阅读说明：本技术 用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法及装置 (Projectile coordinate testing method and device for acquiring cannon jump angle ) 是由 杜博军 王海峰 王亚林 王龙 姜志 姜军志 王志成 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法及装置,包括：建立目标区域；对目标区域的空中靶标进行标定；根据标定数据,建立虚拟靶面；根据弹丸穿过虚拟靶面的位置,确定弹丸着虚拟靶弹道参数。所述装置包括：预处理模块,用于建立目标区域；标定模块,用于对目标区域的空中靶标进行标定；建靶模块,用于根据标定数据,建立虚拟靶面；数采模块,用于根据弹丸穿过虚拟靶面的位置,确定弹丸着虚拟靶弹道参数。通过实施本发明的技术方案,采用虚拟靶面构建技术,实现了非接触测量弹丸着靶坐标,弥补了实物靶无法进行大仰角射击的不足；通过动态标定技术,建立靶面坐标系,大幅提高数据精度。(The invention discloses a method and a device for testing shot coordinates for acquiring a gun jump angle, wherein the method comprises the following steps: establishing a target area; calibrating an aerial target of a target area; establishing a virtual target surface according to the calibration data; and determining the parameters of the virtual target trajectory of the projectile according to the position of the projectile passing through the virtual target surface. The device comprises: the preprocessing module is used for establishing a target area; the calibration module is used for calibrating the aerial target in the target area; the target building module is used for building a virtual target surface according to the calibration data; and the data acquisition module is used for determining the parameters of the virtual target trajectory of the projectile according to the position of the projectile passing through the virtual target surface. By implementing the technical scheme of the invention and adopting a virtual target surface construction technology, the pellet landing coordinates are measured in a non-contact manner, and the defect that a physical target cannot be shot at a large elevation angle is overcome; and a target surface coordinate system is established by a dynamic calibration technology, so that the data precision is greatly improved.)

用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法及装置

技术领域

本发明涉及弹丸坐标系技术领域，具体涉及一种用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法及装置。

背景技术

弹丸出炮口时的初速矢量线与未发射时身管的理论轴线(炮尾中心与炮口中心连线)的夹角称为跳角。跳角是由发射过程中火炮身管的振动及角变位、弹丸质量偏心、身管的弯曲等原因引起的。跳角是射角的主要组成部分，跳角是否准确，直接决定弹道计算与所编射表的精度，进而影响武器的射击准确度。

目前，我国身管类武器跳角主要从专门的平射跳角试验获取，在露天采用区截装置配合跳角靶的试验方式。跳角靶一般由木质框架与马粪纸制成，用于测量弹丸飞行0.1s左右的三维坐标。区截装置配合计时仪测量弹丸飞过某段距离所用时间，计算得到弹道平均速度(实际上是弹道中点速度)。试验时在距炮口50米～200米设立跳角靶，在炮口和跳角靶间等距离成对布设区截装置。火炮采用水平射击方式，每发射击前在靶框上铺设靶纸，并划十字线作为瞄准中心，建立坐标系，通过击针孔、炮口十字线瞄准跳角靶十字线，射击时，弹丸穿过区截装置，触发计时仪通断信号，并在靶纸上留下弹孔，射击后，测量记录靶纸弹孔坐标、每对区截装置间距与弹丸飞行时间。每发射击都需更换靶纸、瞄准标定。在真空弹道理论下，考虑弹道下降量，利用试验获取的跳角靶弹孔坐标平均值和弹道平均速度计算出跳角值。跳角计算公式如下：

式中：

Ω_z、Ω_y——铅直试验跳角和水平试验跳角，rad；

——弹丸由炮口到跳角靶间的平均速度，m/s；

g——重力加速度，取试验场当地值，m/s²；

x_t、Δy、Δz——跳角靶至炮口的距离、弹孔竖、横坐标，m。

在确定射程试验项目使用火炮的跳角时，射击3组，每组(5+1)发；确定表定跳角(该型火炮母体的跳角期望值)时，需要3门火炮，每门火炮射击3组，每组(5+1)发。

采用区截装置与跳角靶配合测试获取跳角的试验方法，已经沿用60余年，无论是理论支撑上还是工程实施上都存在不足，严重滞后于现代射表编拟与靶场试验技术的发展，主要表现在以下几个方面。

