光學準直技術在火箭射向測量中的應用

王洪波 付崇偉 王俊衛 周靖軒

(1. 中國人民解放軍32023部隊,遼寧 大連, 116021; 2. 中國人民解放軍61365部隊, 天津, 300140;3. 中國人民解放軍61243部隊, 新疆 烏魯木齊, 830006)

0 引言

長征七號火箭是我國新一代中型運載火箭,在進入發射狀態時,粗大的箭體連同發射底座及整流罩的組合體高度近百米,用于射向瞄準的慣性器件位于箭體的頂端,超出經緯儀仰角測量范圍,在地面上采用常規的“三點(瞄準點、基準點、火箭慣性器件)直線式[1]”射向測量方法無法完成,需要采用新的方法完成火箭的射向測量工作。

自準直測量是基于經緯儀或全站儀的準直技術,以平面鏡或立方鏡的鏡面法線提供一條方位基準,用經緯儀或全站儀照準鏡面,合理設置儀器位置并調整其視準軸方向,使儀器的視準軸與鏡面的法線重合,則經緯儀或全站儀的視準軸方向即代表該方位基準[2],利用這項測量技術可以實現高精度的短邊方位傳遞和保存[3]。因此,本文針對長征七號火箭發射組合體,在地面無法實施射向瞄準測量的問題,提出應用光學準直測量技術,在火箭發射塔上建立自準直方位基準,以鏡面法線方位角為射向瞄準方位,采用光學準直的測量方法,將精確測量的方位角傳遞到火箭的控制系統慣性器件上,對其進行初始方位角對準[4],從而完成火箭發射前的射向測量工作。

1 光學準直測量方法

1.1 經緯儀對瞄十字絲測量法

根據光學原理,當望遠鏡焦距調至無窮遠時,所發出的是一束平行于主光軸的平行光,用兩臺相距不遠的望遠鏡互相瞄準,使其十字絲相互重合,即光軸重合或平行,則實現準直,兩主光軸就構成這兩臺儀器的方向,稱這種準直法為經緯儀對瞄法[5]。用該方法傳遞方位時,是采用望遠鏡十字絲直接作為測站和照準中心,因此測站點上不存在對中誤差。為了獲取經緯儀對瞄法十字絲的測角精度,進行了20個三角形閉合觀測試驗,使用菲列羅公式計算出測角中誤差為0.38″。

1.2 經緯儀外覘標測量法

外覘標自準直法是指在經緯儀或全站儀物鏡邊緣貼上外覘標,如圖1所示,將儀器概略安置在鏡面的法線方向,此時外覘標在平面鏡(立方鏡)中成像,調整儀器位置并對望遠鏡調焦使之能清晰地觀測到外覘標的像,微調螺旋使十字絲照準鏡中外覘標中心,盤左、盤右各觀測水平角、垂直角的平均值,此平均值表示的方位即代表了鏡面法線的方位基準[4-5]。在方位傳遞時,兩臺儀器都用Ⅰ面照準對方的望遠鏡,用第一臺精確瞄準第二臺儀器的外覘標,再用第二臺儀器精確瞄準第一臺儀器的外覘標,分別記錄水平角和垂直角;兩臺儀器同時轉到Ⅱ面,按Ⅰ面的方法再精確互瞄外覘標,并分別記錄水平角和垂直角;通過正倒鏡使照準中心與儀器中心方向一致,從而克服對中誤差。為了驗證經緯儀對瞄外覘標法的測角精度,進行了外覘標三角形閉合觀測試驗,共測量20個三角形閉合差,按照菲列羅公式計算出測角中誤差為0.85″。

圖1 外覘標測量示意圖

2 自準值方法建立火箭射向基準

由上文可知長征七號火箭箭體高大,射向測量無法在地面上完成,根據長征七號火箭發射瞄準技術要求,在發射塔內布設兩塊方位基準棱鏡和一塊方位檢查棱鏡建立自準直方位基準,鏡面和瞄準點位置關系如圖2所示,設置兩塊方位基準棱鏡目的是形成備用關系,發射瞄準時有更多選擇性;設置檢查棱鏡目的是使鏡面間形成方位檢核關系,便于發現鏡面方位變化。方位基準棱

