快速捕獲飛行器慣組棱鏡初始方位的地面瞄準系統

2022-08-25 10:46:56高明杰李發動宋小艷狄世超

導彈與航天運載技術 2022年4期

高明杰，李發動，宋小艷，狄世超，王超

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引言

目前基于運載火箭箭上棱鏡的瞄準工作，主要分為1 次粗瞄和3 次精瞄。粗瞄一般在箭體吊裝后進行，采用方位轉動發射臺并主動調整瞄準設備來實現；第1次精瞄一般在箭體負載（衛星或飛行器等）安裝完成后進行，同樣采用方位轉動發射臺并主動調整瞄準設備來實現；第2 次精瞄一般在箭體加注后進行，第3次精瞄在臨近發射前進行，后兩次精瞄主要通過主動調整瞄準設備來實現，發射臺不再轉動或者以有限小范圍內轉動發射臺為輔。

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

1 需求分析

由于先展開箭體瞄準，后展開飛行器瞄準工作，且箭體瞄準會根據情況依托方位轉動發射臺來實現。因此不僅箭體隨風擺的運動及日照、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，同時先行展開的箭體瞄準若方位轉動了發射臺，也將帶來飛行器慣組棱鏡方位角度的變化。對飛行器瞄準系統，具有如下需求：

a）棱鏡初始方位捕捉范圍大，為同類基于運載火箭慣組棱鏡瞄準范圍的5 倍左右；b）飛行器每次瞄準工作不可轉動發射臺，完全需要瞄準設備在較大范圍內進行主動搜索捕獲目標棱鏡；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，超出瞄準敏區或橫向平移裝置的范圍，需要重新快速調整瞄準設備捕獲飛行器棱鏡，使瞄準儀與飛行器棱鏡準直。

2 系統總體方案

針對飛行器慣組棱鏡地面瞄準的新特點，設計瞄準標尺上與瞄準平移裝置相適應的系列瞄準點，實現瞄準設備對箭體變形的快速定位，提高對慣組棱鏡橫向捕獲及跟蹤的適應性、快速性及準確性；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域內選擇合適的瞄準點的問題，提高地面瞄準的快速性、準確性、安全性及可靠性；采用擴大瞄準測角敏區的擴束裝置，解決風晃環境下對瞄準儀有大工作敏區需求的問題，提高風晃環境下捕獲返回光束的快速性，縮短了瞄準時間；采用瞄準控制器，實現瞄準數據自動采集、解算及數據上傳，提高了瞄準數據采集解算傳遞的準確性及快速性。

3 技術的實現途徑

3.1 適應大范圍瞄準的瞄準點設置

發射場配置如圖1 所示。1#、2#、3#為運載器瞄準所用的發射點、瞄準點、基準點；4#為飛行器的瞄準點，4#的瞄準點是指在瞄準基線上每隔300 mm 建一個瞄準點共建31 個瞄準點的總稱，瞄準點號為A-15，…，A-1，A0，A+1，…，A+15；5#為飛行器的基準點，建在飛行器慣組棱鏡理論法線上，4#的瞄準點A0 建在發射點與5#基準點的連線方向上，瞄準基線垂直于發射點與瞄準點A0 的連線，瞄準基線上瞄準點A0 左右兩側各建15 個瞄準點。

圖1 瞄準點配置Fig.1 Aiming Point Configuration Diagram

該瞄準標尺覆蓋慣組棱鏡方位范圍為±104′，每兩個瞄準點之間間隔為300 mm，瞄準設備中高精度橫向平移裝置有效平移量為400 mm，瞄準標尺上的瞄準點與瞄準平移裝置相匹配。

具體指標如下：

a）4#、1#水平距離為(140±2) m；

b）4#瞄準點中A0 與5#水平距離不小于75 m；

c）4#各點至5#基準點連線的方位角大地測量誤差不大于4″（2.7σ）。

3.2 捕獲棱鏡初始方位的地面瞄準方法

a）加注前粗瞄。

對火箭慣組棱鏡的粗瞄完成后，對飛行器慣組棱鏡粗瞄，此時發射臺不可再回轉。具體流程如下：

1）在發射場的活動瞄準間理論位置處，利用激光粗瞄器向慣組棱鏡發出一束粗瞄光束，根據慣組棱鏡返回光束位置確定活動瞄準間的位置，并進一步確定平移裝置架設的中心位置。

2）確定激光光電瞄準儀平移裝置的架設點后，在平移裝置上架設激光光電瞄準儀，激光光電瞄準儀與瞄準基線上的瞄準點精確對心后，記錄瞄準點點號并目視瞄準標桿儀，方位角清零，將基準線A的大地方位信息Φ傳遞到瞄準設備上，瞄準控制器根據瞄準點點號選取基準線A的大地方位信息Φ。當需要在瞄準基線上移動瞄準儀平移裝置的架設位置時，需重新確定瞄準點，記錄點號并與標桿儀進行目視光學準直，方位角清零，瞄準控制器重新根據瞄準點點號選取基準線A的大地方位信息Φ。

