舷角值。这样就将舰艏艉线平行移到岸上经纬仪的位置，岸上经纬仪舷角零位与舰艏艉线保持平行。岸上经纬仪与各设备互瞄，得到各设备相对于大地平面的舷角和仰角真值。各设备读取岸上经纬仪是以舰甲板为平面的舷角和仰角，所以必须将以大地为平面的舷角和仰角真值转换为以舰甲板为平面的舷角和仰角真值（具体转换公式见后文）。互瞄方法如图2、图3所示。

图2 舰上经纬仪和岸上经纬仪互瞄示意图

图3 岸上经纬仪与被测设备之间互瞄示意图

1.3 互瞄法坐标转换方法

进行坐标系转换前，先用水平仪将各设备的沿舰纵向和横向的水平度倾角测出。为了将以大地为平面的舷角和仰角真值转换为以舰体为平面的舷角和仰角真值，我们需建立两个坐标系：一个是地理坐标系X0Y0Z0，原点设在载体质心，Y0、X0在与大地水平面平行过原点的平面α上，其中Y0方向沿舰艏艉线指向舰艏方向，X0方向指向Y0在平面α上顺时针旋转90°的方向，Z0轴沿地心与大地水平面垂直并指向天顶；一个是载体坐标系X3Y3Z3，其原点定义在载体质量中心，Y3方向沿舰艏艉线指向舰艏方向，X3方向指向Y3在设备平台平面上顺时针旋转90°的方向，Z3轴垂直于X3、Y3指向上方。如果各设备沿舰纵向和横向的水平度倾角为 0，则设备平台平面与大地平面平行；如果各设备沿舰纵向和横向的水平度倾角为不为 0，地理坐标系需转换变为载体坐标系。因此，要完成坐标系转换的计算，需引入计算坐标系X1Y1Z1及 X2Y2Z2。坐标转换过程可通过绕坐标系作三次旋转得到，首先进行坐标系旋转分析，因为舰在做该项试验时一般在船坞半坐墩条件下，所以舰航向无变化，各设备沿Z0轴无任何旋转，即X1Y1Z1与X0Y0Z0重合，然后考虑载体绕X1轴转动θ角，即载体纵轴线与大地水平面有一夹角θ（逆时针为正），最后考虑载体绕 Y2轴转动φ角，即载体横轴线与水平面有一夹角φ（顺时针为正），即

有关变换公式为：

式中，C0代表X0Y0Z0绕Z0轴转动为X1Y1Z1坐标系的坐标转换系数。由于绕Z0轴转动角度为0，所以C0＝1。

C1代表 X1Y1Z1绕 X1轴转动θ角后转变为X2Y2Z2坐标系的坐标转换系数。

C2代表 X2Y2Z2绕 Y2轴转动φ角后转变为X3Y3Z3坐标系的坐标转换系数。

C代表 X0Y0Z0转变为 X3Y3Z3的坐标转换系数。

即

以设备平台平面为平面舷角α，仰角为β：

由此可以得出以设备平台平面为平面舷角为α，仰角为β，相对于以大地平面为平面舷角和仰角的转

换关系。以上坐标转换公式也可用四元数旋转变换的方法推出[4]。

2 互瞄法的实现

互瞄法的操作过程较为复杂，在实施的过程中人为因素较多，为了保证整个互瞄法的实施结果满足舰载武器系统的精度要求，需制定相应的实施规则。

2.1 互瞄法实施的条件

1）舰艇必须保持在船坞内半坐墩条件下 根据互瞄法的工作原理可知，互瞄法的测试工具经纬仪中的一部是架设在岸上的，并以大地坐标系为基准平面。而被测设备是以甲板坐标系为基准的，并且另一部经纬仪是架设在舰上的，同时在互瞄法实施过程中，需要测量舰艇相对于大地平面的姿态数据。这些过程都必须让舰艇始终保持同一的姿态。为满足这些要求并使试验状态接近舰艇水中浮态，在互瞄法实施过程中，必须保持舰艇在船坞内半坐墩条件下。

2）被测设备水平度满足指标 如果被测设备水平度超出指标范围，会影响舰载武器系统射界、危界的准确度，导致舰载武器系统射击安全性降低。

2.2 实施互瞄法的主要步骤

1）以大地水平面为基准，检测设备的绝对水平度；

2）实施两个经纬仪第一次互瞄，实现将舰艏艉线平行移动到岸上；

3）实施岸上经纬仪与测试各设备的互瞄；

4）进行坐标系转换，将大地坐标系转换成舰甲板坐标系；

5）完成设备误差修正；

6）进行互瞄法的复测，以保证互瞄法测量精度。

2.3 实施细则流程图

具体实施细则流程图如图4所示。

图4 互瞄法实施细则流程图

3 互瞄法的误差精度及可行性分析

首先对互瞄法的对准精度进行理论分析，我们先将它与瞄星法比较。在瞄星过程中，经纬仪需要一次对准、瞄准。互瞄法则需要两个经纬仪对准、瞄准。所以，互瞄法最大误差系数比瞄星法误差系数增加了一倍左右，相应的标准误差系数为 2倍瞄星法标准误差系数。

为了验证互瞄法测量精度，我们分别对同一配试系统进行电气零位对比精度测试。测试具体过程如下。

配试系统先完成瞄星试验，然后进行互瞄试验。因为瞄星试验完成后，配试系统的传感器和武器已满足电气零位指标，所以可以近似地以瞄星后的数据作为真值来计算互瞄法的实际误差，进行比较分析。经过多次测试数据比较分析，互瞄法与瞄星法相比较，最大随机误差比瞄星法大 30%,系统误差略小于瞄星法的测量精度。

通过理论分析可知，互瞄法标准误差略大于瞄星法，但通过科学、严谨和完善的试验方法，互瞄法实际舰载武器系统电气零位对准误差精度明显小于理论误差分析精度。根据目前测量仪器的测量精度和舰载武器系统的要求，运用互瞄法进行角度零位对准的精度可以满足大多数舰载武器系统的要求。由于互瞄法受气象条件和周边场地环境影响小，并克服了利用传统瞄星法进行舰载武器系统角度零位对准时，受天气和环境影响较大的问题，所以，互瞄法作为舰载武器系统角度零位对准的一种新方法，具有较为广泛的适用性和推广性。

4 结束语

互瞄法是高精度舰载武器系统对准的一种有效方法，可以满足常规舰载武器系统电气零位对准的精度要求。试验表明，该方法具有对准精度高、操作灵活方便、不受气象条件的限制等优点，在高精度舰载武器系统对准方面具有广阔的应用前景。

[1]汪德虎,谭周寿,王建明,等. 舰炮射击基础理论[M].北京:海潮出版社,1998.

[2]胡志强,许秉信. 舰载武器系统零位检测与归正方法[J].火力与指挥控制,2007,32(4):81-84.

[3]黄守训,等. 舰炮武器系统试验与鉴定[M].北京:海潮出版社,2005.

[4]戴自立,谢荣铭,虞汉民. 现代舰艇作战系统[M].北京:国防工业出版社,1999.