基于全站儀的身管火炮零線檢校方法研究

張 光,任國全,張英堂,張培林

(軍械工程學(xué)院,河北石家莊 050003)

身管火炮零線的檢查規(guī)正就是在炮身縱橫水平、瞄準(zhǔn)具各分劃歸零的前提下,使瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線相互平行,這是整個武器系統(tǒng)投入作戰(zhàn)前的一項必不可少的準(zhǔn)備工作,對射彈能否命中目標(biāo)起著決定性的作用。傳統(tǒng)的零線檢查規(guī)正方法有“遠(yuǎn)方瞄準(zhǔn)點法”和“檢查板法”等,但是“遠(yuǎn)方瞄準(zhǔn)點法”存在著“炮膛軸和視軸誤差”[1-3];“檢查板法”中由于炮身俯仰、炮身傾斜和檢查板放置不當(dāng)?shù)纫蛩匾矔碚`差[4],這些誤差直接影響了檢查規(guī)正的效果,最終對射擊造成不良影響。為此,本文提出了一種新型的基于全站儀的身管火炮零線檢校方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該檢校系統(tǒng)由1臺高精度全站儀、1臺筆記本計算機(作為數(shù)據(jù)處理器)和兩個瞄準(zhǔn)板等組成。全站儀是集電子經(jīng)緯儀、光電測距儀和微電腦處理器于一體的測繪設(shè)備,它既可以測得空間點的水平角、天頂角和斜距,還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。全站儀安放在支架上,使用前必須先調(diào)水平,用數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理器相連。系統(tǒng)由全站儀測量指定瞄準(zhǔn)點的水平角、天頂角和斜距,測得數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線和通信接口輸入到計算機內(nèi),由計算機完成數(shù)據(jù)處理。

2 零線檢校系統(tǒng)的工作原理

2.1 空間坐標(biāo)系的建立

以全站儀中心為原點O,以全站儀水平角為零的方向為 x軸,以鉛垂方向為z軸,用右手法則確定y軸[5],建立空間坐標(biāo)系,如圖1所示。當(dāng)全站儀對準(zhǔn)坐標(biāo)空間內(nèi)一點M時,可以測量得到該點的水平角α、天頂角β和斜距D,通過解算可以得到M點的空間坐標(biāo)值。

2.2 零線檢查原理

對于傳統(tǒng)的“遠(yuǎn)方瞄準(zhǔn)點法”和“檢查板法”,一種方法是使瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線同時瞄準(zhǔn)1 000m處的不動點,另一種方法是使瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線分別瞄準(zhǔn)40m處檢查板上的兩個十字線,這兩種方法從原理上就只能使瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線概略平行?；谌緝x的這種新的零線檢校方法將瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線分別直接引出,經(jīng)檢校后使兩條引出線絕對平行,也就是使瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線絕對平行。

如圖2所示,將身管調(diào)整到縱橫水平,通過擊針孔,炮口十字線中心b1瞄準(zhǔn)前方1號瞄準(zhǔn)板上的十字線中心a1;將周式瞄準(zhǔn)鏡轉(zhuǎn)到30-00,上下左右移動2號瞄準(zhǔn)板,使瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)2號瞄準(zhǔn)板上的十字線中心a2。此時1號瞄準(zhǔn)板十字線中心a1和炮口十字線中心b1構(gòu)成了炮膛軸線的引出線;2號瞄準(zhǔn)板十字線中心a2和瞄準(zhǔn)鏡鏡頭中心b2構(gòu)成瞄準(zhǔn)線的引出線。用全站儀分別瞄準(zhǔn)1號瞄準(zhǔn)板十字線中心a1、炮口十字線中心b1、2號瞄準(zhǔn)板十字線中心a2和瞄準(zhǔn)鏡鏡頭中心b2,將全站儀測得的各點的水平角、天頂角和斜距傳給數(shù)據(jù)處理器,數(shù)據(jù)處理器利用已編好的程序分別計算出各點的空間坐標(biāo)值,再分別計算出炮膛軸線和瞄準(zhǔn)線的高低角和方向角,進(jìn)行比較,給出瞄準(zhǔn)線相對于炮膛軸線的角度偏差,最后根據(jù)角度偏差給出零線檢查結(jié)果。

2.3 零線規(guī)正方法

根據(jù)數(shù)據(jù)處理器給出的瞄準(zhǔn)線相對于炮膛軸線的高低角和方向角偏差,對瞄準(zhǔn)線做出適當(dāng)調(diào)整。對于高低偏差,如果為正,就說明瞄準(zhǔn)線相對于炮膛軸線抬起了一個角度,那么就調(diào)整瞄準(zhǔn)鏡的俯仰轉(zhuǎn)螺,使瞄準(zhǔn)線按照偏差的大小向下轉(zhuǎn)過一個角度,反之亦然;對于方向偏差,如果為正,就說明瞄準(zhǔn)線相對于炮膛軸線向右錯開一個角度,那么就調(diào)整瞄準(zhǔn)鏡的方向轉(zhuǎn)螺,使瞄準(zhǔn)線按照偏差的大小向左轉(zhuǎn)過一個角度,反之亦然。之后再用全站儀進(jìn)行測量,根據(jù)數(shù)據(jù)處理器的偏差再進(jìn)行調(diào)整,直到瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線達(dá)到要求的平行度。這時瞄準(zhǔn)鏡方向分劃應(yīng)為30-00,俯仰分劃應(yīng)歸0,否則進(jìn)行轉(zhuǎn)動瞄準(zhǔn)鏡分劃環(huán)或重新刻線的規(guī)正。

