快速捕獲飛行器慣組棱鏡初始方位的地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

高明杰，李發(fā)動(dòng)，宋小艷，狄世超，王 超

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

目前基于運(yùn)載火箭箭上棱鏡的瞄準(zhǔn)工作，主要分為1 次粗瞄和3 次精瞄。粗瞄一般在箭體吊裝后進(jìn)行，采用方位轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射臺(tái)并主動(dòng)調(diào)整瞄準(zhǔn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)；第1次精瞄一般在箭體負(fù)載（衛(wèi)星或飛行器等）安裝完成后進(jìn)行，同樣采用方位轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射臺(tái)并主動(dòng)調(diào)整瞄準(zhǔn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)；第2 次精瞄一般在箭體加注后進(jìn)行，第3次精瞄在臨近發(fā)射前進(jìn)行，后兩次精瞄主要通過(guò)主動(dòng)調(diào)整瞄準(zhǔn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)射臺(tái)不再轉(zhuǎn)動(dòng)或者以有限小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射臺(tái)為輔。

本文提出的地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，用于快速捕獲飛行器捷聯(lián)慣組棱鏡初始方位，該飛行器采用運(yùn)載火箭作為載體，飛行前的地面瞄準(zhǔn)工作分為兩部分：基于運(yùn)載火箭慣組棱鏡的瞄準(zhǔn)及基于飛行器慣組棱鏡的瞄準(zhǔn)。并且要求先展開(kāi)箭體瞄準(zhǔn)，后展開(kāi)飛行器瞄準(zhǔn)工作。

1 需求分析

由于先展開(kāi)箭體瞄準(zhǔn)，后展開(kāi)飛行器瞄準(zhǔn)工作，且箭體瞄準(zhǔn)會(huì)根據(jù)情況依托方位轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此不僅箭體隨風(fēng)擺的運(yùn)動(dòng)及日照、加注等造成的變形，將1∶1 傳遞給飛行器慣組棱鏡，造成慣組棱鏡方位角變化，同時(shí)先行展開(kāi)的箭體瞄準(zhǔn)若方位轉(zhuǎn)動(dòng)了發(fā)射臺(tái)，也將帶來(lái)飛行器慣組棱鏡方位角度的變化。對(duì)飛行器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，具有如下需求：

a）棱鏡初始方位捕捉范圍大，為同類基于運(yùn)載火箭慣組棱鏡瞄準(zhǔn)范圍的5 倍左右；b）飛行器每次瞄準(zhǔn)工作不可轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射臺(tái)，完全需要瞄準(zhǔn)設(shè)備在較大范圍內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)搜索捕獲目標(biāo)棱鏡；c）在保證高精度高可靠的前提下，提出了快速性的要求，若方位變化較大，超出瞄準(zhǔn)敏區(qū)或橫向平移裝置的范圍，需要重新快速調(diào)整瞄準(zhǔn)設(shè)備捕獲飛行器棱鏡，使瞄準(zhǔn)儀與飛行器棱鏡準(zhǔn)直。

2 系統(tǒng)總體方案

針對(duì)飛行器慣組棱鏡地面瞄準(zhǔn)的新特點(diǎn)，設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)標(biāo)尺上與瞄準(zhǔn)平移裝置相適應(yīng)的系列瞄準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)設(shè)備對(duì)箭體變形的快速定位，提高對(duì)慣組棱鏡橫向捕獲及跟蹤的適應(yīng)性、快速性及準(zhǔn)確性；采用快速捕捉飛行器棱鏡初始方位的方法，解決在棱鏡初始方位偏差覆蓋的區(qū)域內(nèi)選擇合適的瞄準(zhǔn)點(diǎn)的問(wèn)題，提高地面瞄準(zhǔn)的快速性、準(zhǔn)確性、安全性及可靠性；采用擴(kuò)大瞄準(zhǔn)測(cè)角敏區(qū)的擴(kuò)束裝置，解決風(fēng)晃環(huán)境下對(duì)瞄準(zhǔn)儀有大工作敏區(qū)需求的問(wèn)題，提高風(fēng)晃環(huán)境下捕獲返回光束的快速性，縮短了瞄準(zhǔn)時(shí)間；采用瞄準(zhǔn)控制器，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、解算及數(shù)據(jù)上傳，提高了瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集解算傳遞的準(zhǔn)確性及快速性。

