系泊條件下瞄星試驗存在的問題及對策研究＊

徐立群 趙 巖 馮元偉

（解放軍92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

艦炮武器系統角度零位一致性檢查是系統試驗、使用過程中一項重要的基礎性工作，是艦炮武器系統精確探測、跟蹤目標，進行精確火控解算，準確打擊目標的前提和基礎。艦炮武器系統中艦炮、炮瞄雷達、光電跟蹤儀等設備角度的安裝、檢測都是以艦艇基準平面和艦艏艉線為基準進行的。安裝時首先對參試設備的高低、方向機械零位進行調整使其與艦艇的基準平面［1］和艦艏艉線保持一致，然后調整各參試設備的電器零位并充分運用各種輔助儀器設備使其與艦艇的基準平面和艦艏艉線保持一致，最終使參試設備的機械零位、電器零位與艦艇的基準高低、方向角度零位保持一致，使電氣傳輸的信息能夠準確表達實際的物理值，以滿足系統的使用要求［2］。在系泊條件下，系統角度零位一致性檢查主要采用瞄星法，其原理是以艦艇不穩定坐標系［3］為基準，在某一瞬時時刻，真值設備與被測量設備同時瞄準北極星，同時記錄二者所測量的角度值，從而求得各被測設備在高低、方向上的角度誤差。瞄星法一般采用經緯儀作為角度測量的真值設備，經緯儀的水平基準與艦基準平臺保持一致，方向基準與艦艏艉線保持一致，被檢設備的光學設備與經緯儀同時瞄準天上的某一星體［4］，之所以選擇星體作為瞄準目標，是由于星體十分遙遠，同時瞄準它的多個設備的光軸可以認為是完全平行的，角度零位檢查時無需考慮各設備在艦艇坐標系中的相對位置及其基線修正等因素，使檢測工作變得相對簡單。通過幾十年來武器系統瞄星試驗情況來看，試驗的總體思路是正確的，試驗對檢驗武器系統角度零位精度起到了較好的作用，但同時也應該看到，隨著新型艦炮武器系統的飛速發展，系統的承載平臺越來越多樣化，系統的使用環境越來越復雜，試驗的周期越來越短，難度越來越大，試驗中暴露出的問題也越來越明顯。主要表現在試驗進程受制于氣象條件、試驗測量數據的精度受人為因素影響較大、試驗的數據無法自動記錄與復現、測量數據的正確性無法驗證等方面。這些問題的存在已經嚴重制約了艦炮武器系統試驗的進程，給系統后續動態精度及射擊精度試驗增加了更多難度，影響了武器系統真實性能全面考核。在艦艇系泊條件下，如何根據具體環境條件，充分利用現有的成熟技術，創造性地運用瞄星原理，完成試驗任務，是我們急需解決的問題［5］。

2 傳統的瞄星方法及存在的問題

2.1 傳統的瞄星方法

系泊條件下瞄星試驗需進行以下幾個步驟。1）試驗前選擇測量的真值設備。一般情況下選用大地經緯儀做為真值設備，考慮到試驗是在系泊條件下進行的，承載真值設備的船體始終處于搖擺狀態，它的基準平面是隨時變化的，因此所使用的經緯儀應為高低手動補償式大地經緯儀（或雖具有自動補償功能，但使用時將高低自動補償功能關掉）。2）經緯儀的陸上準備。在碼頭上將經緯儀架設好，調整經緯儀基座旋鈕，使經緯儀的長水準氣泡居中，然后調整高低補償旋鈕，使高低角補償水準氣泡居中，此時經緯儀在高低角度上的補償值為零，經緯儀在陸上的準備工作完成。3）經緯儀在甲板上的調平與對準。在甲板上經緯儀的水平測量平面以艦基準平臺為基準，方向以艦艏艉線為基準，指向艦艏方向為正。在甲板上選擇兩個理想的艦艏艉線基準點，將三角架布設于二基準點的中間位置，三角架的安裝平面中心點在甲板上的垂直投影點盡可能置于艦艏艉線上，將經緯儀置于其上；使用經緯儀的望遠鏡，分別瞄準兩個基準點，并移動經緯儀，使經緯儀在二基準點連線上，實現經緯儀的方向對準；在艦基準平臺上放置一臺象限儀，操作象限儀、調整經緯儀高低補償旋鈕及經緯儀的基座旋鈕，使經緯儀的水平測量平面與艦基準平臺水平，實現經緯儀的調平；反復進行調平、對準操作，直至調平角度誤差、對準角度誤差滿足要求為止；操作經緯儀使其望遠鏡瞄準艦艏方向，將經緯儀方位角讀數置為零，高低角度補償為零，至此，經緯儀在甲板上的調平與對準工作完成。4）進入瞄星試驗的具體實施階段。光電跟蹤儀采用自動跟蹤方式跟蹤北極星；利用艦炮配備的冷射管或其它光學裝置、炮瞄雷達的光學望遠鏡，手動控制艦炮、炮瞄雷達、經緯儀在方向（或高低）上從一側進入，瞄準北極星。各設備同時瞄準好目標的同時，讀取光電跟蹤儀、艦炮、炮瞄雷達的方向（或高低）角度測量值及經緯儀在方向（或高低）的角度真值，從而計算各被測設備方向、高低的角度誤差［6～8］。

