王洪波 付崇偉 王俊衛(wèi) 周靖軒

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

0 引言

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

自準(zhǔn)直測(cè)量是基于經(jīng)緯儀或全站儀的準(zhǔn)直技術(shù),以平面鏡或立方鏡的鏡面法線提供一條方位基準(zhǔn),用經(jīng)緯儀或全站儀照準(zhǔn)鏡面,合理設(shè)置儀器位置并調(diào)整其視準(zhǔn)軸方向,使儀器的視準(zhǔn)軸與鏡面的法線重合,則經(jīng)緯儀或全站儀的視準(zhǔn)軸方向即代表該方位基準(zhǔn)[2],利用這項(xiàng)測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的短邊方位傳遞和保存[3]。因此,本文針對(duì)長征七號(hào)火箭發(fā)射組合體,在地面無法實(shí)施射向瞄準(zhǔn)測(cè)量的問題,提出應(yīng)用光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù),在火箭發(fā)射塔上建立自準(zhǔn)直方位基準(zhǔn),以鏡面法線方位角為射向瞄準(zhǔn)方位,采用光學(xué)準(zhǔn)直的測(cè)量方法,將精確測(cè)量的方位角傳遞到火箭的控制系統(tǒng)慣性器件上,對(duì)其進(jìn)行初始方位角對(duì)準(zhǔn)[4],從而完成火箭發(fā)射前的射向測(cè)量工作。

1 光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法

1.1 經(jīng)緯儀對(duì)瞄十字絲測(cè)量法

根據(jù)光學(xué)原理,當(dāng)望遠(yuǎn)鏡焦距調(diào)至無窮遠(yuǎn)時(shí),所發(fā)出的是一束平行于主光軸的平行光,用兩臺(tái)相距不遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡互相瞄準(zhǔn),使其十字絲相互重合,即光軸重合或平行,則實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直,兩主光軸就構(gòu)成這兩臺(tái)儀器的方向,稱這種準(zhǔn)直法為經(jīng)緯儀對(duì)瞄法[5]。用該方法傳遞方位時(shí),是采用望遠(yuǎn)鏡十字絲直接作為測(cè)站和照準(zhǔn)中心,因此測(cè)站點(diǎn)上不存在對(duì)中誤差。為了獲取經(jīng)緯儀對(duì)瞄法十字絲的測(cè)角精度,進(jìn)行了20個(gè)三角形閉合觀測(cè)試驗(yàn),使用菲列羅公式計(jì)算出測(cè)角中誤差為0.38″。

1.2 經(jīng)緯儀外覘標(biāo)測(cè)量法

外覘標(biāo)自準(zhǔn)直法是指在經(jīng)緯儀或全站儀物鏡邊緣貼上外覘標(biāo),如圖1所示,將儀器概略安置在鏡面的法線方向,此時(shí)外覘標(biāo)在平面鏡(立方鏡)中成像,調(diào)整儀器位置并對(duì)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦使之能清晰地觀測(cè)到外覘標(biāo)的像,微調(diào)螺旋使十字絲照準(zhǔn)鏡中外覘標(biāo)中心,盤左、盤右各觀測(cè)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(zhǔn)[4-5]。在方位傳遞時(shí),兩臺(tái)儀器都用Ⅰ面照準(zhǔn)對(duì)方的望遠(yuǎn)鏡,用第一臺(tái)精確瞄準(zhǔn)第二臺(tái)儀器的外覘標(biāo),再用第二臺(tái)儀器精確瞄準(zhǔn)第一臺(tái)儀器的外覘標(biāo),分別記錄水平角和垂直角;兩臺(tái)儀器同時(shí)轉(zhuǎn)到Ⅱ面,按Ⅰ面的方法再精確互瞄外覘標(biāo),并分別記錄水平角和垂直角;通過正倒鏡使照準(zhǔn)中心與儀器中心方向一致,從而克服對(duì)中誤差。為了驗(yàn)證經(jīng)緯儀對(duì)瞄外覘標(biāo)法的測(cè)角精度,進(jìn)行了外覘標(biāo)三角形閉合觀測(cè)試驗(yàn),共測(cè)量20個(gè)三角形閉合差,按照菲列羅公式計(jì)算出測(cè)角中誤差為0.85″。

圖1 外覘標(biāo)測(cè)量示意圖

2 自準(zhǔn)值方法建立火箭射向基準(zhǔn)

由上文可知長征七號(hào)火箭箭體高大,射向測(cè)量無法在地面上完成,根據(jù)長征七號(hào)火箭發(fā)射瞄準(zhǔn)技術(shù)要求,在發(fā)射塔內(nèi)布設(shè)兩塊方位基準(zhǔn)棱鏡和一塊方位檢查棱鏡建立自準(zhǔn)直方位基準(zhǔn),鏡面和瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置關(guān)系如圖2所示,設(shè)置兩塊方位基準(zhǔn)棱鏡目的是形成備用關(guān)系,發(fā)射瞄準(zhǔn)時(shí)有更多選擇性;設(shè)置檢查棱鏡目的是使鏡面間形成方位檢核關(guān)系,便于發(fā)現(xiàn)鏡面方位變化。方位基準(zhǔn)棱

圖2 火箭瞄準(zhǔn)間基準(zhǔn)棱鏡布設(shè)示意圖

鏡設(shè)置在射向方位的一側(cè),是基于自準(zhǔn)直技術(shù)的特點(diǎn),射向的瞄準(zhǔn)點(diǎn)在鏡面法線方向上移動(dòng),方位基準(zhǔn)值不變[6],從而使射向的瞄準(zhǔn)有更大的調(diào)整范圍。

