自行火炮身管指向测量技术

陈 扬

(中国人民解放军陆军军官学院，合肥 230030)

当前武器装备信息化、自动化程度越来越高，自行火炮对于实现精确打击、提高首发命中率的要求也紧随而至，由于传统的手工调炮操作，其赋予射角和射向的测量设备(象限仪、周视镜等)加工精度受限以及存在人工装定误差不受控制的特点，导致高精度打击不能够实现。于是，火控计算机、角度传感器、伺服系统等组件组成的火控系统越来越多地被运用到武器装备上，使之具有了自动调炮等数字化的操作功能，更是对火控系统精度有着很大的提高［1］。火控系统精度包括火控系统解算得到的射击诸元输出精度、火炮身管指向精度和随动系统的相应精度，而火炮身管指向精度的测量则是整个系统精度测量的关键点和难点。传统的身管指向测量是依靠角度传感器实现的，通过对随动控制系统中传动装置的测量得到结果，测量对象并非火炮身管本身，因此没有形成对火控系统各环节的闭环测量［2］。目前试验基地靶场采用的是基于高精度经伟仪的身管指向测量系统，虽然其静态测试精度达到了0.2 mil，但是由于操作非常复杂，降低了火控系统精度测试的效率［3］。

1 涉及的相关概念和定义

1)火控系统

火控系统即控制武器自动或半自动地实施瞄准与发射的装备的总称。

其中当火控系统配备到非制导武器上时，对其瞄准和发射的准确性与快速性有明显的提高，并使其对战场恶劣环境的适应性有很好的增强作用，从而更好地发挥武器的毁伤作用。当火控系统配备至制导武器上时，因为在发射前作了较为准确的瞄准，使其制导系统的工作条件得到了改善，提高导弹对机动目标的反应，减少制导系统的失误率［4-5］。

2)闭环系统

闭环控制系统即为输出端直接或间接地将信息反馈到输入端的过程中形成闭环参与控制的系统，也叫反馈控制系统。闭环控制的实现，要求必须测量输出量，并将测量结果反馈至输入端和输入端量进行相减得到偏差，再通过偏差关联的直接控制作用消除偏差。整个系统形成一个闭环。

3)调炮精度

与火炮精度直接相关的技术指标通常有4 个，分别是最大射程地面密集度、寻北精度、惯导漂移精度、调炮精度。可见决定火炮身管空间绝对指向的指标有3 个: 寻北精度、惯导漂移精度、调炮精度。在这样的指标体系中，调炮精度反映的是火炮在短时间调炮时，射角和相对方位角的准确程度，调炮精度检测中测量的对象是火炮射角和相对方位角［6］。

4)身管指向测量

火炮身管指向测量即测量火炮身管所处的高低角及方位角，为人工调炮和自动操瞄调炮精度的测量提供必要的参数。身管指向测量分为静态测量和动态测量。静态测量是指火炮在任意固定位置的身管指向的测量;动态测量是指在火炮运动过程中，对其身管指向的连续动态测量。

2 自行火炮身管指向测量技术研究的国内外现状

2.1 国内外研究现状概述

国外在20 世纪70年代至80年代当时主要采用安装瞄准镜的方式对身管指向进行测量。而国内在这一领域的起步较晚，但20 世纪90年代初期江苏自动化所的杨育华等研制成功了零飞试验仪［7］，填补了国内空白，达到了当时的国际先进水平。

2012年段长林等应用传感器技术研制的炮兵用零位零线检测仪，实现了野战环境下的火炮零位零线检测［8］。该方法操作简单，适用于静态下的身管指向测量，但其精度有限，而且角度传感器安装较为复杂，无法满足火控系统动态精度测试的要求。

2005年中国兵器工业第202 研究所的王静等提出了使用测量型GPS 测量身管指向的方法，当炮口炮尾两天线距离超过8 m 时，动态测量精度可小于0.6mil［9］。但GPS 数据更新率低，不能用于动态测量。

2011年严德斌等研究了基于激光陀螺捷联惯导技术的火炮身管指向测量技术，设计了由3 个垂直安装的激光陀螺和3 个加速度计(2 个相互垂直)为主体的测量系统。如果采用精度为0.003/hr 的陀螺仪，分辨率和精度都能满足测量要求［10］，该系统的缺点是安装调试较为复杂。王春燕等设计了一个多光轴光学系统用于在火控系统动态精度测试过程中测试身管指向角［11-13］。该方法测量精度高，但是操作复杂，对测量环境要求也比较苛刻，3 种测试设备本身的光轴一致性就很难保证，而且难以克服火控系统动态测试过程中火炮振动和噪声等的影响。何一陆等提出了固定目标式箭炮调精度测试方法［14］，该方法研究了在没有专业测量设备的情况下利用瞄准镜测量身管指向的操作过程，但也不能用于动态性能测量。