2.2 瞄星試驗存在的問題

傳統的瞄星方法經過多年的驗證表明，其原理正確，在一定程度上可以完成系統零位一致性檢查任務，但同時也應看到，傳統的方法也存在很多問題。1）瞄準星體的單一性問題。瞄星選擇的星體一般為北極星，較少選擇其它星體，之所以選擇北極星，主要考慮星體的亮度合適且其周圍一定范圍內沒有其它較亮的星體便于識別，在空間移動的速度較慢且位置相對固定便于跟蹤，星體的高低角度既滿足參試設備檢測的要求又滿足經緯儀的操作要求。但標校時如果出現空中有云且遮擋住北極星、有些城市上空的光污染使北極星無法分辯、艦艇停靠碼頭不同位置使艦艇的上層建筑遮擋北極星等情況，檢查將無法進行，直接影響試驗進度。2）瞄星條件的苛刻問題。瞄星必須選擇無風無涌浪、艦艇的搖擺幅度不大的條件進行，如果風力較大，艦艇的甲板會向一側傾斜，一旦傾斜角度超出經緯儀高低角補償范圍，經緯儀測量平面將無法與艦基準平面調平；如果涌浪較大，艦艇搖擺過于頻繁，手動操作象限儀及經緯儀進行水平調節并進行同步將無法實現，檢查無法正常進行；既使有時風力及涌浪不大，但有些艦艇由于排水量較小，艇艇搖擺的幅度仍較大且搖擺頻率較高，檢查亦無法正常進行。3）檢查精度受人為因素影響較大的問題，標校時需手動調節經緯儀測量平面與基準平面水平，人工搖動艦炮身管使其軸線瞄準北極星，手動操作經緯儀跟蹤北極星，這些手動的調平與跟蹤動作都是在艦艇搖擺狀態下完成的，若要求各環節完全協調一致是十分困難的，整個檢查過程對操作手的要求很高，人為因素較大，測量精度難以保證。四是靶場提供的測量數據真值其獲取過程無法自動記錄，其準確性無法驗證。目前操作象限儀與經緯儀都是在艦艇搖擺情況下人工操作完成的，讀取的數據是在某一瞬時時刻艦艇搖擺到一個隨機角度時的數據，目前只能人工報讀并記錄，而不能將這一過程及測量數據以數據、圖像、錄像的形式自動記錄，一旦數據出現問題，只能重新復測，而無法對這些數據進行分析以查找真值測量過程所存在的問題，這與試驗質量管理規范所規定的試驗過程的全程監控與問題追溯的要求是不相符合的。上述問題已成為困擾靶場多年的問題，成為瞄星試驗的瓶頸。

3 解決瞄星試驗問題的對策

系泊條件下瞄星試驗的組織實施是很困難的，受制約的條件很多，但苦于沒有更好的辦法，幾十年來，一直使用傳統的瞄星方法及設備，徹底改變這種被動現狀的要求十分迫切，業內的相關人員也為此做了大量的工作。近年來，隨著新技術特別是動態姿態角測量技術的飛速發展，瞄星試驗的窘境出現了轉機，研究新試驗方法、研制新真值設備也提到議事議程，經過幾年的論證，新試驗方法的思路已經形成，研制新的真值設備即瞄星系統的基本條件已經成熟。采用傳統的瞄星原理，利用成熟的光學技術、姿態角度測量技術、圖像錄取與處理技術、時統同步技術，完全可以研制出新的瞄星系統，并以此為支撐實現新試驗方法在工程實踐中的應用，以解決困撓靶場多年的瓶頸問題。由于艦炮武器系統中光電跟蹤儀具備自動跟蹤星體的功能、多數炮瞄雷達也具有輔助的光學設備，且二者的瞄星方法與艦炮相同，所以本文只以艦炮為例，從瞄星系統及新的試驗方法兩個方面進行闡述。

