光学准直技术在火箭射向测量中的应用

王洪波 付崇伟 王俊卫 周靖轩

(1. 中国人民解放军32023部队,辽宁 大连, 116021; 2. 中国人民解放军61365部队, 天津, 300140;3. 中国人民解放军61243部队, 新疆 乌鲁木齐, 830006)

0 引言

长征七号火箭是我国新一代中型运载火箭,在进入发射状态时,粗大的箭体连同发射底座及整流罩的组合体高度近百米,用于射向瞄准的惯性器件位于箭体的顶端,超出经纬仪仰角测量范围,在地面上采用常规的“三点(瞄准点、基准点、火箭惯性器件)直线式[1]”射向测量方法无法完成,需要采用新的方法完成火箭的射向测量工作。

自准直测量是基于经纬仪或全站仪的准直技术,以平面镜或立方镜的镜面法线提供一条方位基准,用经纬仪或全站仪照准镜面,合理设置仪器位置并调整其视准轴方向,使仪器的视准轴与镜面的法线重合,则经纬仪或全站仪的视准轴方向即代表该方位基准[2],利用这项测量技术可以实现高精度的短边方位传递和保存[3]。因此,本文针对长征七号火箭发射组合体,在地面无法实施射向瞄准测量的问题,提出应用光学准直测量技术,在火箭发射塔上建立自准直方位基准,以镜面法线方位角为射向瞄准方位,采用光学准直的测量方法,将精确测量的方位角传递到火箭的控制系统惯性器件上,对其进行初始方位角对准[4],从而完成火箭发射前的射向测量工作。

1 光学准直测量方法

1.1 经纬仪对瞄十字丝测量法

根据光学原理,当望远镜焦距调至无穷远时,所发出的是一束平行于主光轴的平行光,用两台相距不远的望远镜互相瞄准,使其十字丝相互重合,即光轴重合或平行,则实现准直,两主光轴就构成这两台仪器的方向,称这种准直法为经纬仪对瞄法[5]。用该方法传递方位时,是采用望远镜十字丝直接作为测站和照准中心,因此测站点上不存在对中误差。为了获取经纬仪对瞄法十字丝的测角精度,进行了20个三角形闭合观测试验,使用菲列罗公式计算出测角中误差为0.38″。

1.2 经纬仪外觇标测量法

外觇标自准直法是指在经纬仪或全站仪物镜边缘贴上外觇标,如图1所示,将仪器概略安置在镜面的法线方向,此时外觇标在平面镜(立方镜)中成像,调整仪器位置并对望远镜调焦使之能清晰地观测到外觇标的像,微调螺旋使十字丝照准镜中外觇标中心,盘左、盘右各观测水平角、垂直角的平均值,此平均值表示的方位即代表了镜面法线的方位基准[4-5]。在方位传递时,两台仪器都用Ⅰ面照准对方的望远镜,用第一台精确瞄准第二台仪器的外觇标,再用第二台仪器精确瞄准第一台仪器的外觇标,分别记录水平角和垂直角;两台仪器同时转到Ⅱ面,按Ⅰ面的方法再精确互瞄外觇标,并分别记录水平角和垂直角;通过正倒镜使照准中心与仪器中心方向一致,从而克服对中误差。为了验证经纬仪对瞄外觇标法的测角精度,进行了外觇标三角形闭合观测试验,共测量20个三角形闭合差,按照菲列罗公式计算出测角中误差为0.85″。

图1 外觇标测量示意图

2 自准值方法建立火箭射向基准

由上文可知长征七号火箭箭体高大,射向测量无法在地面上完成,根据长征七号火箭发射瞄准技术要求,在发射塔内布设两块方位基准棱镜和一块方位检查棱镜建立自准直方位基准,镜面和瞄准点位置关系如图2所示,设置两块方位基准棱镜目的是形成备用关系,发射瞄准时有更多选择性;设置检查棱镜目的是使镜面间形成方位检核关系,便于发现镜面方位变化。方位基准棱

