無依托瞄準(zhǔn)技術(shù)在運載火箭基準(zhǔn)確立上應(yīng)用的研究

范 毅，何 歡，劉聰聰，宋小艷

無依托瞄準(zhǔn)技術(shù)在運載火箭基準(zhǔn)確立上應(yīng)用的研究

范 毅，何 歡，劉聰聰，宋小艷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

針對大型運載火箭無人值守瞄準(zhǔn)的需求，提出一種基于激光捷聯(lián)慣組與瞄準(zhǔn)儀相結(jié)合的無依托瞄準(zhǔn)方法，通過激光慣組自主尋北獲得北向基準(zhǔn)，再測量出箭上慣性單元棱鏡法線與返回光束的準(zhǔn)直偏差角，將數(shù)據(jù)進(jìn)行合成、解算，最終獲得箭上慣組棱鏡的初始方位。無依托瞄準(zhǔn)技術(shù)具有組成簡單、自動化程度高、操作流程簡化、精度指標(biāo)可靠的特點，可以提供不大于2’的瞄準(zhǔn)綜合誤差，技術(shù)成果滿足中國航天發(fā)射任務(wù)的應(yīng)用需求，可供未來大型運載火箭瞄準(zhǔn)方式參考。

運載火箭；無依托瞄準(zhǔn)；激光捷聯(lián)慣組

0 引 言

火箭地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的作用，是調(diào)整火箭制導(dǎo)系統(tǒng)中慣性器件的方位敏感軸，使之與射擊方向（以下簡稱射向）或已知方向（與射向保持已知角度值）所在的鉛垂面相垂直[1]，或通過精確測量獲得慣性器件的方位敏感軸與射向的偏差角，從而保證火箭初始方位精度[2]，在起飛前通過地面瞄準(zhǔn)確定火箭起飛初始方位。

伴隨著航天全球化的發(fā)展趨勢，運載技術(shù)發(fā)展速度明顯加快，以美國為代表的航天大國已由單純追求更大運載能力向“快速、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全”等方向轉(zhuǎn)變。國際上大中型運載火箭在發(fā)射場測試的流程一般20天左右，火箭到發(fā)射臺后基本實現(xiàn)無人自動操作，具備在多處不同地點進(jìn)行協(xié)同遠(yuǎn)程發(fā)射控制、輔助支持工作的能力[3]。隨著近些年以激光捷聯(lián)慣組為核心的定位定向瞄準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，在瞄準(zhǔn)精度方面獲得了較大的突破和提升，其精度指標(biāo)可以和傳統(tǒng)地面瞄準(zhǔn)相提并論，而且在工作環(huán)境和工作時間上更有優(yōu)勢，使通過慣組建立火箭起飛基準(zhǔn)的方法成為可能[4]，這為運載火箭提供了無依托的基準(zhǔn)建立方式。

1 無依托瞄準(zhǔn)方案

1.1 方案原理

無依托瞄準(zhǔn)是相對于以往有基準(zhǔn)的地面瞄準(zhǔn)方式而言，指不依靠地面基準(zhǔn)，自主定位定向的瞄準(zhǔn)方式。

以往地面瞄準(zhǔn)通過在地面建設(shè)地標(biāo)點位從而獲得基準(zhǔn)邊，通過瞄準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)已知基準(zhǔn)邊確立基準(zhǔn)方位，或者瞄準(zhǔn)預(yù)先建立的基準(zhǔn)棱鏡確立基準(zhǔn)方位，再轉(zhuǎn)動瞄準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)箭上慣性單元棱鏡確定箭體初始方位。這種地面瞄準(zhǔn)方式的缺點是需要建立固定的瞄準(zhǔn)點位和初始瞄準(zhǔn)方向，瞄準(zhǔn)點位需要定期標(biāo)定。

無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備依據(jù)發(fā)射場火箭的架設(shè)位置，大致架設(shè)到箭上慣性單元棱鏡的法線方向，如圖1所示。工作時，無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備自主尋北獲得北向基準(zhǔn)，由瞄準(zhǔn)光管或者瞄準(zhǔn)儀向箭上棱鏡發(fā)出一束光線，再測量出箭上慣性單元棱鏡法線與返回光束的準(zhǔn)直偏差角，將數(shù)據(jù)進(jìn)行合成、解算，最終獲得箭上慣組棱鏡的初始方位。采用無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備可以簡化瞄準(zhǔn)設(shè)備，擺脫發(fā)射場地束縛，提高運載火箭發(fā)射的機(jī)動性。

