火箭炮調炮精度智能檢測系統的設計與實現

孟 波，王圣旭，游 藩，夏 平，喻 俊

(中國人民解放軍63981部隊， 武漢 430311)

瞄準精度是火箭炮的一項重要戰術技術指標，瞄準精度的高低直接影響到火箭炮落炸點的精度，是火箭炮關鍵技術指標之一。其瞄準精度與指揮控制系統、隨動系統和定位定向裝置有關[1-2]，最終反映在火箭炮的射角、射向的準確性上。因此有必要對火箭炮調炮精度檢測進行深入研究。

依靠火箭炮配備的周視瞄準鏡，可以測量其調炮后的方位角和高低角，但由于該裝置本身誤差較大，加之炮管彈性變位和炮身偏移量并不反映到瞄準裝置上，該方法檢測精度不高。難以滿足火箭炮自動調炮高精度檢測的要求。現有保障車組所配備的瞄準檢測系統，由于設計定型時間較早，限于當時的技術條件，檢測效率和精度上都不夠高，因此有必要對火箭炮調炮精度檢測進行深入研究，設計一款高精度和高效率的檢測設備。

1 總體設計方案

所謂火箭炮調炮精度，是指通過某種測量方式，將測量計算得到的調炮角度與在火控系統中裝定的調炮角度進行比較，所得差值就是調炮精度。

火箭炮調炮精度主要分為兩部分：一部分是取決于火箭炮系統實際調炮到位值與輸入的指令值之間的誤差；另一部分是取決于尋北的重復性精度。此外，起落架懸臂梁式支撐在不同負載、不同射角條件下會產生彈性變位，從而引起射角變化；且火箭炮在高低調炮過程中，在方位上也會產生偏移，這種偏移也可造成射向誤差。

遠程火箭炮調炮精度智能檢測系統基礎平臺架構由2臺高精度DJD2數字式經緯儀、搭載調炮精度檢測軟件的便攜式計算機、串口數據線、2副木質三角架、炮尾瞄準器、標桿組件(底座、中管、頂管、瞄準板、頂尖等)等組成，所采用的經緯儀水平、垂直角度顯示讀數分辨率可達1″、測角精度可達2″。

2 數學模型分析及算法實現

2.1 數學模型分析

圖1 調炮精度檢測數學模型

根據正弦定理可得

(1)

式中：L為兩臺經緯儀之間的水平距離(以下同)。

根據余弦定理可得：

(2)

又由余弦定理可得：

(3)

(4)

同理可得出以O1經緯儀為主站，O2經緯儀為輔站的高低角和方位角：

(5)

其中：ψ為ψ1、ψ2的平均值；θ為θ1和θ2的平均值。將其稱之為第一數學模型[4]。根據系統功能，所述的計算機還設有零線檢測平臺、管間平行度檢測平臺、射角不一致檢測平臺，其存儲器還存在有第二數學模型：

在第二數學模型中,θ基和ψ基分別為火箭炮基準管在零位時的高低角和方向角；θ瞄和ψ瞄分別為火箭炮瞄具與第二靶標連線高低角和方向角測量值；θ和ψ為火箭炮零位時各炮管軸線高低角和方向角的測量值； Δ零線和Δψ零線分別為瞄具零線的高低與方向偏差； Δ管平行和 Δψ管平行分別為各炮管軸線相對于基準管軸線在高低和方向的平行度[5]。

為了實現自動調炮精度檢測平臺、自動尋北精度檢測平臺的功能，設計了第三數學模型和第四數學模型：

2.2 算法的設計與實現

1) 調炮精度檢測算法

遠程火箭炮調炮精度智能檢測系統檢測算法的實現是本課題的關鍵，檢測算法包括零位檢測、零線檢測、管間平行度檢測、瞄準裝置射角不一致檢測、瞄準裝置瞄準線錯位檢測、尋北精度檢測、自動調炮射角、射向調炮誤差檢測等[6]，按照各個檢測環節的定義，利用建模分析中的公式推導，進行計算，最終得出測量值。以調炮精度檢測為例：使用兩臺經緯儀瞄準定向器上的兩個標記點，得到該射角測量值與火控計算機給出的裝定目標值作差，即為一次測量結果，重復上述操作7次，保存測量結果，軟件系統根據第三、第四數學模型計算出均方差，即為調炮精度。

