一种瞄星替代方法方案设计

徐立群，冯元伟，刘少伟

（解放军92941部队, 辽宁 葫芦岛 125001）

舰炮武器系统角度零位一致性检查是系统试验、使用过程中一项重要的基础性工作，是舰炮武器系统精确探测、跟踪目标，进行精确火控解算，准确打击目标的前提和基础。舰炮武器系统中舰炮、炮瞄雷达、光电跟踪仪等设备，它们的角度安装、检测都是以舰艇基准平面和舰艏艉线为基准，充分运用各种光学设备，使被试设备的电器零位与机械零位保持一致，使电气传输的信息准确表达实际的物理值，以满足系统的使用要求[1]。

在系泊条件下，传统的角度零位一致性检查方法主要是瞄星法，其工作原理是以舰艇相对不稳定坐标系为基准，在某一瞬时时刻，真值设备与被测量设备同时瞄准北极星，从而求得各被测设备在方向、高低上的角度误差。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，如果条件允许通常选择北极星。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以认为是完全平行的，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。但传统的瞄星方法也存在很大的局限性，瞄星必须选择无风无涌浪、舰艇摇摆幅度不大、天气晴好的夜晚，若不满足上述条件，瞄星则无法进行。在某地区的统计数据表明，适合瞄星的天数不足全年的五分之一，天气因素已成为制约瞄星试验的瓶颈。

在舰艇系泊条件下，如何根据具体环境条件，创造性地运用瞄星的原理，充分利用现有的光学技术，依托现有的大地测量手段，在确保武器系统精度满足使用要求的条件下，设计出新的试验方案是十分必要的。应用上述瞄星原理，采用一种新的方法，在试验现场选取合适的瞄准目标，并计算真值设备与被测量设备的相对位置关系，亦可求得被测设备在方向、高低上的角度误差。该方法与瞄星方法相比优势在于受天气的制约较小，与平行物标定法相比优势在于更适用于系泊条件，该方法可作为未来舰炮武器系统零位标校的备用方法和手段进行使用[2]。

1 舰艇相对不稳定直角坐标系的建立[3]

1.1 仪器仪表的准备

试验中选用6〃手动补偿式经纬仪二台，全站仪一台，动态角度测量仪一台，1´瞄星仪一台。

1.2 设备的水平度检查[4]

新方法以舰艇基准平台为基准，每隔30°对舰炮、炮瞄雷达天线基座、光电跟踪仪基座等设备进行水平度检查，原则上各设备的水平度误差最大值不应超过2´，舰炮的水平度误差可适当放宽，但亦不能超过3´。

1.3 系泊条件下经纬仪的对准与调平

经纬仪的水平测量平面以舰基准平台为基准，方向以舰艏艉线为基准。首先，在码头上将经纬仪水平基准调平，手动补偿为 0，然后，将三角架安置于舰艇上，三角架的安装平面中心点大致置于舰艏艉线上，将经纬仪置于其上，依据舰基准平台上动态角度测量仪的瞬时数据分别对经纬仪进行纵向、横向上的高低角度补偿，调整经纬仪的基座旋钮，使经纬仪的测量平面与舰基准平台水平一致；使用经纬仪的光学对中器，瞄准舰艏艉线，移动经纬仪，使其对中；反复进行上述操作，直至水平角度误差不大于30〃， 方位的对准误差不大于1mm；使经纬仪的望远镜瞄准舰艏艉线，将经纬仪方位角读数置为0，高低角补偿为0，至此，经纬仪的对准与调平工作全部完成。按照上述方法架设第二台经纬仪，二台经纬仪之间的距离不超过2m，高度相同，我们定义为1#、2#经纬仪。

1.4 经纬仪架设点与各设备相对位置的测量

测量经纬仪架设点与各设备相对位置的过程如下：用1#经纬仪瞄准光电跟踪仪回转中心，读取方位角和高低角；取下经纬仪安置全站仪，瞄准光电跟踪仪同一位置，测量经纬仪与光电跟踪仪回转中心点的距离，根据光电跟踪仪装舰参数，计算经纬仪与光电跟踪仪的相对位置坐标。之所以采用经纬仪测角而非采用全站仪测角是因为在舰艇摇摆的条件下，全站仪的高低角采用了自动补偿的工作方式，角度值是瞬时变化的，因此无法测量被测点在舰艇不稳定坐标系中的高低角度值。

