互瞄法在艦載武器系統電氣零位標定中的應用

顧穎閩，鄭劍波，王嘉蘇

（中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港 222006）

在艦載武器系統中，由于光電跟蹤儀、跟蹤雷達等高精度傳感器和武器設備在艦艇上位置分布不一致，導致系統存在零位不一致現象。而系統零位一致性是決定艦載武器系統射擊精度的重要因素[1]。盡管在安裝艦載武器系統各設備時，已調整并滿足了系統機械零位的要求，但僅滿足機械零位要求，仍無法滿足高精度艦載武器系統射擊精度的要求。為滿足高精度艦載武器系統的射擊精度的要求，需再對各設備電氣零位進行一致性對準。電氣零位修正主要指通過數字或模擬量修正，調整傳感器和武器的零位，以滿足艦載武器系統零位一致性的要求。電氣零位主要包括角度零位和距離零位兩部分。電氣角度零位對準主要包括系統舷角和仰角的對準[2]。在系泊條件下，傳統的電氣角度零位一致性對準方法主要是瞄星法。

瞄星法一般采用經緯儀作為角度測量的真值設備，將經緯儀的水平基準與艦基準平臺一致，方位基準與艦艏艉線一致，被檢設備的光學設備與經緯儀同時瞄準天上的某一星體，星體的選擇主要考慮星體的亮度、移動的速度、周圍一定范圍內是否有其它較亮的星體及星體的高低角等因素。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認為是完全平行的，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[2-3]。

瞄星法具有對準精度高、實施較為簡單等優點，但由于該方法需要通過光學儀器直接觀測天上的星體，故受氣象條件影響較大，只能在有星星的夜晚進行，如果試驗地區陰雨天氣多，夜晚看不到星星或星星晦暗難辨時，瞄星法就無法實施。

為了解決瞄星法受氣象條件影響較大的問題，同時又要滿足高精度艦載武器系統的要求，本文提出了一種新的零位檢測與對準方法——互瞄法。

1 互瞄法的工作原理

互瞄法是由瞄星法發展、演變而來的一種方法。該方法主要是通過架設在艦上的經緯儀與架設在岸上的經緯儀互瞄，然后再將架設在岸上的經緯儀與武器系統各設備互瞄，得到各設備舷角、仰角真值，艦載武器系統各設備再進行相應地修正。為了更清楚地了解互瞄法的工作原理，我們先了解一下瞄星法的基本原理。

1.1 瞄星法的基本原理

艦載武器系統各設備的對準，實際就是將各設備的舷角和仰角的零位分別修正到與艦艏艉線和基準平面保持平行（誤差滿足精度要求），但由于各設備本身不具備直接測量準確舷角、仰角值的功能，所以需要借助經緯儀來讀取。

經緯儀是一種測量某一目標點相對于經緯儀所設定的平面和零位中線的仰角和舷角真值的精密儀器設備。

由于經緯儀架設位置與各設備位置不同，當觀察同一目標時，各設備舷角、仰角真值與經緯儀測量真值之間存在一角度差，所以，該觀測目標和本艦之間需要有足夠遠的距離。因為，如果觀測目標距離選取太近，不考慮架設位置的分布不同，誤差較大（如經緯儀與設備之間的距離為20m，選取11km的目標測量，最大誤差大于arcsin(10/11000)°即0.1°），如考慮架設位置的分布不同，則對各設備的坐標和目標距離測量精度要求太高，對測量儀器精度要求很高，實施較為困難。如果選取觀測目標和本艦之間距離合適，即可以忽略架設位置的分布不同，則觀測目標至少需要在距離 57km（10m/sin0.01°）以外（如經緯儀與設備之間的距離為20m），即便該目標有足夠的亮度，地面目標也超出了視距范圍。所以必須選取具有足夠亮度、距離足夠遠以及目標可視面積足夠小的天體點目標，最合適就是選取星體。

測量時，需經緯儀、各設備水平零位在相互平行的平面上（各平面與艦體基準平臺平面平行），并且舷角零位與艦艏艉線保持平行。因為被觀測目標的距離相對于經緯儀與設備之間的距離可以近似認為無窮遠，所以經緯儀與武器系統各設備觀察視線相互平行，各設備舷角、仰角真值理論上就是經緯儀的觀測值。