1.跳角的近似应用存在大误差

弹道校模是射表编拟关键环节，校模中如果射角、射向不准，所获基础参数就会产生误差，影响校模效果，降低弹道仿真或射表编拟精度。因此准确获取射角、射向是射表试验的基本要求，是保证射表编拟质量的前提条件。但由于射程试验通常为仰射弹道，受空中弹丸坐标测试手段与精度的限制，无法直接获取跳角，所以必须使用射程试验的火炮进行专门的平射跳角项目。一般情况下，本炮跳角试验射击3组，每组5发。忽略本门火炮跳角的平射仰射差异，利用平射跳角计算射程试验的射角、射向。跳角形成受多种因素影响，既具有系统性又具有很强的随机特性，不同火炮、同一火炮不同寿命阶段、不同弹重、不同初速、不同射击条件引起的跳角不同，以特定条件下的专门试验跳角来修正所有射击状态的射角，会带来不同程度的误差。在射表编拟中，射程试验与跳角试验分开进行，两类试验，不同发射状态，不同弹药的数据混合使用不配套。在部队使用中，以平射的表定跳角代替全射界跳角，存在误差。跳角的系统性偏差，会降低弹道校模仿真与射表编拟精度，也会显著降低火炮射击精度或首发命中概率。特别是对低伸弹道性能影响显著，在千米距离上，1mil(3.6′)的跳角即可产生1m的高低误差。

2.现行方法弹药消耗大

目前外弹道试验中，依赖专门的跳角试验，打出火炮弹药的初始速度方向变化规律，而后依据这一变化规律对外弹道试验中的仰角、方向进行修正。因此，弹道仿真中只要是关心射角与射程对应关系，就必须进行附加的跳角试验。由于跳角具有很强的随机特性，不同的火炮跳角不同，同门火炮射击不同弹药跳角不同，同门火炮同种弹药不同射击状态跳角也不同，因此为了打出这种“规律”(仅仅是平射状态)，专门的跳角试验消耗很大，一种武器、一种弹药、一个装药号进行表定跳角试验需要弹药60余发，进行本炮跳角试验也得耗弹20发，单装药射表试验用弹消耗百余发，其中跳角占40％以上，而多装药弹药射表试验，跳角弹药消耗量基本占射表试验用弹量的1/3。

3.试验周期长风险高

跳角试验中需要逐发立靶、补靶、标定火炮等复杂操作，每组射击都要重新架炮、稳炮，每天至多射击3组。由于弹道低伸，着角小，出现跳弹，弹着点不集中，通常散落在3-10km范围内，未爆弹药的寻找与销毁难度大，即便投入大量人力物力与时间，也未必能够清理干净，存在安全隐患。

用专门的平射跳角试验结果代替火炮全射界跳角存在明显不足，这一落后作法的根本原因是无法准确测量仰射时的弹丸空间坐标，因此，本行业急需一种解决上述技术缺陷的技术方案。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法，包括：