在使用自準(zhǔn)直原理的幾何測(cè)量工作中,多采用直角棱鏡作為反光鏡,其特點(diǎn)是具有雙反射鏡面,用于自準(zhǔn)直測(cè)量的儀器架設(shè)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(nèi)即可實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直,測(cè)量時(shí)也不需要考慮儀器對(duì)中誤差的影響,從而儀器操作更方便。

3 方位基準(zhǔn)傳遞測(cè)量

從圖2可知,自準(zhǔn)直基準(zhǔn)棱鏡布設(shè)完成后,需要對(duì)基準(zhǔn)鏡面方位初始化。初始化方位基準(zhǔn)就是確定鏡面法線方位的過程,針對(duì)每塊基準(zhǔn)棱鏡均獨(dú)立布設(shè)測(cè)量路線,分別在控制點(diǎn)和瞄準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)經(jīng)緯儀,將室外建立的高精度方位基準(zhǔn)傳遞到直角棱鏡的鏡面上[8]。在作業(yè)中分別采用經(jīng)緯儀對(duì)瞄十字絲的測(cè)量方法和經(jīng)緯儀對(duì)瞄外覘標(biāo)的測(cè)量方法,這兩種測(cè)量方法操作步驟基本相同,方位傳遞測(cè)量路線如圖3所示,圖3中A為控制點(diǎn)、D為方位點(diǎn)。

圖3 基準(zhǔn)棱鏡傳遞測(cè)量示意圖

測(cè)量時(shí),首先在A、B、C各點(diǎn)設(shè)置儀器,且儀器望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)處;再按照A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)的順序依次轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部,觀測(cè)儀器的十字絲或外覘標(biāo),逐站傳遞方位,取各轉(zhuǎn)折角的上、下半測(cè)回中數(shù)作為一測(cè)回結(jié)果,并以此計(jì)算最后邊的方位角。左、右角各一個(gè)測(cè)回的聯(lián)測(cè),構(gòu)成一個(gè)循環(huán)對(duì)瞄聯(lián)測(cè),基準(zhǔn)方位聯(lián)測(cè)共進(jìn)行6個(gè)循環(huán)[5]。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)比較和分析

文昌發(fā)射場(chǎng)是我國新建的濱海發(fā)射場(chǎng),考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)和潮濕高溫自然環(huán)境對(duì)測(cè)量控制網(wǎng)及直角棱鏡的影響,從發(fā)射場(chǎng)投入使用開始,連續(xù)對(duì)射向控制網(wǎng)方位基準(zhǔn)邊和布設(shè)在發(fā)射塔上的直角棱鏡方位進(jìn)行觀測(cè)。作業(yè)中采用上述兩種測(cè)量方法,并對(duì)兩種測(cè)量方法進(jìn)行了比較,本文取基準(zhǔn)棱鏡1為例,具體情況如表1為所示。

表1 兩種方位傳遞測(cè)量方法比較表

表1中循環(huán)閉合差為左、右路線不符值,限差計(jì)算采用公式(1),一循環(huán)方位計(jì)算和方位角中誤差計(jì)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(zhuǎn)折角度中誤差取1.5″;n為儀器設(shè)站個(gè)數(shù)取3;N為循環(huán)數(shù)取6,計(jì)算循環(huán)閉合差限差分別為11″,mC-鏡方位角測(cè)量中誤差為1.2″。

為了更好地反映出方位基準(zhǔn)棱鏡的變化情況,將作業(yè)中對(duì)瞄十字絲法獲取的多期測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行列表分析,表2中的數(shù)值為鏡面方位秒值變化統(tǒng)計(jì)。

表2 多次測(cè)量鏡面基準(zhǔn)方位數(shù)據(jù)比較表 單位:(″)

從表1、表2中可以得出以下分析結(jié)果:

(1)采用外覘標(biāo)自準(zhǔn)直法測(cè)量結(jié)果與采用十字絲自準(zhǔn)直法結(jié)果基本一致。引起差值主要原因有以下兩點(diǎn):一是調(diào)焦誤差,采用經(jīng)緯儀十字絲自準(zhǔn)直法必須將焦距調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)處,而采用外覘標(biāo)法需要調(diào)焦至二倍儀器與鏡面距離上,會(huì)產(chǎn)生調(diào)焦誤差[9];二是由于近距離較近,觀測(cè)員的照準(zhǔn)誤差也產(chǎn)生較大影響。

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

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

5 結(jié)束語

本文針對(duì)長征七號(hào)火箭發(fā)射組合體,在發(fā)射塔上部建立射向瞄準(zhǔn)方位的特點(diǎn),提出基于自準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù),分別采用經(jīng)緯儀對(duì)瞄十字絲法和對(duì)瞄外覘標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用,經(jīng)過多期的作業(yè)觀測(cè)比較,兩種測(cè)量方法獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)具有較好的一致性,方位角測(cè)量中誤差為1.2″,遠(yuǎn)小于測(cè)量誤差5″的要求,精度指標(biāo)完全滿足航天任務(wù)要求,并通過長征七號(hào)火箭成功發(fā)射,驗(yàn)證了基于自準(zhǔn)直技術(shù)的射向測(cè)量方法能服務(wù)于大火箭的航天發(fā)射任務(wù)。