目前比较流行的身管指向测量大都是基于高精度经纬仪的，2001年北京兵器工业系统工业研究所的陶化成等设计出了压制兵器身管指向测量系统［15］，该产品静态测量精度可达0.2 mil，缺点是不能用于动态测量。此后多人对该方法进行了完善［16-17］，2004年长春理工大学的王春燕等设计了激光光电经纬仪炮管静态定向角测量系统［18］，曾刊等在双经纬仪身管测量系统［19］的基础上引入了具有测距功能的全站仪［20-21］，董起顺等研究了经纬仪布站对测量精度的影响，给出了最优布站的基本方法［22］，孙泽林等分析了经伟仪测量系统的误差及其抑制方法［23］。

除上述几种方法以外，CCD 在身管指向测量中的应用也十分广泛。其中一类是点光源加CCD 或位敏传感器，该方法只适合角度变化较小的场合，2004年哈尔滨工业大学的赫赤等对该类方法做了相关总结［24］;另一类则是CCD 加靶标，2009年军械工程学院全厚德等研究了基于双目交会原理的身管指向测量方法［25］，但是该方法测量结果不是很理想，高低角平均测量误差为1.133 3°，方位角平均测量误差为0.7553°［26］。2010年宋庆华等在火炮身管安装一圆形标牌，通过检测身管运动过程中标牌在成像中的变化测量身管和摄像机光轴在同一水平面内的夹角［27］。2012年军械工程学院段修生、朱耀轩等研究了计算机视觉技术在火炮身管测量上的应用，提出了基于单目视觉的火炮身管指向测量方案，并着重研究了静态测量方法，但对标志物安装误差消除、动态测量方法及其实现等方面尚待继续研究。

2.2 小结

以上这些测量方法有的测量精度低，比如角度传感器;有的方法测量范围小，比如点光源加CCD 或位敏传感器;有的对炮管长度有要求，比如GPS 方法;有的不适用于动态测量，比如GPS 方法和基于经纬仪的方法;有的安装调试复杂，对环境要求苛刻，比如基于陀螺仪的方法和基于精密光学系统的方法。这些方法都不适用于高动态、大范围运动情况下的自行火炮火控系统动态精度测试，因此当前需要继续研制一种测量精度能满足要求、同时安装调试方便的身管指向测量系统。

3 相关自行火炮身管指向测量系统介绍

自行火炮的调炮精度检测(尤其是火炮身管指向测量方面)的问题，人们从不同实现方式、不同技术手段先后提出了多种自行高炮身管指向测量系统的设计方案。这里分别介绍GPS 测向系统、基于激光陀螺捷联惯导技术的火炮身管指向测量系统、双经纬仪调炮精度检测系统及火炮身管指向的视觉测量方法等4 种技术上具有代表性的身管指向测量系统和方法。

3.1 GPS 炮身指向测量系统

GPS 测向系统的工作原理为通过载波相位测量法对移动站和基准站的坐标差的三维矢量L(α，β，d)进行实时测量。测量型GPS 的载波相位输出具有高速率的特点，先利用计算机将的长度求解出来，并作为常量，然后实时测出两天线安装点的相对位置之差，从而和即可求解出来，图1 即为GPS 测向系统的组成框图。

图1 GPS 测向系统组成框图

图1中，L 的方向为基准站指向移动站，d 是L 的长度，α是L 的空间方位角，真北为0，顺时针为正，β 是L 的俯仰角，向上为正。

车体定向只是L 的空间方位角测量，当在炮口安装移动站天线，在炮尾安装基准站天线，该火炮身管的空间指向即为所测量出的α 和β。当身管长度大于8 m 或更长时，可以有很好的测量精度(静态观测20 s 的测量精度小于0.1 mil;动态测量精度可达0.6 mil 的精度)，这有助于调炮校炮操作，同时可通过检测传动链的空回和动态形变，进行改进设计，可提高火炮的射击精度。

3.2 基于激光陀螺捷联惯导技术的火炮身管指向系统

3.2.1 系统组成

基于激光陀螺捷联惯导技术的火炮身管指向系统可分为姿态测量部分和计算机部分，图2 即为该系统的结构示意图，姿态测量部分利用夹具将其安装在身管上，其作用是用来高精度测量身管的姿态，并对身管的方位角进行实时测量。计算机部分主要是处理、显示和存储姿态测量部分所测得的数据。利用RS485/RS422S 接口将姿态测量部分和计算机之间进行连接。

图2 火炮身管高精度测量系统结构示意图

其中数据采集、控制与计算电路采用FPGA(大规模可编程逻辑门阵列)和DSP(高速浮点数字信号处理器)的数据采集与处理的一体化设计技术。该指向系统解算模型包括系统自动标定、陀螺温度漂移补偿模型、载体晃动武昌补偿模型、角度与瞬时角速度计算模型等。系统软件包括数据采集模块、自检模块、标定模块、转位控制模块、角度计算模块、角速度计算模块、晃动和温度漂移误差补偿模块、通讯模块等8个部分。

