系泊条件下瞄星试验存在的问题及对策研究＊

徐立群 赵 岩 冯元伟

（解放军92941部队 葫芦岛 125001）

1 引言

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、光电跟踪仪等设备角度的安装、检测都是以舰艇基准平面和舰艏艉线为基准进行的。安装时首先对参试设备的高低、方向机械零位进行调整使其与舰艇的基准平面［1］和舰艏艉线保持一致，然后调整各参试设备的电器零位并充分运用各种辅助仪器设备使其与舰艇的基准平面和舰艏艉线保持一致，最终使参试设备的机械零位、电器零位与舰艇的基准高低、方向角度零位保持一致，使电气传输的信息能够准确表达实际的物理值，以满足系统的使用要求［2］。在系泊条件下，系统角度零位一致性检查主要采用瞄星法，其原理是以舰艇不稳定坐标系［3］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，同时记录二者所测量的角度值，从而求得各被测设备在高低、方向上的角度误差。瞄星法一般采用经纬仪作为角度测量的真值设备，经纬仪的水平基准与舰基准平台保持一致，方向基准与舰艏艉线保持一致，被检设备的光学设备与经纬仪同时瞄准天上的某一星体［4］，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，角度零位检查时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，使检测工作变得相对简单。通过几十年来武器系统瞄星试验情况来看，试验的总体思路是正确的，试验对检验武器系统角度零位精度起到了较好的作用，但同时也应该看到，随着新型舰炮武器系统的飞速发展，系统的承载平台越来越多样化，系统的使用环境越来越复杂，试验的周期越来越短，难度越来越大，试验中暴露出的问题也越来越明显。主要表现在试验进程受制于气象条件、试验测量数据的精度受人为因素影响较大、试验的数据无法自动记录与复现、测量数据的正确性无法验证等方面。这些问题的存在已经严重制约了舰炮武器系统试验的进程，给系统后续动态精度及射击精度试验增加了更多难度，影响了武器系统真实性能全面考核。在舰艇系泊条件下，如何根据具体环境条件，充分利用现有的成熟技术，创造性地运用瞄星原理，完成试验任务，是我们急需解决的问题［5］。

2 传统的瞄星方法及存在的问题

2.1 传统的瞄星方法

系泊条件下瞄星试验需进行以下几个步骤。1）试验前选择测量的真值设备。一般情况下选用大地经纬仪做为真值设备，考虑到试验是在系泊条件下进行的，承载真值设备的船体始终处于摇摆状态，它的基准平面是随时变化的，因此所使用的经纬仪应为高低手动补偿式大地经纬仪（或虽具有自动补偿功能，但使用时将高低自动补偿功能关掉）。2）经纬仪的陆上准备。在码头上将经纬仪架设好，调整经纬仪基座旋钮，使经纬仪的长水准气泡居中，然后调整高低补偿旋钮，使高低角补偿水准气泡居中，此时经纬仪在高低角度上的补偿值为零，经纬仪在陆上的准备工作完成。3）经纬仪在甲板上的调平与对准。在甲板上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，指向舰艏方向为正。在甲板上选择两个理想的舰艏艉线基准点，将三角架布设于二基准点的中间位置，三角架的安装平面中心点在甲板上的垂直投影点尽可能置于舰艏艉线上，将经纬仪置于其上；使用经纬仪的望远镜，分别瞄准两个基准点，并移动经纬仪，使经纬仪在二基准点连线上，实现经纬仪的方向对准；在舰基准平台上放置一台象限仪，操作象限仪、调整经纬仪高低补偿旋钮及经纬仪的基座旋钮，使经纬仪的水平测量平面与舰基准平台水平，实现经纬仪的调平；反复进行调平、对准操作，直至调平角度误差、对准角度误差满足要求为止；操作经纬仪使其望远镜瞄准舰艏方向，将经纬仪方位角读数置为零，高低角度补偿为零，至此，经纬仪在甲板上的调平与对准工作完成。4）进入瞄星试验的具体实施阶段。光电跟踪仪采用自动跟踪方式跟踪北极星；利用舰炮配备的冷射管或其它光学装置、炮瞄雷达的光学望远镜，手动控制舰炮、炮瞄雷达、经纬仪在方向（或高低）上从一侧进入，瞄准北极星。各设备同时瞄准好目标的同时，读取光电跟踪仪、舰炮、炮瞄雷达的方向（或高低）角度测量值及经纬仪在方向（或高低）的角度真值，从而计算各被测设备方向、高低的角度误差［6～8］。