建立目标区域；

对目标区域的空中靶标进行标定；

根据标定数据，建立虚拟靶面；

根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶弹道参数。

进一步的，所述建立目标区域，具体包括：

根据给定的射击初始诸元(λ₀)进行调炮；

将空中标定靶标悬停至预设目标区域。

进一步的，所述对目标区域的空中靶标进行标定，具体包括：

采用两台高帧频光电经纬仪连续拍摄空中靶标，形成外标定图像序列；

采用放置在身管内的炮尾标定摄像仪连续拍摄空中靶标，形成内标定图像序列。进一步的，所述根据标定数据，建立虚拟靶面，具体包括：

选取一幅清晰的内标定图像，作为内标定基准帧，处理出该帧图像上的炮口圆中心o’；

根据内标定基准帧的绝对时间选取对应的外标定图像帧，对两台经纬仪外标定图像帧的数据交会处理，得到空中靶标上各标志点的坐标；

根据内标定基准帧上炮口圆中心与空中靶标各标志点的相对关系，得到炮口圆中心投影点o’坐标；

根据炮口圆中心投影点坐标与射向，建立垂直于射向的虚拟靶面，在靶面上建立以炮口圆中心投影点为原点，水平方向为横轴，铅垂方向为竖轴的靶面坐标系。

进一步的，所述根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶弹道参数，具体包括：

根据建立虚拟靶面，确定靶面至炮口距离为x_t；

零时启动，测初速度V₀；

根据弹丸穿过虚拟靶面时质心位置，得到弹丸着靶点c和绝对时间。

进一步的，还包括：

计算点c对点o’的相对坐标(Δy,Δz)，着靶时间t'。

本发明还公开一种终端装置，包括：

预处理模块，用于建立目标区域；

标定模块，用于对目标区域的空中靶标进行标定；

建靶模块，用于根据标定数据，建立虚拟靶面；

数采模块，用于根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶弹道参数。

进一步的，还包括：

计算模块，用于计算点c对点o’的相对坐标(Δy,Δz)，着靶时间t'。

进一步的，所述标定模块包括：

坐标测量设备，至少两台高帧频光电经纬仪进行连续拍摄空中靶标；

专用标定装置炮尾标定摄像仪，用于通过身管连续拍摄空中靶标。

进一步的，所述坐标测量设备的拍摄帧频≥500帧/秒。

有益效果：

通过实施本发明的技术方案，采用虚拟靶面构建技术，实现了非接触测量弹丸着靶坐标，弥补了实物靶无法进行大仰角射击的不足；通过动态标定技术，确定火炮身管轴线延长线与靶面交点为坐标系原点，建立靶面坐标系，大幅提高数据精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试装置的立靶射击示意图；

图2为本申请用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试装置的坐标测量设备拍摄示意图；

图3为本申请用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试装置的炮尾标定摄像仪拍摄示意图；

图4为本申请用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法的流程示意图；

图5为本申请用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试装置的结构示意图。

图例：1.坐标测量设备；2.炮尾标定摄像仪；11.预处理模块；12.标定模块；13.建靶模块；14.数采模块；100.装置。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

直接测炮口坐标(炮位基点、回转中心、俯仰中心身管长度)、初始段弹道坐标涉及误差源多，难以保证精度。如果垂直于射击面立靶，以火炮身管理论轴线与靶面交点为中心，建立靶面坐标系，通过射弹前后图像辨识、比对、判读的方法测弹丸着靶坐标，许多误差源得以消除，大幅提高数据精度，如图1所示，o为炮口，o’为身管理论轴线延长线与靶面交点，c为实际着靶点。但对于大仰角射击时，实际立靶不现实，需要建立虚拟靶面。

如图4所示，本发明一种用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法，具体包括以下步骤：

S100：建立目标区域。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施例中，建立目标区域，具体包括：

根据给定的射击初始诸元(λ₀)用瞄准镜、光学象限仪调炮；

将空中标定靶标悬停至预设目标区域。要求从炮尾通过身管应能够看到靶标。

目标区域为弹丸飞行0.4s左右。

S200：对目标区域的空中靶标进行标定。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施例中，对目标区域的空中靶标进行标定，具体包括：

采用两台高帧频光电经纬仪连续拍摄空中标定靶标，形成外标定图像序列；

采用放置在身管内的炮尾标定摄像仪连续拍摄空中标定靶标，形成内标定图像序列。

S300：根据标定数据，建立虚拟靶面。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施例中，根据标定数据，建立虚拟靶面，具体包括：

选取一幅清晰的内标定图像，作为内标定基准帧，处理出该帧图像上的炮口圆中心o’；

根据内标定基准帧的绝对时间选取对应的外标定图像帧，对两台经纬仪外标定图像帧的数据交会处理，得到空中靶标上各标志点的坐标；

根据内标定基准帧上炮口圆中心与空中靶标各标志点的相对关系，得到炮口圆中心投影点o’坐标；

根据炮口圆中心投影点坐标与射向，建立垂直于射向的虚拟靶面，在靶面上建立以炮口圆中心投影点为原点，水平方向为横轴，铅垂方向为竖轴的靶面坐标系。

S400：根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶弹道参数。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施例中，根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶弹道参数，具体包括：