2) 瞄準點自動識別算法

調炮精度智能檢測系統包含瞄準零位檢測、瞄準零線檢測、瞄準線錯位檢測、射角不一致檢測、定向管標記點誤差檢測、尋北精度檢測、調炮精度測量等7個檢測項目，每個檢測項目都需要利用經緯儀對各標記點進行四次測量，現有調炮精度檢測系統，是在人員指導下，嚴格按照操作步驟對各標示點進行對瞄測量，操作過程繁瑣、耗時費力、易出錯。通過對調炮精度檢測流程的分析，嘗試對各標記點角度特征提取與識別，可以最大限度的縮短檢測時間[7]。

根據每組測量{(α1,β1),(α2,β2),(α3,β3),(α4,β4)}中方向角度α1、α2、α、α的大小關系和測量所利用的經緯儀哦O1還是O2這兩個特征，就可識別出標記點，進而將測量值與標記點對應起來，由計算機軟件根據算法推導出的公式自動運算，無需像傳統測量方式那樣由專人指揮，嚴格按照操作步驟瞄準測量，既節省了操作時間，又可避免由于過多的人工干預而出現人為失誤。

3) 測量點誤差補償算法

誤差補償算法不僅提高了系統的檢測精度，同時由于其降低了反復調整P1、P2的位置使其連線平行于炮管中軸線的標準,從而減少了操作時間，提高了檢測效率。

3 軟件開發與應用

高精度調炮智能檢測軟件是Windows系統下通過Qt平臺實現的，軟件采用模塊化設計。軟件系統可分為人機交互界面模塊、數據采集模塊、計算處理模塊和數據存儲及報表打印模塊等。

1) 人機交互界面模塊

設計界面時，根據功能需求分為主界面、設置界面、瞄準零位檢測界面、瞄準零線檢測界面、瞄準線錯位檢測界面、射角不一致檢測界面、定向管標示點誤差檢測界面、尋北精度檢測界面、調炮精度檢測界面等，用以實現檢測過程的人機交互。

主界面示意圖如圖2，所示主要完成快速進入各子界面，并且能夠快速設置本次檢測人、被測火炮編號等功能。

圖2 主界面示意圖

調炮精度檢測界面如圖3所示，主要用于檢測火炮調炮精度。該界面所具備的功能：自動檢測串口號是否設置正確；自動判斷經緯儀所瞄準的是靶板還是炮口十字標識點。

圖3 調炮精度檢測界面

2) 數據采集模塊設計

兩臺經緯儀將測量得到的數據通過串口線上傳至數據處理器，數據處理器按照具體的調炮精度檢測算法進行計算，并將接收到的數據和計算結果存放到數據庫中。雙方遵循相同的串口通信協議。利用第三方串口qextserialport類函數，可以方便快捷地完成一般串口編程任務，設置波特率，數據位，奇偶校驗，停止位，數據流控制等串口參數。該類打包時無需加入其他文件，所有函數是開放、透明的，用戶可根據自己的需求進行改造，編程者可以將更多的精力集中在串行通信協議的編制及數據處理上。

3) 數據存儲與報表打印模塊設計

為最大限度減少人工操作步驟，提高調炮精度檢測效率，本系統設計了檢測報告存儲打印功能模塊。Qt中的QtSQL模塊提供了對數據庫的支持，通過數據庫模塊來和不同的數據庫接口進行通信，為系統檢測報表的存儲打印功能實現提供了有效解決方案。引入SQL模塊后，添加數據庫驅動、設置數據庫名稱，數據庫登陸用戶名及密碼，使用QSqlQuery類，可以完成插入數據、更新數據、查詢數據、刪除數據等功能。通過SQLite數據庫實現的數據報表打印模塊，具有快速、便捷以及出色的穩定性，可以保證整個系統的穩定運行。

4 實驗數據

為了對該系統的檢測效率及精度進行驗證[9]，課題組針對遠程火箭炮調炮精度智能檢測系統各檢測項目分別設計試驗，并通過試驗數據比較作出結果分析。

下面以調炮精度測量為例，采用7次高低及方位調炮精度測量，對測量值求取均方差以衡量兩種檢測手段的可靠性[10]。選取高低到位值及方向到位值的標準值分別為500 mil、10 mil見表1所示。

表1 調炮精度測量數據記錄表

從檢測數據來看，3種測量方式測量誤差都在允許范圍內，對測量值的均方值進行比較，調炮精度智能檢測系統所得結果的波動范圍更小，同時，該檢測系統與傳統調炮精度檢測方法相比，檢測效率顯著提升。該項目整個測試過程可在1 h的測試時間內完成，縮短至現有檢測方式的1/3。

5 結論

該系統能夠發揮其檢測效率高、容錯性強、智能化程度高、精度高等優點，較目前已有的調炮精度檢測設備性能更優，為遠程火箭炮維修保障工作提供了有效的技術支撐，具有重大的軍事效益，處于軍內調炮精度檢測領域先進水平。