3 零線檢校的解算過程

3.1 空間點坐標(biāo)的解算

根據(jù)圖2,將M點向水平面xOy投影[6],根據(jù)各量的空間位置關(guān)系,可以計算得到空間任意點M的坐標(biāo)值為:

3.2 瞄準(zhǔn)線和炮膛軸線角度偏差的解算

3.2.1 高低角偏差的解算

如圖3所示,假設(shè)用全站儀測得的a1、b1、a2和b24個點的水平角、天頂角和斜距參量分別為:a1(αa1,βa1,Da1)、b1(αb1,βb1,Db1)、a2(αa2,βa2,Da2)和b2(αb2,βb2,Db2)。由公式(1)得到a1點的空間點坐標(biāo)為:

用同樣的方法可以得到另外3點的空間坐標(biāo),分別記為b1(xb1,yb1,zb1)、a2(xa2,ya2,za2),b2(xb2,yb2,zb2)。

將a1b1和a2b2向水平面xOy投影,兩線與水平面的夾角分別為:

式中:

瞄準(zhǔn)線a2 b2相對于炮膛軸線a1 b1的高低角偏差θ為:

3.2.2 方向角偏差的解算

如圖4所示,將a1b1和a2b2向水平面 xOy投影,兩投影線與 x軸的夾角分別為φ1和φ2。

求解 φ1:

因為建立的坐標(biāo)系是逆時針為正的,瞄準(zhǔn)中順時針為正,所以瞄準(zhǔn)線相對炮膛軸線的方向角偏差φ為:

4 結(jié) 論

本文提出了一種使用全站儀對火炮零線檢查規(guī)正的新方法,這種方法精度高,簡單易操作[7-9]。該方法可以在火炮射擊前使用,也可在工廠驗收及部隊技術(shù)檢查時使用。并且只要將處理器的程序加以改變,還可以應(yīng)用到對身管火炮零位、射角不一致、瞄準(zhǔn)線錯位和調(diào)炮精度等參數(shù)的檢查規(guī)正中,可有效地解決以往對火炮瞄準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢查規(guī)正時存在的誤差大、操作繁瑣等問題,而且利用數(shù)據(jù)處理器的接口還可完成和其他一些檢測設(shè)備的綜合。但由于條件限制,該方法還未在火炮瞄準(zhǔn)裝置的零線檢查規(guī)正中具體試驗,還需進(jìn)一步實踐驗證。

[1] 張德寶,廖學(xué)兵,于英明,等.火炮零線通用激光檢校設(shè)備的設(shè)計[J].計算機測量與控制,2003(11):875-877.ZHANG De-bao,LIAO Xue-bing,YU Ying-m ing,et al.Design of laser universal exam ination and ad justing device of artillery zero line[J].Computer M easurement and Control,2003(11):875-877.(in Chinese)

[2] 王春艷,王志堅.火炮炮管靜態(tài)定向角測量系統(tǒng)研究[J].兵工學(xué)報,2004(6):669-671.WANG Chun-yan,WANG Zhi-jian.A measuring system for artillery static direction ang les[J].A cta A rmamentarii,2004(6):669-671.(in Chinese)

[3] 魏云升,郭治,王校會.火力與指揮控制[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003:222-231.W EI Yun-sheng,GUO Zhi,WANG Xiao-hui.Fire control&command control[M].Beijing:Beijing Institute o f Techno logy Press,2003:222-231.(in Chinese)

[4] 張培林,李國章,傅建平.自行火炮火力系統(tǒng)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2002.ZHANG Pei-lin,LIGuo-zhang,FU Jian-ping.Fire system of self-propelled gun[M].Beijing:The Publishing House of O rdnance Industry,2002.(in Chinese)

[5] 劉雷,陳運生.自行火炮發(fā)射過程的可視化仿真[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2005(4):10-14.LIU Lei,CHEN Yun-sheng.Visual simu lation o f launching process of self-propelled gun[J].Journal of Gun Launch&Control,2005(4):10-14.(in Chinese)

[6] 羅鴻飛,張英堂,任國全,等.基于空間坐標(biāo)解算的火炮調(diào)炮精度檢測方法研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2007(3):50-52.LUO Hong-fei,ZHANG Ying-tang,REN Guo-quan,et al.Research onmeasuring method of gun rotated accuracy based on spatial coordinate algorithm[J].Journal o f Gun Launch&Control,2007(3):50-52.(in Chinese)

[7] 劉軍,秦建明,張志勇.全站儀三角高程測量的誤差分析[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計,2001,24(2):22-23.LIU Jun,QIN Jian-m ing,ZHANG Zhi-yong.Error analysis o f trigonometric leveling based on total station apparatus[J].Inner Mongolia Forestry Investigation and Design,2001,24(2):22-23.(in Chinese)

[8] KAZUO ICH IMURA,M ITSUYOSHI FUJII,YOUICH ITASAK I,et al.Three-D measurement using laser theodo lite[J].Joural of Robotics and M echatronics,2000,12(1):24-28.

[9] 范逸之,陳立元.Delphi與RS-232串行通信控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:141-147.FAN Yi-zhi,CHEN Li-yuan.Delphi and RS-232 serial communication control[M].Beijing:Tsinghua University Press,2002:141-147.(in Chinese)