零飞仪安装误差分析与修正

孙朝江，夏小华

(92941 部队94 分队，辽宁葫芦岛 125001)

舰炮武器系统动态解题精度试验前，应进行零飞试验，其主要目的是检查系统的跟踪误差、零位一致性误差及运行平稳性，零飞仪主要用来完成上述功能。零飞试验的基本原理是将零飞仪的摄像头安装在炮管上，武器系统设定为零飞工作方式(即设定弹丸飞行时间为零和弹道逼近系数为零)，系统对真实运动目标进行跟踪瞄准，炮管的实时指向通过零飞仪的摄像头记录并显示出来［1-4］。若系统无误差，并运行平稳，炮管轴线应实时指向目标现在点，在零飞仪显示屏上则应表现为目标稳定成像在摄像头视场中心。由于炮管有一定的粗度，零飞仪光轴轴线无法与炮管轴线完全重合，零飞仪光轴与炮管轴线在安装位置有定的高度差h，该高度差会给零飞误差带来多大影响? 如何修正? 本文将对这个问题进行分析探讨。

1 零飞仪标校原理

在进行零飞试验前，需要将零飞仪光轴与炮管中心轴线进行标校。标校过程即在摄像头的有效作用距离范围内L处立一“十”字靶标，将校靶镜放入炮管内，调整炮管指向，使靶标十字线的像位于校靶镜十字分划中心，此时认为炮管轴线已瞄准靶标中心;然后调整零飞仪底座联接机构的俯仰与高低微调机构，配合摄像头前的旋转双光楔，使靶标十字线在零飞仪CCD 相机上所成的像与CCD 自有的电十字重合，此时认为零飞仪光轴也瞄准了靶标中心，至此零位标校完成［5-6］。由于零飞仪摄像头安装时，光轴与炮管轴线在安装点存在高度差h，此时零飞仪光轴和炮管轴线间有一夹角φ，如图1 所示，且它们满足关系式:

式中:h 为高度差;L 为摄像头安装点与靶标间的直线距离，即标校距离。

图1 零飞仪标校示意图

从标校结果中可以看出，只有在标校点处，零飞仪“看到”的目标才与炮管指向一致，离靶标远或近的目标，零飞仪显示出的目标位置均与炮管指向有一定的误差，如图2所示。

图2 光轴与炮管轴线误差示意图

为便于问题的说明，以靶标为例，将标校好后的靶标沿炮管轴线向远处移开100 m，再从零飞仪视频上看，靶标十字中心已成像在“E”点，而标校好后的中心点在“D”点，偏离零飞仪视场中心，理论上则意味着炮管指向也偏离了靶标十字中心，而事实上炮管轴线仍指向靶标中心，之所以会出现这个问题，就是因为光轴与炮管轴线不能完全重合引起，若零飞仪摄像头能安装到炮管里，这个问题有可能消除，但事实上是无法做到的。

2 安装误差分析

零飞误差指的是目标偏离炮管指向的方位、俯仰角度差。在零飞仪CCD 相机上则表现为目标像与炮管指向点成的像之间的距离，即目标与动态“E”点的距离差，然而“E”点的实时位置是很难获知的，所以通过标校，找出其中的一个“E”点，看作在任何距离上光轴与炮管轴线的共同点，也就是本文中的“D”点;零飞误差的提取只能是比较目标在零飞仪CCD 相机上成的像与“D”点的距离差，从而折算出目标在方位、俯仰上的夹角误差。理论上应该计算目标像与“E”点的距离差，然而实际上计算的是目标像与“D”点的距离差。“D”点与“E”点引起的角度差即为安装误差。标校时，将零飞仪底座调平，使得光轴与炮管轴尽量在一铅垂面内，消除中心点在方位上的偏差，因此安装误差只影响系统在俯仰上的零飞精度Δε，如图2 所示。