2.2 瞄星试验存在的问题

传统的瞄星方法经过多年的验证表明，其原理正确，在一定程度上可以完成系统零位一致性检查任务，但同时也应看到，传统的方法也存在很多问题。1）瞄准星体的单一性问题。瞄星选择的星体一般为北极星，较少选择其它星体，之所以选择北极星，主要考虑星体的亮度合适且其周围一定范围内没有其它较亮的星体便于识别，在空间移动的速度较慢且位置相对固定便于跟踪，星体的高低角度既满足参试设备检测的要求又满足经纬仪的操作要求。但标校时如果出现空中有云且遮挡住北极星、有些城市上空的光污染使北极星无法分辩、舰艇停靠码头不同位置使舰艇的上层建筑遮挡北极星等情况，检查将无法进行，直接影响试验进度。2）瞄星条件的苛刻问题。瞄星必须选择无风无涌浪、舰艇的摇摆幅度不大的条件进行，如果风力较大，舰艇的甲板会向一侧倾斜，一旦倾斜角度超出经纬仪高低角补偿范围，经纬仪测量平面将无法与舰基准平面调平；如果涌浪较大，舰艇摇摆过于频繁，手动操作象限仪及经纬仪进行水平调节并进行同步将无法实现，检查无法正常进行；既使有时风力及涌浪不大，但有些舰艇由于排水量较小，艇艇摇摆的幅度仍较大且摇摆频率较高，检查亦无法正常进行。3）检查精度受人为因素影响较大的问题，标校时需手动调节经纬仪测量平面与基准平面水平，人工摇动舰炮身管使其轴线瞄准北极星，手动操作经纬仪跟踪北极星，这些手动的调平与跟踪动作都是在舰艇摇摆状态下完成的，若要求各环节完全协调一致是十分困难的，整个检查过程对操作手的要求很高，人为因素较大，测量精度难以保证。四是靶场提供的测量数据真值其获取过程无法自动记录，其准确性无法验证。目前操作象限仪与经纬仪都是在舰艇摇摆情况下人工操作完成的，读取的数据是在某一瞬时时刻舰艇摇摆到一个随机角度时的数据，目前只能人工报读并记录，而不能将这一过程及测量数据以数据、图像、录像的形式自动记录，一旦数据出现问题，只能重新复测，而无法对这些数据进行分析以查找真值测量过程所存在的问题，这与试验质量管理规范所规定的试验过程的全程监控与问题追溯的要求是不相符合的。上述问题已成为困扰靶场多年的问题，成为瞄星试验的瓶颈。

3 解决瞄星试验问题的对策

系泊条件下瞄星试验的组织实施是很困难的，受制约的条件很多，但苦于没有更好的办法，几十年来，一直使用传统的瞄星方法及设备，彻底改变这种被动现状的要求十分迫切，业内的相关人员也为此做了大量的工作。近年来，随着新技术特别是动态姿态角测量技术的飞速发展，瞄星试验的窘境出现了转机，研究新试验方法、研制新真值设备也提到议事议程，经过几年的论证，新试验方法的思路已经形成，研制新的真值设备即瞄星系统的基本条件已经成熟。采用传统的瞄星原理，利用成熟的光学技术、姿态角度测量技术、图像录取与处理技术、时统同步技术，完全可以研制出新的瞄星系统，并以此为支撑实现新试验方法在工程实践中的应用，以解决困挠靶场多年的瓶颈问题。由于舰炮武器系统中光电跟踪仪具备自动跟踪星体的功能、多数炮瞄雷达也具有辅助的光学设备，且二者的瞄星方法与舰炮相同，所以本文只以舰炮为例，从瞄星系统及新的试验方法两个方面进行阐述。

3.1 瞄星系统

3.1.1 瞄星系统主要功能

瞄星系统为舰炮武器系统角度零位一致性检查的专用测量设备，其主要在系泊条件下使用，亦可在陆上条件使用，其瞄星精度在系泊条件下高于传统方法，在陆上使用时与传统瞄星方法的精度相当；系统瞄准的目标不局限于北极星，易于分辩但运动速度较快的星体也可做为瞄准目标；瞄星试验的条件大大放宽，只要天空有肉眼可见的星体、瞄星系统可以在甲板上架设，系统均可进行瞄星作业，而无需考虑风力大小、涌浪大小及小吨位舰艇摇摆频繁等因素；在高低角度调平过程中应用新的角度姿态测量仪器、在方位角对准过程中采用新的对准方法，从而使系统在系泊条件下的架设更加便捷；系统具有自动记录星体画面图像、星体坐标自动判读、舰炮武器系统角度零位误差计算、系统测量数据正确性验证等功能。