3.2.2 工作原理

激光陀螺也称速率陀螺，其输入角速度与光频差成正比，但由于频率测量一般都需要将频率对时间进行积分才能实现，即必须要定时计数，对应的直接测量输出的结果是角速度，从而，激光陀螺也是一种角位置陀螺，输出结果为一定时间间隔内的角度。

该测量系主要是由相互垂直安装的两个加速度计和相互垂直安装的3 个激光陀螺组成。激光陀螺的作用是测量在3 个方向上载体的指向变化，加速度计则是为了测量初始静止状态下载体在水平方向的重力加速度，求得作为测量的基准的载体初始水平姿态。在静止状态下，通过测量可得到水平方向上的角度，利用当时的地理纬度值和静止状态下陀螺测量得到的地球自转分量值通过数学解算可得到指向。

3.3 双经纬仪调炮精度检测系统

3.3.1 系统组成及工作原理

双经纬仪调炮精度检测系统基础平台架构由笔记本电脑(或台式机)，调炮精度检测软件、串口数据线以及2 台高精度数字式经纬仪(或全站仪)等组成。

该系统的工作原理为:数字式经纬仪将检测到的身管位置角度数据，通过串口数据线发送到笔记本电脑(安装有调炮精度检测软件)，调炮精度检测软件根据双经纬仪测得的身管轴线炮口测点和炮尾测点的4 个高低角、4 个方位角数据进行解算，求得双经纬仪中心连线与身管轴线的方向角和大地水平面与身管轴线的高低角，再和输入的装订诸元进行比较得到调炮误差，选取好样本量统计后对调炮精度是否合格判定。

3.3.2 数学模型的建立

调炮精度检测模型示意图如图3 所示。

图3 调炮精度检测模型示意图

点K 为火炮身管炮口测点，点W 为炮尾测点，线段WK为火炮身管轴线，点Q 为炮口经纬仪回转中心，点V 为炮尾经纬仪回转中心，线段VQ 为双经纬仪回转中心点连线，假设双经纬仪架设在同一水平面上，则线段VQ 位于水平面上，点W，K 在线段VQ 所在水平面上的投影点分别为点W1，K1，以点W1，K1分别向VQ 作垂线交于W2，K2点，以点W 向KK2作垂线交于A 点，以点W1向K1K2作垂线交于B 点。

炮口和炮尾两经纬仪在测试前先调平和对瞄归零，然后分别瞄准火炮身管炮口和炮尾侧点，可测出4 个方位角和4个高低角数据。即已知条件为方位角: ∠QVW1、∠QVK1、∠VQK1、∠VQW1，高低角: ∠WVW1、∠KVK1、∠KQK1、∠WQW1; 需推导计算的角度为方位角∠BW1K1和高低角∠KWA。

3.4 火炮身管指向的视觉测量方法

视觉测量就是将计算机视觉应用于空间几何尺寸的精确测量，是一种全新的非接触测量方式。

3.4.1 系统组成及工作原理

系统主要由一棋盘靶、便携式PC、激光测距机及工业相机组成。实验系统如图4 所示。

工作原理即在火炮身管上固定一个棋盘状平面模板作为测量标志物。首先，将Harris 算法提取到的棋盘板上的角点坐标进行相机成像模型的解算(即相机标定)，结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法得到相机的内参，然后，提取带测位置图像的角点，运用最小二乘拟合算法解出该位置的外参矩阵。最后，根据身管的运动模型以及标志物与之的相对位置关系，推导高低角、方位角与外参矩阵满足的约束方程，进而解出这两个角度。

图4 实验系统

3.4.2 基于棋盘状标志物的身管指向测量实现方法

在内参求出后，在进行正式测量之前，先对火炮身管进行校零，采集零位置图像，计算出零位置旋转矩阵R0。然后将火炮身管调转至带测位置n(n=1，2，3，4，…)采集对应图像并计算出与之对应的旋转矩阵Rn，则可以得到标志物从零位置到位置的旋转矩阵为

其中:

根据身管的运动模型以及标志物与之的相对位置。推导α、β 与Tn约束方程，进而解算这两个角度。

3.5 小结

以上4 个系统的优缺点比较如表1 所示。

4 结束语

身管指向精度是炮控调炮精度测量中最为关键的一环，易操作、高精度的精度测量系统，对在信息化条件下提高炮兵精确打击和快速反应能力有极大的帮助。在炮控调炮精度检测中，针对目前身管指向测量方法不能同时满足测量精度、测量范围、可操作性、动态测量等要求的现状，随着新的测试理论及测试技术的研究实现、计算机科学的深入应用和软硬件技术的更新升级，必定能够找到合适的测量方案。

表1 优缺点比较

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