根据望远镜成像原理与三角形关系有

式中:L 为标校距离;Dt为目标距离。

由式(1)可以看出，Δε 的大小与h、L、Dt有关，当为某型具体的火炮进行标校时，标校距离越远，因高度差h 引起的安装误差Δε 越小，如图3 所示;当标校确定后，如图4 所示，高度差h=0.2 m，标校距离L =2 km，当目标位于标校距离之内时，目标距离越近，因标校引入的误差越大，当目标位于标校距离之外，目标远离，安装误差逐渐加大，但最大趋于因此，当对零飞误差要求不是很高，不想进行修正时，零飞标校距离的选取因与目标的实际距离进行比较权衡，选取合适的标校距离，当目标距离较近时，并不是标校距离越远越好。

图3 安装误差与标校距离关系

图4 安装误差与目标距离关系

3 安装误差修正方法

从上述中可以看出，当标校结果确定后，安装误差Δε 只与目标距离Dt 有关，且满足式(1)关系，因此，只要能获取目标的实时距离，就能对Δε 进行修正。目标距离Dt可通过武器系统的跟踪器如雷达、光电或靶场的目标真值测量设备测量获得。目标距离Dt与零飞仪提取的零飞误差均带有绝对时时标，根据时标值匹配零飞误差与目标距离，即可进行零飞仪安装误差的修正。值得注意的是，目标位于标校距离外时修正为正，位于标校距离内时修正为负。

例:如某次零飞试验，标校距离2 km，零飞仪光轴与炮管轴线平行距离差为0.2m，目标由远即近飞行，在标校距离前退出视场。事后处理得到的零飞误差曲线关系如图5、图6所示。由图5 可以看出，修正前、后误差曲线几乎贴在一起，修正后的误差曲线稍微在上侧覆盖修正前的误差曲线，这充分说明修正误差为正，且数值很小。图6 显示的是未修正时的零飞误差与该修正的误差的关系图，从这个双Y 轴图中，可以看出，修正误差随着目标的距离越来越近，误差值越来越小，是一随距离变化的非线性系统误差，最远处误差值最大，但不超过0.1 mrad;系统的零飞误差最能达到2 mrad，从数值上看0.1 ＜＜2，可以忽略。

图5 修正前、后的误差曲线

图6 修正前与修正误差曲线

修正前、后零飞误差与修正误差在统计特性上的数值关系如表1 所示。应修正误差较小，修正前后的系统误差(均值)、随机误差(方差)略有差异。

表1 各误差值统计特性表

4 结束语

本研究对零飞仪的标校原理及因标校引入的误差进行了详细的阐述，分析计算了因安装引起的误差与标校距离、目标距离的关系，以及该误差对系统零飞误差结果的影响。当目标在标校距离外时，该误差随目标距离的增加而缓慢增大，最大值由高度差h 和标校距离L 决定; 当目标在标校距离内时，该误差随目标距离的减小而急剧增大，最大值能达到1 mrad，对零飞试验结果有显著影响，因此在确定标校距离时，应根据目标的实际距离范围，选取合适的标校距离。当选取合适的标校距离后，再根据系统零飞精度要求的实际情况，决定是否有必要进行修正。本研究对零飞仪的工程使用、标校距离的选择、安装误差大小的分析有一定的指导意义。

［1］孙朝江.基于虚拟仪器的零飞测试系统的研究［J］.长春理工大学学报:自然科学版，2012(3):53-55.

［2］王晓曼.高炮零飞指标定量测试标校方法［J］.红外与激光工程，2012(8):201-205.

［3］李本任.基于零飞误差的舰炮武器射击效能仿真［J］.火力与指挥控制，2010，35(5):100-103.

［4］朱捷.基于零飞测试的高炮武器系统动态精度研究［J］.兵工自动化，2007，26(5):70-72.

［5］高明.外场多光轴平行性测试的光学系统设计［J］.光学技术，2011，37(1):114-119.

［6］黄守训.舰炮武器系统试验与鉴定［M］.北京:国防工业出版社，2005.