3.1.2 瞄星系统组成及技术要求

瞄星系统由角度对准、角度测量、控制与数据处理分系统及声力电话四部分组成。其组成如图1所示。

图1 瞄星系统组成示意图

角度对准分系统由一套电子差分水平仪、两只方向对准标尺、一个专用三角架及经纬仪望远镜安装平台组成［9］。所选用的电子差分水平仪能够在系泊条件下使用，传感器的动态响应时间及精度满足武器系统测量要求，测量范围应选择两个档位并略大于舰艇摇摆横摇幅值，以满足不同吨位舰艇使用；方向对准标尺为专用的可侧立放置于甲板上的直尺，其必须配备有照明灯以满足夜间使用要求；三角架全部为钢质结构，重量不小于20kg，角架中部为可调节高低的装置，三个角架之间有固联机构，角架底部为马蹄型底脚，以满足设备摇摆状态下的架设与对准要求；经纬仪望远镜安装平台为电子差分水平仪传感器承载平台，该平台可以保证在陆地上经纬仪调平的情况下，电子差分水平仪传感器测量的角度值与经纬仪望远镜的高低角度值相同。

角度测量分系统由一台经纬仪、安装在经纬仪望远镜上的一号CCD 摄像机、安装在舰炮身管内的二号CCD 摄像机及其安装支架组成［10］。安装在经纬仪望远镜上的一号CCD 摄像机其视轴与经纬仪望远镜光轴平行且可随其同步转动，安装在舰炮身管内的二号CCD 摄像机其视轴与舰炮身管中心线平行，一号、二号摄像机的视场角略大于经纬仪望远镜的视场角。

控制与数据处理分系统由时统控制模块、多路视频信号处理模块及数据处理计算机组成。时统控制模块能够控制系统同时录取多路视频信号，多路视频信号处理模块能够完成多路视频图像录取及图像中星体偏差位置的提取，数据处理计算机完成武器系统高低、方向角度误差值的计算。

声力电话是瞄星系统内部的通讯设备，无需外部电源支持可以方便的在舰艇上使用。

3.2 新的瞄星方法

3.2.1 系泊条件下瞄星系统角度对准

工作开始前，首先在陆上对经纬仪进行归零准备，即在经纬仪调平的情况下，将高低补偿值置零。然后在甲板上进行瞄星系统角度对准工作，角度对准包含方向角度对准、高低角度对准两项内容。首先进行方向角度对准。如图2所示，O点为经纬仪架设点，A、B分别为舰艏艉线上的两个基准点，在A、B两个基准点上各安放一只对准标尺，并保证其方向与舰艏艉线方向垂直；操作经纬仪，使望远镜十字丝中心瞄准A点，锁定经纬仪方向旋钮，将望远镜反转并瞄准标尺二，此瞄准点定义为D点，同样的方法，在标尺1上确定出C点，由于AC、BD两线段长度已知，则O点到线段AB的垂直距离L的长度为L＝AC＊BD／（AC＋BD）；在标尺1、2上分别确定A′、B′点，使AA′＝BB′＝L，则直线A′B′与舰艏艉线平行，操作经纬仪使望远镜十字丝中心瞄准A′点，并将方向角度值置零，此时经纬仪方向角度零位与舰艏艉线对齐。其次进行高低角度对准。沿舰艏方向在舰基准平台、经纬仪望远镜平台上分别放置电子差分水平仪传感器，将经纬仪高低角读数置为90°（天顶为0°），调整经纬仪基座旋钮，使二个传感器读数差值为零；在方向上转动经纬仪90°，同时重新放置基准平台上的传感器，使其与经纬仪望远镜上的传感器测量方向一致，调整经纬仪基座旋钮，使两个传感器读数差值为零；重复进行上述操作，将高低角度对准。反复进行方向角度、高低角度对准，直至对准误差满足要求为止。