圖1 無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備的架設(shè)

1.2 發(fā)射場布局

無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備由激光捷聯(lián)慣組、自準(zhǔn)直光管（或者瞄準(zhǔn)儀）、衛(wèi)星定位設(shè)備、瞄準(zhǔn)控制器等組成。在運載火箭發(fā)射場可以采用兩種瞄準(zhǔn)布局方式：火箭發(fā)射塔瞄準(zhǔn)和移動瞄準(zhǔn)車瞄準(zhǔn)。

在火箭發(fā)射塔狀態(tài)，瞄準(zhǔn)設(shè)備放置在與箭上慣組棱鏡等高的臍帶塔上，激光慣組與自準(zhǔn)直光管捷聯(lián)，通過激光慣組自主尋北獲得光管架設(shè)位置與北向夾角，自準(zhǔn)直光管發(fā)出一束光線至箭上棱鏡，移動瞄準(zhǔn)設(shè)備架設(shè)位置使返回光進(jìn)入自準(zhǔn)直光管敏區(qū)，從而獲得箭上棱鏡與北向夾角，瞄準(zhǔn)設(shè)備架設(shè)示意見圖2。

圖2 瞄準(zhǔn)設(shè)備的布置

隨著擾動基座尋北技術(shù)的應(yīng)用，瞄準(zhǔn)設(shè)備具備了高精度慣性尋北能力，這為運載火箭發(fā)射場提供了移動瞄準(zhǔn)車瞄準(zhǔn)的新方式。在瞄準(zhǔn)車上激光慣組與瞄準(zhǔn)儀捷聯(lián)，通過激光慣組自主尋北獲得瞄準(zhǔn)儀光管與北向夾角。瞄準(zhǔn)儀發(fā)出一束光線至箭上棱鏡，移動瞄準(zhǔn)儀使返回光進(jìn)入瞄準(zhǔn)儀光管敏區(qū)，從而獲得箭上棱鏡與北向夾角，圖3給出瞄準(zhǔn)車瞄準(zhǔn)發(fā)射場架設(shè)示意。

圖3 無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備在發(fā)射場布置

1.3 設(shè)備組成及工作模式

無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備示意如圖4所示。激光捷聯(lián)慣組可以實現(xiàn)自主慣性尋北，激光捷聯(lián)慣組采用多位置尋北方案，對慣性器件誤差進(jìn)行補(bǔ)償，消除其對尋北精度的影響。采用擾動基座尋北技術(shù)實現(xiàn)擾動基座下的高精度慣性尋北能力，滿足多種工況下塔態(tài)或車載的使用條件要求。

圖4 無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備的組成

激光捷聯(lián)慣組慣性尋北的同時，自準(zhǔn)直光管實時測量準(zhǔn)直偏差角，并將準(zhǔn)直偏差角傳遞至激光捷聯(lián)慣組進(jìn)行計算。在慣性尋北完成后，將北向基準(zhǔn)傳遞至與其固聯(lián)的自準(zhǔn)直光管光軸上，激光捷聯(lián)慣組將對準(zhǔn)結(jié)果與收到的自準(zhǔn)直光管準(zhǔn)直偏差角進(jìn)行合成解算，獲得瞄準(zhǔn)棱鏡等效法線方位角，并將瞄準(zhǔn)結(jié)果傳輸至瞄準(zhǔn)控制器，瞄準(zhǔn)控制器收集衛(wèi)星定位信息和瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給運載火箭控制系統(tǒng)。

2 無依托瞄準(zhǔn)理論推導(dǎo)

N—北向基準(zhǔn)方向；—自準(zhǔn)直光管光軸基準(zhǔn)方位角，即瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)方位角；—自準(zhǔn)直光管光軸與箭上瞄準(zhǔn)棱鏡法線之間的準(zhǔn)直偏差角；—箭上瞄準(zhǔn)棱鏡等效法線的方位角。