图2 火箭瞄准间基准棱镜布设示意图

镜设置在射向方位的一侧,是基于自准直技术的特点,射向的瞄准点在镜面法线方向上移动,方位基准值不变[6],从而使射向的瞄准有更大的调整范围。

在使用自准直原理的几何测量工作中,多采用直角棱镜作为反光镜,其特点是具有双反射镜面,用于自准直测量的仪器架设高度不需要同镜面高度一致[7]。由于镜面的法线不是唯一、且相互平行,在镜面范围内即可实现自准直,测量时也不需要考虑仪器对中误差的影响,从而仪器操作更方便。

3 方位基准传递测量

从图2可知,自准直基准棱镜布设完成后,需要对基准镜面方位初始化。初始化方位基准就是确定镜面法线方位的过程,针对每块基准棱镜均独立布设测量路线,分别在控制点和瞄准点架设经纬仪,将室外建立的高精度方位基准传递到直角棱镜的镜面上[8]。在作业中分别采用经纬仪对瞄十字丝的测量方法和经纬仪对瞄外觇标的测量方法,这两种测量方法操作步骤基本相同,方位传递测量路线如图3所示,图3中A为控制点、D为方位点。

图3 基准棱镜传递测量示意图

测量时,首先在A、B、C各点设置仪器,且仪器望远镜调焦至无穷远处;再按照A点、B点、C点的顺序依次转动照准部,观测仪器的十字丝或外觇标,逐站传递方位,取各转折角的上、下半测回中数作为一测回结果,并以此计算最后边的方位角。左、右角各一个测回的联测,构成一个循环对瞄联测,基准方位联测共进行6个循环[5]。

4 测量数据比较和分析

文昌发射场是我国新建的滨海发射场,考虑地质结构和潮湿高温自然环境对测量控制网及直角棱镜的影响,从发射场投入使用开始,连续对射向控制网方位基准边和布设在发射塔上的直角棱镜方位进行观测。作业中采用上述两种测量方法,并对两种测量方法进行了比较,本文取基准棱镜1为例,具体情况如表1为所示。

表1 两种方位传递测量方法比较表

表1中循环闭合差为左、右路线不符值,限差计算采用公式(1),一循环方位计算和方位角中误差计算分别采用公式(2)和(3)，即

式中,m起为起始方位边中误差取0.5″;mβ转折角度中误差取1.5″;n为仪器设站个数取3;N为循环数取6,计算循环闭合差限差分别为11″,mC-镜方位角测量中误差为1.2″。

为了更好地反映出方位基准棱镜的变化情况,将作业中对瞄十字丝法获取的多期测量数据进行列表分析,表2中的数值为镜面方位秒值变化统计。

表2 多次测量镜面基准方位数据比较表 单位:(″)

从表1、表2中可以得出以下分析结果:

(1)采用外觇标自准直法测量结果与采用十字丝自准直法结果基本一致。引起差值主要原因有以下两点:一是调焦误差,采用经纬仪十字丝自准直法必须将焦距调焦至无穷远处,而采用外觇标法需要调焦至二倍仪器与镜面距离上,会产生调焦误差[9];二是由于近距离较近,观测员的照准误差也产生较大影响。

(2)镜面方位值整体比较稳定,三块镜面方位变化量和变化趋势基本一致,控制点、发射塔建筑体及直角棱镜整体稳定性较好,直角棱镜同发射塔墙体结合紧密,无个体的突变情况,说明控制点、直角棱镜布局合理,测量方法正确。

(3)除发射前后,多次测量可以发现镜面方位的变化量较小,特别是在前3次的测量过程中,镜面的方位变化量在1.0″左右,镜面方位在发射前后产生较大变化,最大值为5.1″,通过测量能够很好地反映出发射震动对镜面方位的变化,说明基于自准直测量方法具有较高的精度。

5 结束语

本文针对长征七号火箭发射组合体,在发射塔上部建立射向瞄准方位的特点,提出基于自准直测量技术,分别采用经纬仪对瞄十字丝法和对瞄外觇标法进行测量应用,经过多期的作业观测比较,两种测量方法获取的测量数据具有较好的一致性,方位角测量中误差为1.2″,远小于测量误差5″的要求,精度指标完全满足航天任务要求,并通过长征七号火箭成功发射,验证了基于自准直技术的射向测量方法能服务于大火箭的航天发射任务。