3.1 瞄星系統

3.1.1 瞄星系統主要功能

瞄星系統為艦炮武器系統角度零位一致性檢查的專用測量設備，其主要在系泊條件下使用，亦可在陸上條件使用，其瞄星精度在系泊條件下高于傳統方法，在陸上使用時與傳統瞄星方法的精度相當；系統瞄準的目標不局限于北極星，易于分辯但運動速度較快的星體也可做為瞄準目標；瞄星試驗的條件大大放寬，只要天空有肉眼可見的星體、瞄星系統可以在甲板上架設，系統均可進行瞄星作業，而無需考慮風力大小、涌浪大小及小噸位艦艇搖擺頻繁等因素；在高低角度調平過程中應用新的角度姿態測量儀器、在方位角對準過程中采用新的對準方法，從而使系統在系泊條件下的架設更加便捷；系統具有自動記錄星體畫面圖像、星體坐標自動判讀、艦炮武器系統角度零位誤差計算、系統測量數據正確性驗證等功能。

3.1.2 瞄星系統組成及技術要求

瞄星系統由角度對準、角度測量、控制與數據處理分系統及聲力電話四部分組成。其組成如圖1所示。

圖1 瞄星系統組成示意圖

角度對準分系統由一套電子差分水平儀、兩只方向對準標尺、一個專用三角架及經緯儀望遠鏡安裝平臺組成［9］。所選用的電子差分水平儀能夠在系泊條件下使用，傳感器的動態響應時間及精度滿足武器系統測量要求，測量范圍應選擇兩個檔位并略大于艦艇搖擺橫搖幅值，以滿足不同噸位艦艇使用；方向對準標尺為專用的可側立放置于甲板上的直尺，其必須配備有照明燈以滿足夜間使用要求；三角架全部為鋼質結構，重量不小于20kg，角架中部為可調節高低的裝置，三個角架之間有固聯機構，角架底部為馬蹄型底腳，以滿足設備搖擺狀態下的架設與對準要求；經緯儀望遠鏡安裝平臺為電子差分水平儀傳感器承載平臺，該平臺可以保證在陸地上經緯儀調平的情況下，電子差分水平儀傳感器測量的角度值與經緯儀望遠鏡的高低角度值相同。

角度測量分系統由一臺經緯儀、安裝在經緯儀望遠鏡上的一號CCD 攝像機、安裝在艦炮身管內的二號CCD 攝像機及其安裝支架組成［10］。安裝在經緯儀望遠鏡上的一號CCD 攝像機其視軸與經緯儀望遠鏡光軸平行且可隨其同步轉動，安裝在艦炮身管內的二號CCD 攝像機其視軸與艦炮身管中心線平行，一號、二號攝像機的視場角略大于經緯儀望遠鏡的視場角。

控制與數據處理分系統由時統控制模塊、多路視頻信號處理模塊及數據處理計算機組成。時統控制模塊能夠控制系統同時錄取多路視頻信號，多路視頻信號處理模塊能夠完成多路視頻圖像錄取及圖像中星體偏差位置的提取，數據處理計算機完成武器系統高低、方向角度誤差值的計算。

聲力電話是瞄星系統內部的通訊設備，無需外部電源支持可以方便的在艦艇上使用。

3.2 新的瞄星方法

3.2.1 系泊條件下瞄星系統角度對準

工作開始前，首先在陸上對經緯儀進行歸零準備，即在經緯儀調平的情況下，將高低補償值置零。然后在甲板上進行瞄星系統角度對準工作，角度對準包含方向角度對準、高低角度對準兩項內容。首先進行方向角度對準。如圖2所示，O點為經緯儀架設點，A、B分別為艦艏艉線上的兩個基準點，在A、B兩個基準點上各安放一只對準標尺，并保證其方向與艦艏艉線方向垂直；操作經緯儀，使望遠鏡十字絲中心瞄準A點，鎖定經緯儀方向旋鈕，將望遠鏡反轉并瞄準標尺二，此瞄準點定義為D點，同樣的方法，在標尺1上確定出C點，由于AC、BD兩線段長度已知，則O點到線段AB的垂直距離L的長度為L＝AC＊BD／（AC＋BD）；在標尺1、2上分別確定A′、B′點，使AA′＝BB′＝L，則直線A′B′與艦艏艉線平行，操作經緯儀使望遠鏡十字絲中心瞄準A′點，并將方向角度值置零，此時經緯儀方向角度零位與艦艏艉線對齊。其次進行高低角度對準。沿艦艏方向在艦基準平臺、經緯儀望遠鏡平臺上分別放置電子差分水平儀傳感器，將經緯儀高低角讀數置為90°（天頂為0°），調整經緯儀基座旋鈕，使二個傳感器讀數差值為零；在方向上轉動經緯儀90°，同時重新放置基準平臺上的傳感器，使其與經緯儀望遠鏡上的傳感器測量方向一致，調整經緯儀基座旋鈕，使兩個傳感器讀數差值為零；重復進行上述操作，將高低角度對準。反復進行方向角度、高低角度對準，直至對準誤差滿足要求為止。