图2 方向角度对准示意图

3.2.2 系统对星体的瞄准与测量

1）在舰艇的左、右舷各选择一颗较明亮且方向、高低角度合适的两颗星，一颗作为主星，另一颗作为辅星；

2）操作经纬仪，使主星大致位于经纬仪望远镜视场的中心位置时停止操作经纬仪，同时在系统控制与数据处理分系统的显示器上观察一号CCD 摄像机图像；

3）在舰炮的身管内安放二号CCD 摄像机及其安装机座，手动控制舰炮从一侧在方向（或高低）上运动，二号CCD摄像机拍摄的图像在控制与数据处理分系统显示器上可见，待被瞄准的主星大致位于视场中心时，舰炮停止运动，为防止空回的影响，此时不可松开摇炮手轮杆；

4）利用舰艇的横摇、纵摇，待主星处于二号CCD摄像机图像的方向（或高低）十字中心线时，同时截取一号CCD、二号CCD摄像机的图像，并利用图像判读软件，测量出主星位置与一号CCD摄像机光轴在高低、方向上的角度偏差值。

5）读取经纬仪的方位角、高低角；读取舰炮架位反馈的方向、高低角度值；

6）重复上述过程，完成辅星位置与一号CCD 摄像机光轴在高低、方向上的角度偏差值测量及舰炮架位反馈的方向、高低角度值读取。

3.2.3 舰炮方向、高低角度误差的计算与校验。

1）方向、高低角度真值计算

建立经纬仪真值测量坐标系（简称真值坐标系）。原点为经纬仪望远镜回转中心，Y轴为舰艏艉线（指向舰艏为正），X轴垂直于Y轴，XY平面平行于舰基准平台，Z轴垂直于XY平面指向天顶，建立右手直角坐标系。建立一号CCD摄像机测偏坐标系（简称测偏坐标系），原点为CCD 摄像机光电耦合成像器件平面中心点，Y轴为摄像机视轴，X轴垂直于Y轴且平行于舰基准平台，Z轴垂直于XY平面指向天空，XYZ三轴构成右手直角坐标系。假设一空间平面，待瞄准的星体在此平面内，一号CCD摄像机的视轴与该平面垂直且交点为M。由于星体十分遥远，因此真值坐标系原点与测偏坐标系原点可以认为是同一个点，我们定义为O 点，则M 点在真值坐标系中的方位角及高低角即为经纬仪的方位角Am 及高低角Em，设OM距离为L；设星体在一号CCD摄像机视场中距十字中心点的方向、高低位置的像元素分别为Xs、Zs，可计算其所对应的角度值分别为ΔX、ΔZ，则星体在测偏坐标系中的坐标为

通过坐标转换公式，将星体在测偏坐标系中的坐标转换为真值坐标系中的坐标（X0、Y0、Z0）。

通过此三维坐标，我们可以得到星体在真值坐标系中的方位角和高低角。此角即为瞄星的方向及高低角度真值。

2）舰炮方向、高低角度测量值求取

由于利用了舰艇的摇摆特性，星体正好出现在二号CCD摄像机的方向（或高低）中心线上，因此舰炮方向、高低角度测量值即为舰炮架位反馈的方向、高低角度值，我们定义其为AP、EP。

3）舰炮方向、高低角度误差计算

舰炮方向、高低角度测量值与方向、高低角度真值之差，即为舰炮的角度误差值。舰炮的方向、高低角度误差为

4）舰炮方向、高低角度误差校验

以辅星为目标，用相同的方法进行上述操作过程并计算，求取舰炮方向、高低角度误差，并将其与主星的数据进行比较，如果二者数据相差较小，满足测量要求，此次瞄星数据有效，否则数据无效，应尽快查找问题，重新组织瞄星。

4 结语

舰炮武器系统瞄星试验是一项重要的基础性试验，试验的质量直接关系到后续海上动态精度试验、射击精度试验的成败。针对传统瞄星方法所面临的各种问题，利用瞄星的基本原理，创造性地设计出新的瞄星方法，研制新的瞄星设备，解决所面临的问题，在系泊条件下完成舰炮武器系统角度零位一致性检查，是十分必要的。新的试验方法及后续研制的设备可完全取代传统的瞄星试验方法及设备，它的应用范围更广、对环境条件的依赖性更低、设备的操作使用更简单便捷。新方法及设备在工程中的使用，将大大加快瞄星试验的进度，具有明显的军事和经济效益。

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