瞄星法可以很好地滿足高精度艦載武器系統對準精度要求，巧妙地解決了無合適對準參考點滿足艦載武器系統各設備零位一致性對準精度要求的問題。

瞄星法基本原理如圖1所示。

1.2 互瞄法的工作原理

為了實現在無星的天氣里進行對準，可以采用觀測目標點（用經緯儀作為目標點）與系統各設備互瞄的方法。所謂互瞄，就是兩個光學儀器互相瞄準，以達到二者的光軸重合的操作過程。可以通過位于觀測目標點的經緯儀（以下稱為岸上經緯儀）來測量各設備的舷角和仰角，同時各設備讀出此刻觀測目標點的舷角和仰角。測量時，需要岸上經緯儀水平零位與各設備水平零位在相互平行的平面上，并且岸上經緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行。

由于岸上經緯儀沒有架設在艦上，為了保證測量精度并使測量方便，我們選取大地平面作為水平零位。同時，為保證岸上經緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行，需在艦上架設一個經緯儀（以下簡稱艦上經緯儀），以大地平面為水平零位，艦艏艉線為舷角零位，向岸上經緯儀瞄準，岸上經緯儀也同時向艦上經緯儀瞄準。將岸上經緯儀的舷角值設置為艦上經緯儀的舷角值。這樣就將艦艏艉線平行移到岸上經緯儀的位置，岸上經緯儀舷角零位與艦艏艉線保持平行。岸上經緯儀與各設備互瞄，得到各設備相對于大地平面的舷角和仰角真值。各設備讀取岸上經緯儀是以艦甲板為平面的舷角和仰角，所以必須將以大地為平面的舷角和仰角真值轉換為以艦甲板為平面的舷角和仰角真值（具體轉換公式見后文）。互瞄方法如圖2、圖3所示。

圖2 艦上經緯儀和岸上經緯儀互瞄示意圖

圖3 岸上經緯儀與被測設備之間互瞄示意圖

1.3 互瞄法坐標轉換方法

進行坐標系轉換前，先用水平儀將各設備的沿艦縱向和橫向的水平度傾角測出。為了將以大地為平面的舷角和仰角真值轉換為以艦體為平面的舷角和仰角真值，我們需建立兩個坐標系：一個是地理坐標系X0Y0Z0，原點設在載體質心，Y0、X0在與大地水平面平行過原點的平面α上，其中Y0方向沿艦艏艉線指向艦艏方向，X0方向指向Y0在平面α上順時針旋轉90°的方向，Z0軸沿地心與大地水平面垂直并指向天頂；一個是載體坐標系X3Y3Z3，其原點定義在載體質量中心，Y3方向沿艦艏艉線指向艦艏方向，X3方向指向Y3在設備平臺平面上順時針旋轉90°的方向，Z3軸垂直于X3、Y3指向上方。如果各設備沿艦縱向和橫向的水平度傾角為 0，則設備平臺平面與大地平面平行；如果各設備沿艦縱向和橫向的水平度傾角為不為 0，地理坐標系需轉換變為載體坐標系。因此，要完成坐標系轉換的計算，需引入計算坐標系X1Y1Z1及 X2Y2Z2。坐標轉換過程可通過繞坐標系作三次旋轉得到，首先進行坐標系旋轉分析，因為艦在做該項試驗時一般在船塢半坐墩條件下，所以艦航向無變化，各設備沿Z0軸無任何旋轉，即X1Y1Z1與X0Y0Z0重合，然后考慮載體繞X1軸轉動θ角，即載體縱軸線與大地水平面有一夾角θ（逆時針為正），最后考慮載體繞 Y2軸轉動φ角，即載體橫軸線與水平面有一夾角φ（順時針為正），即

