自行火炮身管指向測量技術

陳 揚

(中國人民解放軍陸軍軍官學院，合肥 230030)

當前武器裝備信息化、自動化程度越來越高，自行火炮對于實現精確打擊、提高首發命中率的要求也緊隨而至，由于傳統的手工調炮操作，其賦予射角和射向的測量設備(象限儀、周視鏡等)加工精度受限以及存在人工裝定誤差不受控制的特點，導致高精度打擊不能夠實現。于是，火控計算機、角度傳感器、伺服系統等組件組成的火控系統越來越多地被運用到武器裝備上，使之具有了自動調炮等數字化的操作功能，更是對火控系統精度有著很大的提高［1］。火控系統精度包括火控系統解算得到的射擊諸元輸出精度、火炮身管指向精度和隨動系統的相應精度，而火炮身管指向精度的測量則是整個系統精度測量的關鍵點和難點。傳統的身管指向測量是依靠角度傳感器實現的，通過對隨動控制系統中傳動裝置的測量得到結果，測量對象并非火炮身管本身，因此沒有形成對火控系統各環節的閉環測量［2］。目前試驗基地靶場采用的是基于高精度經偉儀的身管指向測量系統，雖然其靜態測試精度達到了0.2 mil，但是由于操作非常復雜，降低了火控系統精度測試的效率［3］。

1 涉及的相關概念和定義

1)火控系統

火控系統即控制武器自動或半自動地實施瞄準與發射的裝備的總稱。

其中當火控系統配備到非制導武器上時，對其瞄準和發射的準確性與快速性有明顯的提高，并使其對戰場惡劣環境的適應性有很好的增強作用，從而更好地發揮武器的毀傷作用。當火控系統配備至制導武器上時，因為在發射前作了較為準確的瞄準，使其制導系統的工作條件得到了改善，提高導彈對機動目標的反應，減少制導系統的失誤率［4-5］。

2)閉環系統

閉環控制系統即為輸出端直接或間接地將信息反饋到輸入端的過程中形成閉環參與控制的系統，也叫反饋控制系統。閉環控制的實現，要求必須測量輸出量，并將測量結果反饋至輸入端和輸入端量進行相減得到偏差，再通過偏差關聯的直接控制作用消除偏差。整個系統形成一個閉環。

3)調炮精度

與火炮精度直接相關的技術指標通常有4 個，分別是最大射程地面密集度、尋北精度、慣導漂移精度、調炮精度。可見決定火炮身管空間絕對指向的指標有3 個: 尋北精度、慣導漂移精度、調炮精度。在這樣的指標體系中，調炮精度反映的是火炮在短時間調炮時，射角和相對方位角的準確程度，調炮精度檢測中測量的對象是火炮射角和相對方位角［6］。

4)身管指向測量

火炮身管指向測量即測量火炮身管所處的高低角及方位角，為人工調炮和自動操瞄調炮精度的測量提供必要的參數。身管指向測量分為靜態測量和動態測量。靜態測量是指火炮在任意固定位置的身管指向的測量;動態測量是指在火炮運動過程中，對其身管指向的連續動態測量。

2 自行火炮身管指向測量技術研究的國內外現狀

2.1 國內外研究現狀概述

國外在20 世紀70年代至80年代當時主要采用安裝瞄準鏡的方式對身管指向進行測量。而國內在這一領域的起步較晚，但20 世紀90年代初期江蘇自動化所的楊育華等研制成功了零飛試驗儀［7］，填補了國內空白，達到了當時的國際先進水平。

2012年段長林等應用傳感器技術研制的炮兵用零位零線檢測儀，實現了野戰環境下的火炮零位零線檢測［8］。該方法操作簡單，適用于靜態下的身管指向測量，但其精度有限，而且角度傳感器安裝較為復雜，無法滿足火控系統動態精度測試的要求。

2005年中國兵器工業第202 研究所的王靜等提出了使用測量型GPS 測量身管指向的方法，當炮口炮尾兩天線距離超過8 m 時，動態測量精度可小于0.6mil［9］。但GPS 數據更新率低，不能用于動態測量。

2011年嚴德斌等研究了基于激光陀螺捷聯慣導技術的火炮身管指向測量技術，設計了由3 個垂直安裝的激光陀螺和3 個加速度計(2 個相互垂直)為主體的測量系統。如果采用精度為0.003/hr 的陀螺儀，分辨率和精度都能滿足測量要求［10］，該系統的缺點是安裝調試較為復雜。王春燕等設計了一個多光軸光學系統用于在火控系統動態精度測試過程中測試身管指向角［11-13］。該方法測量精度高，但是操作復雜，對測量環境要求也比較苛刻，3 種測試設備本身的光軸一致性就很難保證，而且難以克服火控系統動態測試過程中火炮振動和噪聲等的影響。何一陸等提出了固定目標式箭炮調精度測試方法［14］，該方法研究了在沒有專業測量設備的情況下利用瞄準鏡測量身管指向的操作過程，但也不能用于動態性能測量。