2.1 定義坐標(biāo)系

2.1.1 n系：地理坐標(biāo)系

地理坐標(biāo)系是原點位于運載體所在的地球表面，其中一軸與地理垂線重合的右手直角坐標(biāo)系。n軸指向東，即E；n軸指向北，即N；n軸沿地垂線指向天頂，即U。這個坐標(biāo)系通常叫作東北天（ENU）坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系即為本系統(tǒng)的導(dǎo)航坐標(biāo)系[5]。

2.1.2 b系：載體坐標(biāo)系（慣組坐標(biāo)系）

載體坐標(biāo)系的原點是載體重心，b沿載體橫軸指向右，b沿載體縱軸方向指向前，b沿載體豎軸方向向上，坐標(biāo)系構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

2.1.3 t系：光管坐標(biāo)系

光管坐標(biāo)系的原點在光管中心t，t軸為光軸方向；ttt平面與光軸t垂直，t、t在ttt平面內(nèi)相互垂直且t軸沿光管光軸指向右，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

2.2 慣組載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系（導(dǎo)航坐標(biāo)系）之間的轉(zhuǎn)換

其變換表達(dá)式為

則，姿態(tài)矩陣為

姿態(tài)角按式（3）～（5）計算：

2.3 光管坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

激光捷聯(lián)慣組載體坐標(biāo)系（慣組本體b系）和自準(zhǔn)直光管坐標(biāo)系（t系）如圖6所示。

圖6 慣組坐標(biāo)系和光管坐標(biāo)系

光管和慣組在當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系下的安裝誤差角可按式（6）～（8）計算：

則可按式（9）計算兩坐標(biāo)系誤差修正矩陣：

自準(zhǔn)直光管光軸方位角（光軸相對大地北向夾角）、俯仰角及橫滾角可按式（11）～（13）計算：

瞄準(zhǔn)棱鏡等效法線的方位角為

綜上所述，瞄準(zhǔn)過程即獲得箭上瞄準(zhǔn)棱鏡法線方位角的過程，主要包括3部分：

a）采用三軸激光捷聯(lián)慣組，三位置尋北方案，獲得捷聯(lián)慣組本體系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系（當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系）間姿態(tài)矩陣，完成初始對準(zhǔn)；

b）自準(zhǔn)直光管與激光捷聯(lián)慣組固聯(lián)，對慣組坐標(biāo)系和自準(zhǔn)直光管坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，獲得兩者的安裝誤差矩陣，通過坐標(biāo)系變換，獲得光管光軸的方位角和姿態(tài)角；

c）利用自準(zhǔn)直光管對瞄準(zhǔn)棱鏡法線的自準(zhǔn)直偏差角測量，獲得瞄準(zhǔn)棱鏡法線方位角，即瞄準(zhǔn)角，完成瞄準(zhǔn)過程。

3 瞄準(zhǔn)誤差分析

無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備瞄準(zhǔn)誤差包括激光捷聯(lián)慣組尋北誤差、自準(zhǔn)直光管測量誤差、常數(shù)傳遞及穩(wěn)定性誤差。激光捷聯(lián)慣組尋北誤差的誤差源包括：陀螺零偏，加速度計零偏引起的方位誤差，加速度計與陀螺敏感軸不平行誤差，陀螺標(biāo)度誤差，溫度誤差，輸出傳遞誤差等。

陀螺零偏參數(shù)是激光慣組的重要誤差參數(shù)之一，是衡量激光陀螺精度水平的重要指標(biāo)。對于激光捷聯(lián)慣組而言，零偏參數(shù)具有隨機(jī)變化的特點，其穩(wěn)定性對慣性導(dǎo)航精度影響巨大，技術(shù)指標(biāo)要求十分嚴(yán)格，只有零偏穩(wěn)定性滿足要求，才能通過一定技術(shù)手段減小零偏帶來的影響。

加速度計在理想狀態(tài)下，當(dāng)外部輸入加速度為零時，加速度計的輸出電流也應(yīng)為零。但實際應(yīng)用中，受機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子器件等因素的影響，在輸入加速度為零的情況下，加速度計也會有電流輸出，即存在零位偏移。

采用多位置對準(zhǔn)，理論上陀螺常值零偏帶來的方位誤差和加速度計的常值零偏帶來的方位誤差可以對偶相消，因此，從捷聯(lián)慣組的尋北理論可知，其方位對準(zhǔn)誤差可表示為[9]