有關變換公式為：

式中，C0代表X0Y0Z0繞Z0軸轉動為X1Y1Z1坐標系的坐標轉換系數。由于繞Z0軸轉動角度為0，所以C0＝1。

C1代表 X1Y1Z1繞 X1軸轉動θ角后轉變為X2Y2Z2坐標系的坐標轉換系數。

C2代表 X2Y2Z2繞 Y2軸轉動φ角后轉變為X3Y3Z3坐標系的坐標轉換系數。

C代表 X0Y0Z0轉變為 X3Y3Z3的坐標轉換系數。

即

以設備平臺平面為平面舷角α，仰角為β：

由此可以得出以設備平臺平面為平面舷角為α，仰角為β，相對于以大地平面為平面舷角和仰角的轉

換關系。以上坐標轉換公式也可用四元數旋轉變換的方法推出[4]。

2 互瞄法的實現

互瞄法的操作過程較為復雜，在實施的過程中人為因素較多，為了保證整個互瞄法的實施結果滿足艦載武器系統的精度要求，需制定相應的實施規則。

2.1 互瞄法實施的條件

1）艦艇必須保持在船塢內半坐墩條件下 根據互瞄法的工作原理可知，互瞄法的測試工具經緯儀中的一部是架設在岸上的，并以大地坐標系為基準平面。而被測設備是以甲板坐標系為基準的，并且另一部經緯儀是架設在艦上的，同時在互瞄法實施過程中，需要測量艦艇相對于大地平面的姿態數據。這些過程都必須讓艦艇始終保持同一的姿態。為滿足這些要求并使試驗狀態接近艦艇水中浮態，在互瞄法實施過程中，必須保持艦艇在船塢內半坐墩條件下。

2）被測設備水平度滿足指標 如果被測設備水平度超出指標范圍，會影響艦載武器系統射界、危界的準確度，導致艦載武器系統射擊安全性降低。

2.2 實施互瞄法的主要步驟

1）以大地水平面為基準，檢測設備的絕對水平度；

2）實施兩個經緯儀第一次互瞄，實現將艦艏艉線平行移動到岸上；

3）實施岸上經緯儀與測試各設備的互瞄；

4）進行坐標系轉換，將大地坐標系轉換成艦甲板坐標系；

5）完成設備誤差修正；

6）進行互瞄法的復測，以保證互瞄法測量精度。

2.3 實施細則流程圖

具體實施細則流程圖如圖4所示。

圖4 互瞄法實施細則流程圖

3 互瞄法的誤差精度及可行性分析

首先對互瞄法的對準精度進行理論分析，我們先將它與瞄星法比較。在瞄星過程中，經緯儀需要一次對準、瞄準。互瞄法則需要兩個經緯儀對準、瞄準。所以，互瞄法最大誤差系數比瞄星法誤差系數增加了一倍左右，相應的標準誤差系數為 2倍瞄星法標準誤差系數。

為了驗證互瞄法測量精度，我們分別對同一配試系統進行電氣零位對比精度測試。測試具體過程如下。

配試系統先完成瞄星試驗，然后進行互瞄試驗。因為瞄星試驗完成后，配試系統的傳感器和武器已滿足電氣零位指標，所以可以近似地以瞄星后的數據作為真值來計算互瞄法的實際誤差，進行比較分析。經過多次測試數據比較分析，互瞄法與瞄星法相比較，最大隨機誤差比瞄星法大 30%,系統誤差略小于瞄星法的測量精度。

通過理論分析可知，互瞄法標準誤差略大于瞄星法，但通過科學、嚴謹和完善的試驗方法，互瞄法實際艦載武器系統電氣零位對準誤差精度明顯小于理論誤差分析精度。根據目前測量儀器的測量精度和艦載武器系統的要求，運用互瞄法進行角度零位對準的精度可以滿足大多數艦載武器系統的要求。由于互瞄法受氣象條件和周邊場地環境影響小，并克服了利用傳統瞄星法進行艦載武器系統角度零位對準時，受天氣和環境影響較大的問題，所以，互瞄法作為艦載武器系統角度零位對準的一種新方法，具有較為廣泛的適用性和推廣性。

4 結束語

互瞄法是高精度艦載武器系統對準的一種有效方法，可以滿足常規艦載武器系統電氣零位對準的精度要求。試驗表明，該方法具有對準精度高、操作靈活方便、不受氣象條件的限制等優點，在高精度艦載武器系統對準方面具有廣闊的應用前景。

[1]汪德虎,譚周壽,王建明,等. 艦炮射擊基礎理論[M].北京:海潮出版社,1998.

[2]胡志強,許秉信. 艦載武器系統零位檢測與歸正方法[J].火力與指揮控制,2007,32(4):81-84.

[3]黃守訓,等. 艦炮武器系統試驗與鑒定[M].北京:海潮出版社,2005.

[4]戴自立,謝榮銘,虞漢民. 現代艦艇作戰系統[M].北京:國防工業出版社,1999.