根据建立虚拟靶面，确定靶面至炮口距离为x_t；

零时启动，测初速度V₀；

根据弹丸穿过虚拟靶面时质心位置，得到弹丸着靶点c和绝对时间。

本发明还包括：

S500：计算点c对点o’的相对坐标(Δy,Δz)，着靶时间t'。

以上为本申请实施例提供的用于火炮跳角获取的弹丸坐标测试方法，基于同样的思路，本申请实施例还提供一种终端装置100，如图5所示。

一种终端装置100，包括：

预处理模块11，用于建立目标区域；

标定模块12，用于对目标区域的空中靶标进行标定；

建靶模块13，用于根据标定数据，建立虚拟靶面；

数采模块14，用于根据弹丸穿过虚拟靶面的位置，确定弹丸着虚拟靶坐标。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，预处理模块11，用于建立目标区域，具体用于：

根据给定的射击初始诸元(λ₀)用瞄准镜、光学象限仪调炮；

将空中标定靶标悬停至预设目标区域。要求从炮尾通过身管应能够看到靶标。

进一步的，标定模块12，用于对目标区域的空中靶标进行标定，如图2、图3所示，包括：

坐标测量设备1，至少两台坐标测量设备进行连续拍摄空中靶标，本实施例中，坐标测量设备1对称设置在火炮侧后方。坐标测量设备1为高帧频光电经纬仪。布设在火炮侧后方的两台光电经纬仪，以固定等待方式连续拍摄空中靶标。通过两台光电经纬仪交会，可以得到炮尾标定摄像仪2拍摄时刻空中靶标上各标志点的坐标，以此建立虚拟靶面。

专用标定装置炮尾标定摄像仪2，用于通过身管连续拍摄空中靶标。

专用标定装置包括空中标定靶标和炮尾标定摄像仪2，空中标定靶标利用旋翼式无人机作为空中承载平台，在无人机上加装标定架与标定灯组，主要用于提供距炮口约200m-400m处的空中参考点，为测试设备和炮尾标定摄像仪提供标定基准。炮尾标定摄像仪由CCD相机、采集计算机、时统卡、火炮标定软件及与火炮身管匹配的卡具等组成。采用内窥成像式结构置于炮管尾部，对炮口、空中标定靶标进行拍摄，用于标定空中瞄准位置。

用炮尾标定摄像仪通过身管拍摄空中靶标，形成内标定图像序列，用两台高帧频光电经纬仪连续拍摄空中靶标，形成外标定图像序列，要求各设备具有时统卡，拍摄基本同步，光电经纬仪帧频不低于500帧/秒。

进一步的，建靶模块13，用于根据标定数据，建立虚拟靶面，具体用于：

选取一幅清晰的内标定图像，作为内标定基准帧，处理出该帧图像上的炮口圆中心o’，o’即为身管理论轴线延长线与虚拟靶面的交点；

根据内标定基准帧的绝对时间选取对应的外标定图像帧，对两台经纬仪外标定图像帧的数据交会处理，得到空中靶标上各标志点的坐标；

根据内标定基准帧上炮口圆中心与空中靶标各标志点的相对关系，利用炮尾标定摄像仪图像判读系统得到炮口圆中心投影点o’坐标；

根据炮口圆中心投影点坐标与射向，建立垂直于射向的虚拟靶面，在靶面上建立以炮口圆中心投影点为原点，水平方向为横轴，铅垂方向为竖轴的靶面坐标系。

进一步的，数采模块14，具体包括：

装填弹药，调炮，发射；

同时启动炮口零时设备，采用初速雷达测初速度V₀，光电经纬仪拍摄；

通过视景仿真成像技术、图像辨识技术、图像比对与位置匹配技术，准确判读弹丸穿过虚拟靶面时质心位置，得到弹丸着点c；

根据建立虚拟靶面，计算靶面至炮口距离为x_t。

一种终端装置100，还包括：

计算模块15，用于计算点c对点o’的相对坐标(Δy,Δz)，着靶时间t'。

通过实施本发明的技术方案，采用虚拟靶面构建技术，实现了非接触测量弹丸着靶坐标，弥补了实物靶无法进行大仰角射击的不足；通过动态标定技术，确定火炮身管轴线延长线与靶面交点为坐标系原点，建立靶面坐标系，大幅提高数据精度。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。