圖2 火箭瞄準間基準棱鏡布設示意圖

鏡設置在射向方位的一側,是基于自準直技術的特點,射向的瞄準點在鏡面法線方向上移動,方位基準值不變[6],從而使射向的瞄準有更大的調整范圍。

在使用自準直原理的幾何測量工作中,多采用直角棱鏡作為反光鏡,其特點是具有雙反射鏡面,用于自準直測量的儀器架設高度不需要同鏡面高度一致[7]。由于鏡面的法線不是唯一、且相互平行,在鏡面范圍內即可實現自準直,測量時也不需要考慮儀器對中誤差的影響,從而儀器操作更方便。

3 方位基準傳遞測量

從圖2可知,自準直基準棱鏡布設完成后,需要對基準鏡面方位初始化。初始化方位基準就是確定鏡面法線方位的過程,針對每塊基準棱鏡均獨立布設測量路線,分別在控制點和瞄準點架設經緯儀,將室外建立的高精度方位基準傳遞到直角棱鏡的鏡面上[8]。在作業中分別采用經緯儀對瞄十字絲的測量方法和經緯儀對瞄外覘標的測量方法,這兩種測量方法操作步驟基本相同,方位傳遞測量路線如圖3所示,圖3中A為控制點、D為方位點。

圖3 基準棱鏡傳遞測量示意圖

測量時,首先在A、B、C各點設置儀器,且儀器望遠鏡調焦至無窮遠處;再按照A點、B點、C點的順序依次轉動照準部,觀測儀器的十字絲或外覘標,逐站傳遞方位,取各轉折角的上、下半測回中數作為一測回結果,并以此計算最后邊的方位角。左、右角各一個測回的聯測,構成一個循環對瞄聯測,基準方位聯測共進行6個循環[5]。

4 測量數據比較和分析

文昌發射場是我國新建的濱海發射場,考慮地質結構和潮濕高溫自然環境對測量控制網及直角棱鏡的影響,從發射場投入使用開始,連續對射向控制網方位基準邊和布設在發射塔上的直角棱鏡方位進行觀測。作業中采用上述兩種測量方法,并對兩種測量方法進行了比較,本文取基準棱鏡1為例,具體情況如表1為所示。

表1 兩種方位傳遞測量方法比較表

表1中循環閉合差為左、右路線不符值,限差計算采用公式(1),一循環方位計算和方位角中誤差計算分別采用公式(2)和(3)，即

式中,m起為起始方位邊中誤差取0.5″;mβ轉折角度中誤差取1.5″;n為儀器設站個數取3;N為循環數取6,計算循環閉合差限差分別為11″,mC-鏡方位角測量中誤差為1.2″。

為了更好地反映出方位基準棱鏡的變化情況,將作業中對瞄十字絲法獲取的多期測量數據進行列表分析,表2中的數值為鏡面方位秒值變化統計。

表2 多次測量鏡面基準方位數據比較表 單位:(″)

從表1、表2中可以得出以下分析結果:

(1)采用外覘標自準直法測量結果與采用十字絲自準直法結果基本一致。引起差值主要原因有以下兩點:一是調焦誤差,采用經緯儀十字絲自準直法必須將焦距調焦至無窮遠處,而采用外覘標法需要調焦至二倍儀器與鏡面距離上,會產生調焦誤差[9];二是由于近距離較近,觀測員的照準誤差也產生較大影響。

(2)鏡面方位值整體比較穩定,三塊鏡面方位變化量和變化趨勢基本一致,控制點、發射塔建筑體及直角棱鏡整體穩定性較好,直角棱鏡同發射塔墻體結合緊密,無個體的突變情況,說明控制點、直角棱鏡布局合理,測量方法正確。

(3)除發射前后,多次測量可以發現鏡面方位的變化量較小,特別是在前3次的測量過程中,鏡面的方位變化量在1.0″左右,鏡面方位在發射前后產生較大變化,最大值為5.1″,通過測量能夠很好地反映出發射震動對鏡面方位的變化,說明基于自準直測量方法具有較高的精度。

5 結束語

本文針對長征七號火箭發射組合體,在發射塔上部建立射向瞄準方位的特點,提出基于自準直測量技術,分別采用經緯儀對瞄十字絲法和對瞄外覘標法進行測量應用,經過多期的作業觀測比較,兩種測量方法獲取的測量數據具有較好的一致性,方位角測量中誤差為1.2″,遠小于測量誤差5″的要求,精度指標完全滿足航天任務要求,并通過長征七號火箭成功發射,驗證了基于自準直技術的射向測量方法能服務于大火箭的航天發射任務。