目前比較流行的身管指向測量大都是基于高精度經緯儀的，2001年北京兵器工業系統工業研究所的陶化成等設計出了壓制兵器身管指向測量系統［15］，該產品靜態測量精度可達0.2 mil，缺點是不能用于動態測量。此后多人對該方法進行了完善［16-17］，2004年長春理工大學的王春燕等設計了激光光電經緯儀炮管靜態定向角測量系統［18］，曾刊等在雙經緯儀身管測量系統［19］的基礎上引入了具有測距功能的全站儀［20-21］，董起順等研究了經緯儀布站對測量精度的影響，給出了最優布站的基本方法［22］，孫澤林等分析了經偉儀測量系統的誤差及其抑制方法［23］。

除上述幾種方法以外，CCD 在身管指向測量中的應用也十分廣泛。其中一類是點光源加CCD 或位敏傳感器，該方法只適合角度變化較小的場合，2004年哈爾濱工業大學的赫赤等對該類方法做了相關總結［24］;另一類則是CCD 加靶標，2009年軍械工程學院全厚德等研究了基于雙目交會原理的身管指向測量方法［25］，但是該方法測量結果不是很理想，高低角平均測量誤差為1.133 3°，方位角平均測量誤差為0.7553°［26］。2010年宋慶華等在火炮身管安裝一圓形標牌，通過檢測身管運動過程中標牌在成像中的變化測量身管和攝像機光軸在同一水平面內的夾角［27］。2012年軍械工程學院段修生、朱耀軒等研究了計算機視覺技術在火炮身管測量上的應用，提出了基于單目視覺的火炮身管指向測量方案，并著重研究了靜態測量方法，但對標志物安裝誤差消除、動態測量方法及其實現等方面尚待繼續研究。

2.2 小結

以上這些測量方法有的測量精度低，比如角度傳感器;有的方法測量范圍小，比如點光源加CCD 或位敏傳感器;有的對炮管長度有要求，比如GPS 方法;有的不適用于動態測量，比如GPS 方法和基于經緯儀的方法;有的安裝調試復雜，對環境要求苛刻，比如基于陀螺儀的方法和基于精密光學系統的方法。這些方法都不適用于高動態、大范圍運動情況下的自行火炮火控系統動態精度測試，因此當前需要繼續研制一種測量精度能滿足要求、同時安裝調試方便的身管指向測量系統。

3 相關自行火炮身管指向測量系統介紹

自行火炮的調炮精度檢測(尤其是火炮身管指向測量方面)的問題，人們從不同實現方式、不同技術手段先后提出了多種自行高炮身管指向測量系統的設計方案。這里分別介紹GPS 測向系統、基于激光陀螺捷聯慣導技術的火炮身管指向測量系統、雙經緯儀調炮精度檢測系統及火炮身管指向的視覺測量方法等4 種技術上具有代表性的身管指向測量系統和方法。

3.1 GPS 炮身指向測量系統

GPS 測向系統的工作原理為通過載波相位測量法對移動站和基準站的坐標差的三維矢量L(α，β，d)進行實時測量。測量型GPS 的載波相位輸出具有高速率的特點，先利用計算機將的長度求解出來，并作為常量，然后實時測出兩天線安裝點的相對位置之差，從而和即可求解出來，圖1 即為GPS 測向系統的組成框圖。

圖1 GPS 測向系統組成框圖

圖1中，L 的方向為基準站指向移動站，d 是L 的長度，α是L 的空間方位角，真北為0，順時針為正，β 是L 的俯仰角，向上為正。

車體定向只是L 的空間方位角測量，當在炮口安裝移動站天線，在炮尾安裝基準站天線，該火炮身管的空間指向即為所測量出的α 和β。當身管長度大于8 m 或更長時，可以有很好的測量精度(靜態觀測20 s 的測量精度小于0.1 mil;動態測量精度可達0.6 mil 的精度)，這有助于調炮校炮操作，同時可通過檢測傳動鏈的空回和動態形變，進行改進設計，可提高火炮的射擊精度。

3.2 基于激光陀螺捷聯慣導技術的火炮身管指向系統

3.2.1 系統組成

基于激光陀螺捷聯慣導技術的火炮身管指向系統可分為姿態測量部分和計算機部分，圖2 即為該系統的結構示意圖，姿態測量部分利用夾具將其安裝在身管上，其作用是用來高精度測量身管的姿態，并對身管的方位角進行實時測量。計算機部分主要是處理、顯示和存儲姿態測量部分所測得的數據。利用RS485/RS422S 接口將姿態測量部分和計算機之間進行連接。