3 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 適應(yīng)大范圍瞄準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

發(fā)射場(chǎng)配置如圖1 所示。1#、2#、3#為運(yùn)載器瞄準(zhǔn)所用的發(fā)射點(diǎn)、瞄準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)；4#為飛行器的瞄準(zhǔn)點(diǎn)，4#的瞄準(zhǔn)點(diǎn)是指在瞄準(zhǔn)基線上每隔300 mm 建一個(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)共建31 個(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的總稱，瞄準(zhǔn)點(diǎn)號(hào)為A-15，…，A-1，A0，A+1，…，A+15；5#為飛行器的基準(zhǔn)點(diǎn)，建在飛行器慣組棱鏡理論法線上，4#的瞄準(zhǔn)點(diǎn)A0 建在發(fā)射點(diǎn)與5#基準(zhǔn)點(diǎn)的連線方向上，瞄準(zhǔn)基線垂直于發(fā)射點(diǎn)與瞄準(zhǔn)點(diǎn)A0 的連線，瞄準(zhǔn)基線上瞄準(zhǔn)點(diǎn)A0 左右兩側(cè)各建15 個(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)。

圖1 瞄準(zhǔn)點(diǎn)配置Fig.1 Aiming Point Configuration Diagram

該瞄準(zhǔn)標(biāo)尺覆蓋慣組棱鏡方位范圍為±104′，每?jī)蓚€(gè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)之間間隔為300 mm，瞄準(zhǔn)設(shè)備中高精度橫向平移裝置有效平移量為400 mm，瞄準(zhǔn)標(biāo)尺上的瞄準(zhǔn)點(diǎn)與瞄準(zhǔn)平移裝置相匹配。

具體指標(biāo)如下：

a）4#、1#水平距離為(140±2) m；

b）4#瞄準(zhǔn)點(diǎn)中A0 與5#水平距離不小于75 m；

c）4#各點(diǎn)至5#基準(zhǔn)點(diǎn)連線的方位角大地測(cè)量誤差不大于4″（2.7σ）。

3.2 捕獲棱鏡初始方位的地面瞄準(zhǔn)方法

a）加注前粗瞄。

對(duì)火箭慣組棱鏡的粗瞄完成后，對(duì)飛行器慣組棱鏡粗瞄，此時(shí)發(fā)射臺(tái)不可再回轉(zhuǎn)。具體流程如下：

1）在發(fā)射場(chǎng)的活動(dòng)瞄準(zhǔn)間理論位置處，利用激光粗瞄器向慣組棱鏡發(fā)出一束粗瞄光束，根據(jù)慣組棱鏡返回光束位置確定活動(dòng)瞄準(zhǔn)間的位置，并進(jìn)一步確定平移裝置架設(shè)的中心位置。

2）確定激光光電瞄準(zhǔn)儀平移裝置的架設(shè)點(diǎn)后，在平移裝置上架設(shè)激光光電瞄準(zhǔn)儀，激光光電瞄準(zhǔn)儀與瞄準(zhǔn)基線上的瞄準(zhǔn)點(diǎn)精確對(duì)心后，記錄瞄準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)并目視瞄準(zhǔn)標(biāo)桿儀，方位角清零，將基準(zhǔn)線A的大地方位信息Φ傳遞到瞄準(zhǔn)設(shè)備上，瞄準(zhǔn)控制器根據(jù)瞄準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)選取基準(zhǔn)線A的大地方位信息Φ。當(dāng)需要在瞄準(zhǔn)基線上移動(dòng)瞄準(zhǔn)儀平移裝置的架設(shè)位置時(shí)，需重新確定瞄準(zhǔn)點(diǎn)，記錄點(diǎn)號(hào)并與標(biāo)桿儀進(jìn)行目視光學(xué)準(zhǔn)直，方位角清零，瞄準(zhǔn)控制器重新根據(jù)瞄準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)選取基準(zhǔn)線A的大地方位信息Φ。