圖2 方向角度對準示意圖

3.2.2 系統對星體的瞄準與測量

1）在艦艇的左、右舷各選擇一顆較明亮且方向、高低角度合適的兩顆星，一顆作為主星，另一顆作為輔星；

2）操作經緯儀，使主星大致位于經緯儀望遠鏡視場的中心位置時停止操作經緯儀，同時在系統控制與數據處理分系統的顯示器上觀察一號CCD 攝像機圖像；

3）在艦炮的身管內安放二號CCD 攝像機及其安裝機座，手動控制艦炮從一側在方向（或高低）上運動，二號CCD攝像機拍攝的圖像在控制與數據處理分系統顯示器上可見，待被瞄準的主星大致位于視場中心時，艦炮停止運動，為防止空回的影響，此時不可松開搖炮手輪桿；

4）利用艦艇的橫搖、縱搖，待主星處于二號CCD攝像機圖像的方向（或高低）十字中心線時，同時截取一號CCD、二號CCD攝像機的圖像，并利用圖像判讀軟件，測量出主星位置與一號CCD攝像機光軸在高低、方向上的角度偏差值。

5）讀取經緯儀的方位角、高低角；讀取艦炮架位反饋的方向、高低角度值；

6）重復上述過程，完成輔星位置與一號CCD 攝像機光軸在高低、方向上的角度偏差值測量及艦炮架位反饋的方向、高低角度值讀取。

3.2.3 艦炮方向、高低角度誤差的計算與校驗。

1）方向、高低角度真值計算

建立經緯儀真值測量坐標系（簡稱真值坐標系）。原點為經緯儀望遠鏡回轉中心，Y軸為艦艏艉線（指向艦艏為正），X軸垂直于Y軸，XY平面平行于艦基準平臺，Z軸垂直于XY平面指向天頂，建立右手直角坐標系。建立一號CCD攝像機測偏坐標系（簡稱測偏坐標系），原點為CCD 攝像機光電耦合成像器件平面中心點，Y軸為攝像機視軸，X軸垂直于Y軸且平行于艦基準平臺，Z軸垂直于XY平面指向天空，XYZ三軸構成右手直角坐標系。假設一空間平面，待瞄準的星體在此平面內，一號CCD攝像機的視軸與該平面垂直且交點為M。由于星體十分遙遠，因此真值坐標系原點與測偏坐標系原點可以認為是同一個點，我們定義為O 點，則M 點在真值坐標系中的方位角及高低角即為經緯儀的方位角Am 及高低角Em，設OM距離為L；設星體在一號CCD攝像機視場中距十字中心點的方向、高低位置的像元素分別為Xs、Zs，可計算其所對應的角度值分別為ΔX、ΔZ，則星體在測偏坐標系中的坐標為

通過坐標轉換公式，將星體在測偏坐標系中的坐標轉換為真值坐標系中的坐標（X0、Y0、Z0）。

通過此三維坐標，我們可以得到星體在真值坐標系中的方位角和高低角。此角即為瞄星的方向及高低角度真值。

2）艦炮方向、高低角度測量值求取

由于利用了艦艇的搖擺特性，星體正好出現在二號CCD攝像機的方向（或高低）中心線上，因此艦炮方向、高低角度測量值即為艦炮架位反饋的方向、高低角度值，我們定義其為AP、EP。

3）艦炮方向、高低角度誤差計算

艦炮方向、高低角度測量值與方向、高低角度真值之差，即為艦炮的角度誤差值。艦炮的方向、高低角度誤差為

4）艦炮方向、高低角度誤差校驗

以輔星為目標，用相同的方法進行上述操作過程并計算，求取艦炮方向、高低角度誤差，并將其與主星的數據進行比較，如果二者數據相差較小，滿足測量要求，此次瞄星數據有效，否則數據無效，應盡快查找問題，重新組織瞄星。

4 結語

艦炮武器系統瞄星試驗是一項重要的基礎性試驗，試驗的質量直接關系到后續海上動態精度試驗、射擊精度試驗的成敗。針對傳統瞄星方法所面臨的各種問題，利用瞄星的基本原理，創造性地設計出新的瞄星方法，研制新的瞄星設備，解決所面臨的問題，在系泊條件下完成艦炮武器系統角度零位一致性檢查，是十分必要的。新的試驗方法及后續研制的設備可完全取代傳統的瞄星試驗方法及設備，它的應用范圍更廣、對環境條件的依賴性更低、設備的操作使用更簡單便捷。新方法及設備在工程中的使用，將大大加快瞄星試驗的進度，具有明顯的軍事和經濟效益。

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