1.5 舰艇相对不稳定、稳定直角坐标系的建立

该方法以1#经纬仪望远镜回转中心为原点，XY平面为经纬仪水平测量平面且平行于舰基准平台平面，Y轴平行于舰艏艉线，Z轴垂直于基准平面向上，建立舰艇相对不稳定直角坐标系；如果XY平面为水平面（X’Y’平面），将称之为舰艇相对稳定直角坐标系。光电跟踪仪安装于舰艇后，其与舰炮及炮瞄雷达的相对位置关系是已知的，1#经纬仪与光电跟踪仪的相对位置关系确定后，可以计算舰炮、光电跟踪仪、炮瞄雷达与1#经纬仪的相对位置坐标，因此在新的舰艇相对不稳定直角坐标系中，1#经纬仪、舰炮、光电跟踪仪、炮瞄雷达的位置坐标分别为（0，0，0），（XP，YP，ZP），（XG，YG，ZG），（XL，YL，ZL）。

2 标定场地设计与测绘[5]

2.1 海上灯桩的选择

海上灯桩的选择有如下考虑：1）灯桩距我舰的距原距离大于 5km，小于 10km，以利于各种光学仪器进行瞄准；2）海上灯桩在我舰左、右舷40°～140°范围内为宜，以满足各设备的通视要求；3）灯桩上架设光电标，光电标球体直径0.8m～1.0m，此球体中心为海上灯桩的瞄准点，球体中心距海上灯桩平台高度不小于 5m，距海面高度不小于 10m，支撑球体的立柱直径不超过10cm，以利于光电跟踪仪的自动跟踪。

2.2 标定场地测量基准点的选择

2.2.1方位角标定测量基准点的选择

标定场地测量基准点的选择要因地制宜，首先在码头陆地一侧选取若干点，定义为测量点 c1、c2、……cn，选择的点位基本在同一直线上并与码头走向平行，在高程上各测量点相同，测量时可根据舰艇在码头的实际停靠位置选择不同的点位，为保证较好的通视性，测量点与 1#经纬仪架设点斜距离为100m～200m为宜。

2.2.2高低角标定测量基准点的选择

测量点与我舰距离 2000m～3000m，与舰上各设备通视较好，我们定义其为A点。

2.3 标定场地测量坐标系的建立与测绘

对测量点 c1、c2、……cn海上灯桩点位进行大地测量，并计算出每个测量点位与海上灯桩的水平距离及高低角。选择标定场地一测量点（如c1点）为原点，Y轴为c1点与海上灯桩的连线，XY平面为水平面，Z轴垂直于水平面向上，建立标定场地直角坐标系。经计算得到海上灯桩在该坐标系中的三维坐标（Xh，Yh，Zh）。标定原理示意图见图1。

3 方位角零位标定

在系泊状态下舰艇的航向、纵横摇摆变化是随机进行的，因此标定必须是在同一时刻点，各测量设备及被测量设备同时瞄准好目标的条件下完成的。

3.1 1#经纬仪架设点在标定场地测量坐标系中坐标的测量

在测量点c1点架设全站仪，首先全站仪瞄准海上灯桩，并将全站仪方位读数置为0，然后再瞄准1#经纬仪望远镜的回转中心，读取方位角、高低角及斜距，根据测得的参数及灯桩坐标点数据，求取1#经纬仪架设点在标定场地坐标系中的坐标。

3.2 测量的组织与实施

舰炮安装瞄星仪，手动控制舰炮、炮瞄雷达在方位上从一侧进入，瞄准海上灯桩，光电跟踪仪采用自动跟踪方式跟踪海上灯桩，1#经纬仪在方位上瞄准海上灯桩，2#经纬仪在高低上瞄准海上灯桩，全站仪瞄准经纬仪望远镜回转中心，各设备同时瞄准好目标的同时，读取各测量设备与被测量设备的相关参数。

3.3 方位角度误差的计算

测量实施前我们已知参数：舰上经纬仪、舰炮、光电跟踪仪、炮瞄雷达在舰艇相对不稳定直角坐标系的坐标；通过一次测量后，我们还可以知道以下参数：1#经纬仪、舰炮、光电跟踪仪、炮瞄雷达瞄准海上灯桩的方位角，2#经纬仪瞄准海上灯桩的高低角，全站仪瞄准海上灯桩与1#经纬仪二点的方位夹角、瞄准1#经纬仪的斜距、高低角。下面仅以舰炮为例说明被测设备方位角度误差的计算方法。

假设：1#经纬仪瞄准海上灯桩的方位角读数值为QJ；2#经纬仪瞄准海上灯桩的高低角读数值为EJ；舰炮瞄准海上灯桩的方位角读数值为Qp；全站仪瞄准海上灯桩与 1#经纬仪二点的方位夹角为 Qq，瞄准舰上经纬仪的斜距为L，高低角为Eq；舰炮在舰艇相对不稳定坐标系中的坐标为（Xp，Yp，Zp）；海上灯桩在标定场地测量坐标系中的坐标为（Xh，Yh，Zh），在舰艇相对不稳定直角坐标系中的坐标为（XB，YB，ZB）。

