目标视场位置对经纬仪测角精度的影响*

2012-12-10叶剑锋周欣明

弹箭与制导学报 2012年5期

叶剑锋，周欣明

(91550部队，辽宁大连 1 16023)

0 引言

光学经纬仪是现代靶场中重要的测角设备，因测量精度高、布站灵活，不受地面杂波干扰的影响，在外弹道测量的初段占主导地位。随着微电子学超大规模集成电路工艺的成熟，CCD面阵逐步应用于光学经纬仪，取代电影胶片，成为数据存储传输的载体。数字CCD存在积分时间，也就是曝光时间，会造成脱靶量的输出滞后，影响测量的精度[1－3]。

电影胶片的曝光时间通常在微秒级[4]，而CCD相机的曝光时间通常在毫秒级[5]，从内同步的角度看，通常可忽略曝光时间对脱靶量的影响。但目标在视场中以一定速度运动时，CCD相机的曝光时间对脱靶量产生的影响大小是否可以忽略，需要进行深入分析。文中结合校飞试验中的图像处理工作，采用目标基准数据比较，定量分析由此带来的测角影响。

1 内同步原理

造成光学经纬仪测角误差的原因是多方面的，当目标在视场中以一定的速度运动时，内同步是影响测角精度的主要原因，即光学经纬仪角编码器的响应时间与画幅响应时间未同步。近年研制的光学经纬仪，CCD的脱靶量与编码器工作保持同步状态。从图1可以看出，采用这种同步模式的CCD相机，在整个系统同步时钟的上升沿(编码器锁存角度数据的时刻)，CCD相机才开始曝光，而CCD相机在曝光结束时刻才完成曝光，此时，画幅记录的目标脱靶量信息是与该时刻对应。因此，画幅脱靶量与角编码器的信息记录时刻是未对齐的，由此带来的影响即为内同步误差。

图1 内同步工作状态示意图

2 测角精度曲线及分析

在校飞试验中，采用GPS测量值作为真值，反算各测站的测元真值，与光学经纬仪的测元作差，进行测角精度的比较分析。以某次校飞数据为例，E角经误差修正处理(三差、折射、部位不一致修正等)后，与真值作差结果如图2所示。从图2中可以看出，E角的差值在+5"到－5"间摆动，存在上升和下降的变化趋势。通常而言，系统误差应稳定在同一水平上，因此该项误差的影响因素可能与脱靶量有关。

根据脱靶量计算公式:

式中:ΔE表示E角的脱靶量修正值;E0表示角编码器的测量值;f表示测量相机的焦距;(x，y)表示目标的脱靶量。可知脱靶量(x，y)是影响ΔE的主要因素。为深入分析，选取差值曲线上的215～260、260～392、750～797和924～1015四段数据，图3、图4分别为上述测元对应时刻的脱靶量(x，y)曲线，计算其均值和标准差，结果见表1。其中，215～260段数据，表示E角差值的上升段;260～392段数据，表示E角差值的平稳段;750～797段数据，表示E角差值的零值附近摆动段;924～1015段数据，表示E角差值的下降段。

上述光学经纬仪CCD的图像尺寸为1280像素×1024像素，图像中心为639像素×511像素。从表1可以看出:E角差值的上升段，目标在视场中从(861，540)点运动到(430，433)点，运动时长为2.20s，根据脱靶量计算公式，脱靶量Y对测元E角的影响大，由于运动速度快，导致E角差值曲线陡峭，目标的运动经过了脱靶量Y的零点，E角差值亦过零点;E角差值的下降段，目标在视场中从(446，486)点运动到(934，554)点，时长4.55s，运动速度慢，E 角差值曲线平缓，目标的运动经过了脱靶量Y的零点，E角差值亦过零点。E角差值的平稳段和零点附近段，目标在视场中的相对运动小，目标的脱靶量也小，E角差值变化小，趋于平稳。

表1 E角差值均值和标准差统计表

3 内同步误差的修正方法

目标相对于视场有相对运动时，根据CCD相机的内同步机理，必然影响目标的脱靶量。为此，可以采用根据CCD相机的曝光时间产生使曝光过程的中间时刻(即脱靶量输出对应时刻)与外同步上升沿(即CCD相机开始曝光时刻)对齐的方法，在硬件上加以实现。

分析多次测量数据发现，在相对较短时间内，脱靶量的值可以用一个不高于二阶的多项式进行拟合。假设在相对零时刻，有一组脱靶量测量数据X=[x－n，x－n－1，…，xn－1，xn]，对于这组测量数据，可以采用如式(2)的一个二次多项式来进行比较精确的拟合:

式中系数a、b、c可以用最小二阶乘的方法进行求解。解出多项式的系数，则对t∈ [x－n，xn]任意时刻都可以得到关于脱靶量Xt的一个比较理想的估计值。因此，对于同步测量时刻脱靶量，在相对延迟已知的情况下，可以利用它的前后适当点数测量数据的二次多项式，通过多项式拟合数字插值得到测量时刻的脱靶量估计值[7]，进而得到测量时刻脱靶量的较高估计值。使用该方法对上文中校飞E角进行配准，配准后E角与GPS残差曲线如图5所示。