3）激光光電瞄準(zhǔn)儀與基準(zhǔn)標(biāo)桿儀準(zhǔn)直后，將方位角清零，轉(zhuǎn)動(dòng)瞄準(zhǔn)儀方位，并裝訂適當(dāng)?shù)母┭鼋?，使其望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并判斷光點(diǎn)擺動(dòng)中心，通過(guò)平行移動(dòng)平移裝置和方位微動(dòng)瞄準(zhǔn)儀，使得返回激光能夠進(jìn)入瞄準(zhǔn)儀視場(chǎng)內(nèi)，進(jìn)而使得返回的激光光點(diǎn)與目鏡十字絲重合，實(shí)現(xiàn)與慣組棱鏡的準(zhǔn)直。獲取準(zhǔn)直時(shí)激光光電瞄準(zhǔn)儀的方位角度和瞄準(zhǔn)儀仰角，并將其貯存到瞄準(zhǔn)控制器上。

b）加注后粗瞄。

在火箭加注后的箭體精瞄后進(jìn)行，此時(shí)視慣組棱鏡方位角與加注前相比的變化選擇以下操作：

1）方位變化小于3′，目視觀察返回激光的位置并根據(jù)目視判斷光點(diǎn)在激光瞄準(zhǔn)儀目視視場(chǎng)內(nèi)的擺動(dòng)情況，通過(guò)平行移動(dòng)平移裝置和方位微動(dòng)瞄準(zhǔn)儀，使激光光電瞄準(zhǔn)儀與捷聯(lián)慣組棱鏡準(zhǔn)直。

2）若方位變化超出±3′，不超出±18′，搬動(dòng)平移裝置，在瞄準(zhǔn)基線上重新選擇平移裝置架設(shè)的中心位置。架設(shè)激光光電瞄準(zhǔn)儀，重新獲取基準(zhǔn)方位；激光光電瞄準(zhǔn)儀獲取基準(zhǔn)方位后，方位角清零，轉(zhuǎn)動(dòng)瞄準(zhǔn)儀方位，并裝訂適當(dāng)?shù)母┭鼋牵蛊渫h(yuǎn)鏡照準(zhǔn)慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并根據(jù)目視判斷光點(diǎn)在激光瞄準(zhǔn)儀目視視場(chǎng)內(nèi)的擺動(dòng)情況，通過(guò)平行移動(dòng)平移裝置和方位微動(dòng)瞄準(zhǔn)儀，使激光光電瞄準(zhǔn)儀與捷聯(lián)慣組棱鏡準(zhǔn)直。

3）若方位變化超出±18′，則重新確定活動(dòng)瞄準(zhǔn)間的位置。瞄準(zhǔn)間位置確定、平移裝置架設(shè)后，激光光電瞄準(zhǔn)儀重新獲取基準(zhǔn)方位，激光光電瞄準(zhǔn)儀獲取基準(zhǔn)方位后，方位角清零，轉(zhuǎn)動(dòng)瞄準(zhǔn)儀方位，并裝訂適當(dāng)?shù)母┭鼋?，使其望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并根據(jù)目視判斷光點(diǎn)在激光瞄準(zhǔn)儀目視視場(chǎng)內(nèi)的擺動(dòng)情況，通過(guò)平行移動(dòng)平移裝置和方位微動(dòng)瞄準(zhǔn)儀，使激光光電瞄準(zhǔn)儀與捷聯(lián)慣組棱鏡準(zhǔn)直，獲取準(zhǔn)直時(shí)激光光電瞄準(zhǔn)儀的方位角度和瞄準(zhǔn)儀仰角，并將更新后貯存到瞄準(zhǔn)控制器上。

