零飛儀安裝誤差分析與修正

孫朝江，夏小華

(92941 部隊94 分隊，遼寧葫蘆島 125001)

艦炮武器系統動態解題精度試驗前，應進行零飛試驗，其主要目的是檢查系統的跟蹤誤差、零位一致性誤差及運行平穩性，零飛儀主要用來完成上述功能。零飛試驗的基本原理是將零飛儀的攝像頭安裝在炮管上，武器系統設定為零飛工作方式(即設定彈丸飛行時間為零和彈道逼近系數為零)，系統對真實運動目標進行跟蹤瞄準，炮管的實時指向通過零飛儀的攝像頭記錄并顯示出來［1-4］。若系統無誤差，并運行平穩，炮管軸線應實時指向目標現在點，在零飛儀顯示屏上則應表現為目標穩定成像在攝像頭視場中心。由于炮管有一定的粗度，零飛儀光軸軸線無法與炮管軸線完全重合，零飛儀光軸與炮管軸線在安裝位置有定的高度差h，該高度差會給零飛誤差帶來多大影響? 如何修正? 本文將對這個問題進行分析探討。

1 零飛儀標校原理

在進行零飛試驗前，需要將零飛儀光軸與炮管中心軸線進行標校。標校過程即在攝像頭的有效作用距離范圍內L處立一“十”字靶標，將校靶鏡放入炮管內，調整炮管指向，使靶標十字線的像位于校靶鏡十字分劃中心，此時認為炮管軸線已瞄準靶標中心;然后調整零飛儀底座聯接機構的俯仰與高低微調機構，配合攝像頭前的旋轉雙光楔，使靶標十字線在零飛儀CCD 相機上所成的像與CCD 自有的電十字重合，此時認為零飛儀光軸也瞄準了靶標中心，至此零位標校完成［5-6］。由于零飛儀攝像頭安裝時，光軸與炮管軸線在安裝點存在高度差h，此時零飛儀光軸和炮管軸線間有一夾角φ，如圖1 所示，且它們滿足關系式:

式中:h 為高度差;L 為攝像頭安裝點與靶標間的直線距離，即標校距離。

圖1 零飛儀標校示意圖

從標校結果中可以看出，只有在標校點處，零飛儀“看到”的目標才與炮管指向一致，離靶標遠或近的目標，零飛儀顯示出的目標位置均與炮管指向有一定的誤差，如圖2所示。

圖2 光軸與炮管軸線誤差示意圖

為便于問題的說明，以靶標為例，將標校好后的靶標沿炮管軸線向遠處移開100 m，再從零飛儀視頻上看，靶標十字中心已成像在“E”點，而標校好后的中心點在“D”點，偏離零飛儀視場中心，理論上則意味著炮管指向也偏離了靶標十字中心，而事實上炮管軸線仍指向靶標中心，之所以會出現這個問題，就是因為光軸與炮管軸線不能完全重合引起，若零飛儀攝像頭能安裝到炮管里，這個問題有可能消除，但事實上是無法做到的。

2 安裝誤差分析

零飛誤差指的是目標偏離炮管指向的方位、俯仰角度差。在零飛儀CCD 相機上則表現為目標像與炮管指向點成的像之間的距離，即目標與動態“E”點的距離差，然而“E”點的實時位置是很難獲知的，所以通過標校，找出其中的一個“E”點，看作在任何距離上光軸與炮管軸線的共同點，也就是本文中的“D”點;零飛誤差的提取只能是比較目標在零飛儀CCD 相機上成的像與“D”點的距離差，從而折算出目標在方位、俯仰上的夾角誤差。理論上應該計算目標像與“E”點的距離差，然而實際上計算的是目標像與“D”點的距離差。“D”點與“E”點引起的角度差即為安裝誤差。標校時，將零飛儀底座調平，使得光軸與炮管軸盡量在一鉛垂面內，消除中心點在方位上的偏差，因此安裝誤差只影響系統在俯仰上的零飛精度Δε，如圖2 所示。

根據望遠鏡成像原理與三角形關系有

式中:L 為標校距離;Dt為目標距離。

由式(1)可以看出，Δε 的大小與h、L、Dt有關，當為某型具體的火炮進行標校時，標校距離越遠，因高度差h 引起的安裝誤差Δε 越小，如圖3 所示;當標校確定后，如圖4 所示，高度差h=0.2 m，標校距離L =2 km，當目標位于標校距離之內時，目標距離越近，因標校引入的誤差越大，當目標位于標校距離之外，目標遠離，安裝誤差逐漸加大，但最大趨于因此，當對零飛誤差要求不是很高，不想進行修正時，零飛標校距離的選取因與目標的實際距離進行比較權衡，選取合適的標校距離，當目標距離較近時，并不是標校距離越遠越好。

圖3 安裝誤差與標校距離關系

圖4 安裝誤差與目標距離關系

3 安裝誤差修正方法

從上述中可以看出，當標校結果確定后，安裝誤差Δε 只與目標距離Dt 有關，且滿足式(1)關系，因此，只要能獲取目標的實時距離，就能對Δε 進行修正。目標距離Dt可通過武器系統的跟蹤器如雷達、光電或靶場的目標真值測量設備測量獲得。目標距離Dt與零飛儀提取的零飛誤差均帶有絕對時時標，根據時標值匹配零飛誤差與目標距離，即可進行零飛儀安裝誤差的修正。值得注意的是，目標位于標校距離外時修正為正，位于標校距離內時修正為負。

例:如某次零飛試驗，標校距離2 km，零飛儀光軸與炮管軸線平行距離差為0.2m，目標由遠即近飛行，在標校距離前退出視場。事后處理得到的零飛誤差曲線關系如圖5、圖6所示。由圖5 可以看出，修正前、后誤差曲線幾乎貼在一起，修正后的誤差曲線稍微在上側覆蓋修正前的誤差曲線，這充分說明修正誤差為正，且數值很小。圖6 顯示的是未修正時的零飛誤差與該修正的誤差的關系圖，從這個雙Y 軸圖中，可以看出，修正誤差隨著目標的距離越來越近，誤差值越來越小，是一隨距離變化的非線性系統誤差，最遠處誤差值最大，但不超過0.1 mrad;系統的零飛誤差最能達到2 mrad，從數值上看0.1 ＜＜2，可以忽略。

圖5 修正前、后的誤差曲線

圖6 修正前與修正誤差曲線

修正前、后零飛誤差與修正誤差在統計特性上的數值關系如表1 所示。應修正誤差較小，修正前后的系統誤差(均值)、隨機誤差(方差)略有差異。

表1 各誤差值統計特性表

4 結束語

本研究對零飛儀的標校原理及因標校引入的誤差進行了詳細的闡述，分析計算了因安裝引起的誤差與標校距離、目標距離的關系，以及該誤差對系統零飛誤差結果的影響。當目標在標校距離外時，該誤差隨目標距離的增加而緩慢增大，最大值由高度差h 和標校距離L 決定; 當目標在標校距離內時，該誤差隨目標距離的減小而急劇增大，最大值能達到1 mrad，對零飛試驗結果有顯著影響，因此在確定標校距離時，應根據目標的實際距離范圍，選取合適的標校距離。當選取合適的標校距離后，再根據系統零飛精度要求的實際情況，決定是否有必要進行修正。本研究對零飛儀的工程使用、標校距離的選擇、安裝誤差大小的分析有一定的指導意義。

［1］孫朝江.基于虛擬儀器的零飛測試系統的研究［J］.長春理工大學學報:自然科學版，2012(3):53-55.

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