圖2 火炮身管高精度測量系統結構示意圖

其中數據采集、控制與計算電路采用FPGA(大規模可編程邏輯門陣列)和DSP(高速浮點數字信號處理器)的數據采集與處理的一體化設計技術。該指向系統解算模型包括系統自動標定、陀螺溫度漂移補償模型、載體晃動武昌補償模型、角度與瞬時角速度計算模型等。系統軟件包括數據采集模塊、自檢模塊、標定模塊、轉位控制模塊、角度計算模塊、角速度計算模塊、晃動和溫度漂移誤差補償模塊、通訊模塊等8個部分。

3.2.2 工作原理

激光陀螺也稱速率陀螺，其輸入角速度與光頻差成正比，但由于頻率測量一般都需要將頻率對時間進行積分才能實現，即必須要定時計數，對應的直接測量輸出的結果是角速度，從而，激光陀螺也是一種角位置陀螺，輸出結果為一定時間間隔內的角度。

該測量系主要是由相互垂直安裝的兩個加速度計和相互垂直安裝的3 個激光陀螺組成。激光陀螺的作用是測量在3 個方向上載體的指向變化，加速度計則是為了測量初始靜止狀態下載體在水平方向的重力加速度，求得作為測量的基準的載體初始水平姿態。在靜止狀態下，通過測量可得到水平方向上的角度，利用當時的地理緯度值和靜止狀態下陀螺測量得到的地球自轉分量值通過數學解算可得到指向。

3.3 雙經緯儀調炮精度檢測系統

3.3.1 系統組成及工作原理

雙經緯儀調炮精度檢測系統基礎平臺架構由筆記本電腦(或臺式機)，調炮精度檢測軟件、串口數據線以及2 臺高精度數字式經緯儀(或全站儀)等組成。

該系統的工作原理為:數字式經緯儀將檢測到的身管位置角度數據，通過串口數據線發送到筆記本電腦(安裝有調炮精度檢測軟件)，調炮精度檢測軟件根據雙經緯儀測得的身管軸線炮口測點和炮尾測點的4 個高低角、4 個方位角數據進行解算，求得雙經緯儀中心連線與身管軸線的方向角和大地水平面與身管軸線的高低角，再和輸入的裝訂諸元進行比較得到調炮誤差，選取好樣本量統計后對調炮精度是否合格判定。

3.3.2 數學模型的建立

調炮精度檢測模型示意圖如圖3 所示。

圖3 調炮精度檢測模型示意圖

點K 為火炮身管炮口測點，點W 為炮尾測點，線段WK為火炮身管軸線，點Q 為炮口經緯儀回轉中心，點V 為炮尾經緯儀回轉中心，線段VQ 為雙經緯儀回轉中心點連線，假設雙經緯儀架設在同一水平面上，則線段VQ 位于水平面上，點W，K 在線段VQ 所在水平面上的投影點分別為點W1，K1，以點W1，K1分別向VQ 作垂線交于W2，K2點，以點W 向KK2作垂線交于A 點，以點W1向K1K2作垂線交于B 點。

炮口和炮尾兩經緯儀在測試前先調平和對瞄歸零，然后分別瞄準火炮身管炮口和炮尾側點，可測出4 個方位角和4個高低角數據。即已知條件為方位角: ∠QVW1、∠QVK1、∠VQK1、∠VQW1，高低角: ∠WVW1、∠KVK1、∠KQK1、∠WQW1; 需推導計算的角度為方位角∠BW1K1和高低角∠KWA。

3.4 火炮身管指向的視覺測量方法

視覺測量就是將計算機視覺應用于空間幾何尺寸的精確測量，是一種全新的非接觸測量方式。

3.4.1 系統組成及工作原理

系統主要由一棋盤靶、便攜式PC、激光測距機及工業相機組成。實驗系統如圖4 所示。

工作原理即在火炮身管上固定一個棋盤狀平面模板作為測量標志物。首先，將Harris 算法提取到的棋盤板上的角點坐標進行相機成像模型的解算(即相機標定)，結合擴展卡爾曼濾波(EKF)算法得到相機的內參，然后，提取帶測位置圖像的角點，運用最小二乘擬合算法解出該位置的外參矩陣。最后，根據身管的運動模型以及標志物與之的相對位置關系，推導高低角、方位角與外參矩陣滿足的約束方程，進而解出這兩個角度。

圖4 實驗系統

3.4.2 基于棋盤狀標志物的身管指向測量實現方法

在內參求出后，在進行正式測量之前，先對火炮身管進行校零，采集零位置圖像，計算出零位置旋轉矩陣R0。然后將火炮身管調轉至帶測位置n(n=1，2，3，4，…)采集對應圖像并計算出與之對應的旋轉矩陣Rn，則可以得到標志物從零位置到位置的旋轉矩陣為

其中:

根據身管的運動模型以及標志物與之的相對位置。推導α、β 與Tn約束方程，進而解算這兩個角度。

3.5 小結

以上4 個系統的優缺點比較如表1 所示。

4 結束語

身管指向精度是炮控調炮精度測量中最為關鍵的一環，易操作、高精度的精度測量系統，對在信息化條件下提高炮兵精確打擊和快速反應能力有極大的幫助。在炮控調炮精度檢測中，針對目前身管指向測量方法不能同時滿足測量精度、測量范圍、可操作性、動態測量等要求的現狀，隨著新的測試理論及測試技術的研究實現、計算機科學的深入應用和軟硬件技術的更新升級，必定能夠找到合適的測量方案。

表1 優缺點比較

［1］姚霧云，徐德友.某型自行火炮火控系統檢測系統［J］.兵工自動化，2010，29(12):69-72.

［2］朱耀軒，段修生，張岐龍，等.火炮身管指向的視覺測量方法［J］.光電子·激光，2012，23(11):2163-2167.

［3］朱耀軒，段修生，王春平，等.基于彈幕視覺的火炮身管指向靜態測量［J］.兵工學報，2012，33(11):1324-1328.

［4］荊玉煥，王秀春，張振華.壓制兵器火控系統發展趨勢［J］.火力與控制指揮，2012，37(6):5-7.

［5］周全，楊善林，劉娟.某新型火箭炮火控系統可靠性［J］.火力與控制指揮，2012，36(7):138-141.

［6］刁中凱，蔣永瑜.火炮調炮精度檢查技術［J］.四川兵工學報，2008，29(2):48-50.

［7］楊育華，龔堅.一種新型武器系統試驗訓練設備-零飛試驗儀［J］.火力與控制指揮，1992，19(1):46-52.

［8］段長林，毛聯山，王純亮.傳感器技術在火炮零位零線檢測中的應用［J］.測試技術學報，2012，26(5):455-460.

［9］王靜，王世凱.GPS 在自行火炮中的應用［J］.火炮發射與控制學報，2005(4):36-38.

［10］嚴德斌，胡朝根，陳紅軍.基于激光陀螺捷聯慣導技術的火炮身管指向系統設計［J］. 艦船電子工程，2001，31(9):57-59.

［11］王春燕，姜會林，王陸，等.用于火控動態性能測試的多光軸光學系統［J］.兵工學報，2001，32(6):746-751.

［12］JIANG Hui-lin，GAO Tian-yuan. Optical measuring device in the coaxial hole axis positioning mechanism［P］. Patent of China:ZL 2007 10080539.2，2007-05-23.

［13］FU Yue-gang，WANG Zhi-jian，LI Bo.The investigate of the parallel multi-spectral optical system of optical calibration and test methods［J］.Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics，2001，24(4):669-671.

［14］何一陸，朱志敏，范繼.基于固定目標式檢測火箭炮方向調炮精度研究［J］.火炮發射與控制學報，2001(3):89-92.

［15］陶化成，張衛民，黃小平，等.壓制武器身管指向測試系統［J］.測控技術，2001，20(8):20-26.

［16］羅鴻飛，張英堂，任國全，等.基于空間坐標解算的火炮調炮精度檢測方法研究［J］. 火力發射與控制學報，2007，9(3):50-52.

［17］張琢.復瞄精度測試系統的設計研究［D］.長春:長春理工大學，2011.

［18］王春燕，王志堅. 火炮炮管靜態定向角測量系統研究［J］.兵工學報，2004，25(6):669-671.

［19］曾刊，賴文娟.雙經緯儀調炮精度檢測系統［J］.兵工自動化，2001，30(7):73-75.

［20］曾刊，賴文娟，雷雨能.單全站儀調炮精度檢測系統［J］.四川兵工學報，2013，34(4):18-20.

［21］徐忠陽. 全站儀原理及應用［M］. 北京: 解放軍出版社，2003.

［22］董起順，姜濤，蘇成志.火炮復瞄精度測試中經緯儀的最佳布站研究［M］.兵工學報，2007，8(5):513-515.

［23］孫澤林，王昭，翟喚春.雙經緯儀交會測量火炮調炮精度的誤差分析與抑制［J］.光學·精密工程，2011，19(10):2434-2441.

［24］赫赤，趙克定，許宏光，等.炮控系統性能試驗中角位移量的幾種測量方法［J］.火力與指揮控制，2004，29(6):103-111.

［25］全厚德，趙波，王建華.高炮隨動系統性能檢測算法［J］.火力與指揮控制，2009，34(11):161-163.

［26］王建華.基于雙目立體視覺的運動物體軸線三維測量關鍵技術研究［D］.石家莊:軍械工程學院，2007.

［27］宋慶華，江春華.基于圖像處理的火炮身管定位定向方法［J］.微計算機信息，2010，26(11):109-111.