c）加注后精瞄。

經(jīng)過(guò)加注粗瞄后，激光光電瞄準(zhǔn)儀的平移裝置不再進(jìn)行重新架設(shè)。在精瞄階段只考慮風(fēng)擺造成的火箭晃動(dòng)動(dòng)態(tài)偏移。精瞄階段，瞄準(zhǔn)設(shè)備向控制系統(tǒng)傳遞慣組棱鏡法線信息。轉(zhuǎn)動(dòng)激光瞄準(zhǔn)儀方位，將望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并判斷光點(diǎn)擺動(dòng)中心，微動(dòng)激光瞄準(zhǔn)儀方位，使得返回的激光光點(diǎn)擺動(dòng)中心與目鏡十字絲重合。瞄準(zhǔn)設(shè)備工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 瞄準(zhǔn)設(shè)備工作流程Fig.2 Aiming Device Workflow Diagram

3.3 擴(kuò)大瞄準(zhǔn)測(cè)角敏區(qū)

瞄準(zhǔn)敏區(qū)2（即±）是指目標(biāo)棱鏡方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電瞄準(zhǔn)儀獲得瞄準(zhǔn)信息的角度范圍。擴(kuò)大瞄準(zhǔn)敏區(qū)，有利于風(fēng)晃環(huán)境下快速捕獲返回光束，縮短瞄準(zhǔn)時(shí)間。瞄準(zhǔn)敏區(qū)2取決于箭上棱鏡的面積（一般用它的寬度表示）、瞄準(zhǔn)距離、物鏡口徑。其計(jì)算公式為

根據(jù)上述計(jì)算公式可知，在箭上棱鏡的寬度、瞄準(zhǔn)距離、瞄準(zhǔn)仰角已經(jīng)確定的情況下，擴(kuò)大瞄準(zhǔn)敏區(qū)的唯一辦法就是加大光電準(zhǔn)直管的物鏡通光口徑。根據(jù)光學(xué)瞄準(zhǔn)儀的物鏡通光口徑、設(shè)備體積與質(zhì)量的比例關(guān)系，若物鏡口徑增加一倍，則儀器質(zhì)量為原來(lái)的8 倍，給制造、運(yùn)輸和使用帶來(lái)困難，這就限制了直接通過(guò)加大物鏡通光口徑的途徑來(lái)擴(kuò)大瞄準(zhǔn)敏區(qū)。

a）準(zhǔn)直工作敏區(qū)。

瞄準(zhǔn)儀口徑，敏區(qū)與瞄準(zhǔn)距離的關(guān)系方程為

激光瞄準(zhǔn)儀口徑為Φ52 mm，在準(zhǔn)直距離150 m 時(shí)：=1/2arctan(52/150000)=36″。

因此，瞄準(zhǔn)儀口徑選用Φ52 mm 時(shí)，工作敏區(qū)僅能做到±36″。

b）風(fēng)擺條件下對(duì)準(zhǔn)直工作敏區(qū)的需求。

火箭高度為40 m，火箭的最大晃動(dòng)幅度±37.5 mm，帶來(lái)棱鏡不水平度變化為arctan(37.5/40000)=±3.23′，瞄準(zhǔn)時(shí)仰角為15.5°，由此造成的方位偏角變化最大約為tan15.5°×(±3.23′)×60″=±54″。因此激光瞄準(zhǔn)儀工作敏區(qū)需大于±54″才能夠保證精瞄時(shí)不會(huì)由于慣組棱鏡晃動(dòng)而使返回光點(diǎn)超出瞄準(zhǔn)儀工作敏區(qū)。