1#经纬仪在标定场地坐标系中的坐标为：

经纬仪与海上灯桩的斜距为D：

海上灯桩在舰艇相对不稳定直角坐标系中的坐标为，

舰炮瞄准海上灯桩方位角理论值：

舰炮瞄准海上灯桩方位角误差：

采用同样的原理可以对舰炮进行高低角度的标定。下面介绍另一种方法对舰炮高低角度进行标定，这种方法更简便快捷，动用外场的仪器设备更少，实施难度更小。

4 高低角零位标定

我们仍以舰炮为例，说明高低角度零位标定的方法，此时舰艇相对不稳定直角坐标系的原点设为舰炮回转中心，其它定义不变。

在A点架设一台经纬仪，舰炮安装瞄星仪，舰基准平台放置动态角度测量仪。舰炮与经纬仪对瞄，在同时瞄准好的瞬时，读取舰炮的方位角、高低角（Qp，EP），经纬仪的高低角（EjA）、动态角度测量仪的舰艇纵、横摇摆量（φ，θ），舰炮与经纬仪的斜线距离设为LA。

此时舰艇的纵横摇摆量已知，经纬仪在舰艇不稳定直角坐标系中的方位角已知（舰炮方位角），高低角是未经标定的初略值，计算经纬仪在舰艇相对不稳定直角坐标系中的坐标时，可按舰炮高低角EP为初始值，代入公式中。

经纬仪在舰艇不稳定直角坐标系中的坐标为：

则经纬仪在舰艇稳定直角坐标系中的坐标为[2]：

经纬仪在舰艇稳定直角坐标系中的高低角为：

上述公式中，除LA为未知量外，其余均已知，在计算角Ea时，LA已消除，因此无需进行测量。

理论上Ea与EjA数值相等，符号相反，但由于在计算中代入了舰炮的高低角数据，而该数据是未经校准的数据，因此二者之间存在一个角度差。以EP为初始值，步长为 0.001mrad，采用迭代逼进的方法，重新计算Ea，直到二角误差小于0.001mrad为止，此时舰炮的理论高低角我们定义EP0。

则舰炮在高低上的误差为：

5 与瞄星的精度比对分析

5.1 方位角测量误差的比对分析

此方法与瞄星方法相比存在以下误差：1）海上灯桩与测量基准点c1点的相对位置测量误差，通过大地测量，其点位误差为AXh=5cm，AYh=5cm，AZh=5cm；2）1#经纬仪架设点与测量基准点c1点相对位置误差，AXj=5cm，AYj=5cm，AZj=5cm；3）舰上被测量设备在舰上的安装相对位置误差，此误差为毫米级，可忽略不计；4）被测量设备的光学设备与该设备的回转中点位置误差，此误差可以通过设备结构参数进行修正，修正后误差可忽略不计；5）2#经纬仪与 1#经纬仪高低角度测量误差，由于二台经纬仪架设距离小于2m，系泊条件下角度标定时舰艇的纵横摇摆量不大于1°，因此，在高程上引起的线量误差最大值不超过3.5mm，相对5km的目标而言，其高低角量误差可以忽略不计。由于海上灯桩在舰艇相对不稳定直角坐标系中的方位、高低角标定前无法知晓，误差计算时以最大误差记，则AD=15cm，AXB=10cm，AYB=10cm，AZB=10cm。综合考虑以上因素，对5km的海上灯桩进行瞄准，此方法与瞄星方法相比，其方位最大角量误差不大于0.04mrad，因此，采用此方法进行方位角度标定是满足精度要求的。

5.2 高低角测量误差的分析

此方法与瞄星方法相比，只存在被测设备光学望远镜与回转中心点高程位置的误差。对该误差进行修正后，其测量精度与瞄星方法相当。

6 结束语

舰炮武器系统角度零位一致是保证系统海上动态精度、射击精度的基础。传统的瞄星方法巧妙地克服了各设备间的基线测量误差问题，但无法回避现场的天气环境。利用瞄星的原理，依托靶场的大地测量手段和测量设备的优势，在系泊条件下对舰炮武器系统的角度零位一致性进行检查，创造性地设计出新的试验方案，是十分必要的。该方法是对瞄星方法的补充与完善，具有明显的军事和经济效益。

[1]许秉信.舰炮武器系统试验技术[M].连云港:江苏自动化研究所,2002.

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

[3]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.

[4]丁德勇,康郦,王武成. 水面舰艇电子武备基座水平度的检验与修正[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2004,26(6):70-73.

[5]黄守训,等. 舰炮武器系统试验与鉴定[M].北京:国防工业出版社,2005.