3）激光光電瞄準儀與基準標桿儀準直后，將方位角清零，轉動瞄準儀方位，并裝訂適當的俯仰角，使其望遠鏡照準慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并判斷光點擺動中心，通過平行移動平移裝置和方位微動瞄準儀，使得返回激光能夠進入瞄準儀視場內，進而使得返回的激光光點與目鏡十字絲重合，實現與慣組棱鏡的準直。獲取準直時激光光電瞄準儀的方位角度和瞄準儀仰角，并將其貯存到瞄準控制器上。

b）加注后粗瞄。

在火箭加注后的箭體精瞄后進行，此時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目視判斷光點在激光瞄準儀目視視場內的擺動情況，通過平行移動平移裝置和方位微動瞄準儀，使激光光電瞄準儀與捷聯慣組棱鏡準直。

2）若方位變化超出±3′，不超出±18′，搬動平移裝置，在瞄準基線上重新選擇平移裝置架設的中心位置。架設激光光電瞄準儀，重新獲取基準方位；激光光電瞄準儀獲取基準方位后，方位角清零，轉動瞄準儀方位，并裝訂適當的俯仰角，使其望遠鏡照準慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并根據目視判斷光點在激光瞄準儀目視視場內的擺動情況，通過平行移動平移裝置和方位微動瞄準儀，使激光光電瞄準儀與捷聯慣組棱鏡準直。

3）若方位變化超出±18′，則重新確定活動瞄準間的位置。瞄準間位置確定、平移裝置架設后，激光光電瞄準儀重新獲取基準方位，激光光電瞄準儀獲取基準方位后，方位角清零，轉動瞄準儀方位，并裝訂適當的俯仰角，使其望遠鏡照準慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并根據目視判斷光點在激光瞄準儀目視視場內的擺動情況，通過平行移動平移裝置和方位微動瞄準儀，使激光光電瞄準儀與捷聯慣組棱鏡準直，獲取準直時激光光電瞄準儀的方位角度和瞄準儀仰角，并將更新后貯存到瞄準控制器上。

c）加注后精瞄。

經過加注粗瞄后，激光光電瞄準儀的平移裝置不再進行重新架設。在精瞄階段只考慮風擺造成的火箭晃動動態偏移。精瞄階段，瞄準設備向控制系統傳遞慣組棱鏡法線信息。轉動激光瞄準儀方位，將望遠鏡照準慣組棱鏡，目視觀察返回激光的位置并判斷光點擺動中心，微動激光瞄準儀方位，使得返回的激光光點擺動中心與目鏡十字絲重合。瞄準設備工作流程見圖2。

圖2 瞄準設備工作流程Fig.2 Aiming Device Workflow Diagram

3.3 擴大瞄準測角敏區

瞄準敏區2（即±）是指目標棱鏡方位轉動時，光電瞄準儀獲得瞄準信息的角度范圍。擴大瞄準敏區，有利于風晃環境下快速捕獲返回光束，縮短瞄準時間。瞄準敏區2取決于箭上棱鏡的面積（一般用它的寬度表示）、瞄準距離、物鏡口徑。其計算公式為

根據上述計算公式可知，在箭上棱鏡的寬度、瞄準距離、瞄準仰角已經確定的情況下，擴大瞄準敏區的唯一辦法就是加大光電準直管的物鏡通光口徑。根據光學瞄準儀的物鏡通光口徑、設備體積與質量的比例關系，若物鏡口徑增加一倍，則儀器質量為原來的8 倍，給制造、運輸和使用帶來困難，這就限制了直接通過加大物鏡通光口徑的途徑來擴大瞄準敏區。

a）準直工作敏區。

瞄準儀口徑，敏區與瞄準距離的關系方程為

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

因此，瞄準儀口徑選用Φ52 mm 時，工作敏區僅能做到±36″。

b）風擺條件下對準直工作敏區的需求。

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

c）增加擴束裝置。

圖3 為擴束棱鏡光斑示意，通過擴大出口光斑寬度的途徑來擴大瞄準敏區。即在物鏡口安裝擴束裝置，將原出口光斑直徑由Φ52 mm 變為如圖3 所示寬度為104 mm 的光斑。加擴束裝置后目視準直工作敏區為±72″（棱鏡長度大于 104 mm 時），計算如下：=1/2arctan(104/150000)=72″。