c）增加擴(kuò)束裝置。

圖3 為擴(kuò)束棱鏡光斑示意，通過(guò)擴(kuò)大出口光斑寬度的途徑來(lái)擴(kuò)大瞄準(zhǔn)敏區(qū)。即在物鏡口安裝擴(kuò)束裝置，將原出口光斑直徑由Φ52 mm 變?yōu)槿鐖D3 所示寬度為104 mm 的光斑。加擴(kuò)束裝置后目視準(zhǔn)直工作敏區(qū)為±72″（棱鏡長(zhǎng)度大于 104 mm 時(shí)），計(jì)算如下：=1/2arctan(104/150000)=72″。

圖3 擴(kuò)束棱鏡光斑示意Fig.3 Schematic Diagram of Spot with Beam Expanding Prism

實(shí)際棱鏡有效長(zhǎng)度為72 mm 時(shí)，加擴(kuò)束裝置后目視 準(zhǔn) 直 工 作 敏 區(qū) 為± 60 ″ ， 計(jì) 算 如 下：=1/2arctan((52+36)/150000)=60″。

因此增加擴(kuò)束裝置后激光瞄準(zhǔn)儀的準(zhǔn)直工作敏區(qū)滿足風(fēng)擺條件下工作敏區(qū)大于±54″的需求。

d）平移敏區(qū)。

當(dāng)火箭加注、日照變形，或者風(fēng)擺時(shí)，慣組棱鏡的運(yùn)動(dòng)可以分解為在垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)和水平面內(nèi)的平移，因此，瞄準(zhǔn)儀需要適應(yīng)火箭一定量的平移，稱之為瞄準(zhǔn)儀的平移敏區(qū)。平移敏區(qū)受激光瞄準(zhǔn)儀口徑，慣組棱鏡寬度，慣組棱鏡最小有效寬度△約束，關(guān)系公式為

瞄準(zhǔn)儀口徑Φ52 mm，慣組棱鏡寬度72 mm，△取經(jīng)驗(yàn)值20 mm，則=84 mm。即平移敏區(qū)±42 mm。

瞄準(zhǔn)時(shí)火箭的最大晃動(dòng)幅度±37.5mm。因此，瞄準(zhǔn)儀平移敏區(qū)±42 mm 能夠滿足火箭風(fēng)晃下的精瞄。

3.4 瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)解算及傳遞

通過(guò)瞄準(zhǔn)控制器顯示屏上的流程控制命令引導(dǎo)操作手完成各項(xiàng)瞄準(zhǔn)操作，接收測(cè)發(fā)控指令和瞄準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)，完成瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、解算及瞄準(zhǔn)結(jié)果長(zhǎng)距離自動(dòng)上傳。操作時(shí)序見(jiàn)圖4。

圖4 操作時(shí)序Fig.4 Sequence Diagram

4 實(shí)施效果

快速捕捉飛行器慣組棱鏡初始方位的地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，已經(jīng)完成多次試驗(yàn)任務(wù)，工作敏區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，敏區(qū)可達(dá)到±77″，滿足工作敏區(qū)大于±54″的需求；瞄準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，功能、性能均滿足指標(biāo)要求。

表1 工作敏區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of Work-sensitive Zone Test

表2 瞄準(zhǔn)試驗(yàn)匯總Tab.2 Result of Aiming Data Test

5 結(jié)束語(yǔ)

快速捕獲飛行器慣組棱鏡初始方位的地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射臺(tái)不可旋轉(zhuǎn)、目標(biāo)棱鏡方位變化范圍大、風(fēng)晃環(huán)境下的快速、準(zhǔn)確的瞄準(zhǔn)及瞄準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)解算上傳，其性能指標(biāo)已得到充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)功能、性能基本覆蓋目前運(yùn)載火箭瞄準(zhǔn)需求，采用的技術(shù)可推廣到基于捷聯(lián)慣組運(yùn)載火箭系列的地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中。