從式（15）中可以看出，方位對準(zhǔn)誤差包含兩個分量：殘余的陀螺零偏；北向軸的調(diào)平或傾斜誤差。

加速度計與陀螺敏感軸不平行誤差是水平狀態(tài)下，加速度計敏感軸與陀螺敏感軸不平行引起的誤差，通過系統(tǒng)級標(biāo)定，不平行誤差可以測定。

陀螺標(biāo)度誤差是指標(biāo)度因數(shù)的實際值相對標(biāo)稱值的變化，工程應(yīng)用中，因激光陀螺自身的特點，其標(biāo)定因數(shù)一般比較穩(wěn)定，在短時間內(nèi)變化量較小，因此，在慣組系統(tǒng)中，可以通過系統(tǒng)級標(biāo)定，測出陀螺的標(biāo)度因數(shù)。

溫度變化是對慣性器件誤差變化的外界環(huán)境影響因數(shù)。為了降低和補(bǔ)償溫度對慣性器件精度的影響，通過溫度試驗，識別出慣性器件的溫度模型，計算出相應(yīng)的誤差項并實時進(jìn)行補(bǔ)償。

輸出傳遞誤差是輸出過程中多項誤差共同作用的結(jié)果，在誤差計算中需予以考慮。

結(jié)合上述的誤差分析，匯總各項誤差，并考慮工作環(huán)境等影響，則激光捷聯(lián)慣組尋北誤差（2.7）不大于60″。

4 試驗驗證

利用大地測量基準(zhǔn)邊，通過經(jīng)緯儀傳遞測量校準(zhǔn)無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備瞄準(zhǔn)誤差，無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)如圖7所示。

圖7 無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)

在等效目標(biāo)棱鏡法線方向架設(shè)無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備，在瞄準(zhǔn)設(shè)備正后方架設(shè)經(jīng)緯儀1，在方位基準(zhǔn)點上1架設(shè)標(biāo)桿儀，在基準(zhǔn)點2上架設(shè)經(jīng)緯儀2。無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備工作獲得一組瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)邊傳遞獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過比對兩組瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲得瞄準(zhǔn)誤差。瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)對比誤差數(shù)據(jù)如表1所示。試驗結(jié)果顯示，無依托瞄準(zhǔn)設(shè)備的瞄準(zhǔn)誤差不大于2′。

表1 瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)對比表

Tab.1 Comparison of aiming and calibration

序號瞄準(zhǔn)校準(zhǔn)瞄準(zhǔn)-校準(zhǔn) 1154°41′33″154°40′40″53″ 2154°45′30″154°45′18″12″ 3340°13′7″340°13′18″-11″ 4340°15′22″340°15′58″-36″

5 結(jié)束語

無依托瞄準(zhǔn)技術(shù)具有設(shè)備組成簡單、自動化程度高、操作流程簡化、精度指標(biāo)可靠的優(yōu)勢，可以滿足中國航天無人值守發(fā)射的應(yīng)用需求，為中國航天事業(yè)發(fā)展提供有力支撐，在未來大型運載火箭上有廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Unsupported Aiming Technology in the Establishment of Launch Vehicle Initial Position

FAN Yi, HE Huan, LIU Congcong, SONG Xiaoyan

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

An unsupported aiming method was proposed based on the combination of laser gyro strap down inertial measurement unit and collimator for unattended aim of large-scale launch vehicle, obtain the north reference through the autonomous north finding of the laser inertial unit, and then measure deviation between the inertial unit prism of the launch vehicle and the line of the returning beam, The data is included and calculated, and the initial position is finally obtained. The unsupported aiming technology is simple, automatic, optimized and reliable. It has a aiming error not greater than 2′. The technology meet the requirements of space launch and can be used as a reference for the aiming method of the future large-scale launch vehicle.

launch vehicle; unsupported aiming; laser gyro strap down inertial measurement unit

2097-1974(2023)02-0071-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230214

V556

A

2022-10-18；

2023-03-29

范 毅（1978-），男，高級工程師，主要研究方向為光電與精密儀器設(shè)計。

何 歡（1978-），男，高級工程師，主要研究方向為電子電氣儀器設(shè)計。

劉聰聰（1978-），男，高級工程師，主要研究方向為地面發(fā)射技術(shù)設(shè)計。

宋小艷（1980-），女，高級工程師，主要研究方向為光學(xué)精密儀器設(shè)計。