李發(fā)動(dòng)宋小艷高明杰陳 為

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

某火箭發(fā)射系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)設(shè)備采用激光捷聯(lián)慣組與光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量相結(jié)合的無(wú)依托瞄準(zhǔn)方式,利用激光捷聯(lián)慣組實(shí)現(xiàn)慣組自主定向測(cè)量,通過(guò)自準(zhǔn)直光管完成與箭上目標(biāo)棱鏡的準(zhǔn)直偏差角測(cè)量[1],最終實(shí)現(xiàn)箭上目標(biāo)棱鏡的方位角Am的測(cè)量。瞄準(zhǔn)設(shè)備主要由激光捷聯(lián)慣組和自準(zhǔn)直光管等組成,自準(zhǔn)直光管固連在激光捷聯(lián)慣組本體上,一同安裝在發(fā)射平臺(tái)側(cè)面的設(shè)備艙內(nèi),實(shí)現(xiàn)與箭上目標(biāo)棱鏡的水平瞄準(zhǔn),如圖1 所示。

圖1 瞄準(zhǔn)設(shè)備位置關(guān)系圖Fig.1 Aiming device position diagram

工作時(shí),激光捷聯(lián)慣組實(shí)現(xiàn)慣組自主定向測(cè)量,確定慣組載體相對(duì)地理坐標(biāo)系的姿態(tài)角度,對(duì)準(zhǔn)完成后,輸出航向角ψ、俯仰角θ和橫滾角γ[2],同時(shí)自準(zhǔn)直光管完成對(duì)箭上目標(biāo)棱鏡的準(zhǔn)直偏差角β的測(cè)量。但是,慣組定向測(cè)量單元和光管準(zhǔn)直偏差角測(cè)量單元是在不同的測(cè)量坐標(biāo)系下完成的,二者可能存在較大的初始安裝誤差,若直接對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合成計(jì)算,則會(huì)帶來(lái)較大的方位耦合誤差。實(shí)際應(yīng)用時(shí),發(fā)射載體縱軸不水平度為3°,橫軸不水平度為1°,自準(zhǔn)直光管與激光捷聯(lián)慣組的方位安裝夾角為34°,俯仰安裝夾角為0.5°,橫滾安裝夾角為0.1°,其耦合誤差將超過(guò)1′[3]。這樣的系統(tǒng)誤差對(duì)瞄準(zhǔn)精度來(lái)說(shuō)是不可承受的,必須對(duì)耦合誤差進(jìn)行修正。

所給出的這種慣組瞄準(zhǔn)下的瞄準(zhǔn)角度解算方法,目的是將測(cè)量值轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下進(jìn)行瞄準(zhǔn)方位角度的合成和計(jì)算。通過(guò)矩陣方式對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系進(jìn)行變換,獲得輸出基準(zhǔn)在地理坐標(biāo)系下的姿態(tài)角度,結(jié)合目標(biāo)棱鏡相對(duì)輸出基準(zhǔn)的方位偏差角度,得到所需目標(biāo)棱鏡的方位角度。

2 坐標(biāo)系定義及變換

2.1 坐標(biāo)系定義

慣組瞄準(zhǔn)過(guò)程中使用的坐標(biāo)系有地理坐標(biāo)系（n系）、慣組坐標(biāo)系（b系）和光管坐標(biāo)系（t系）,三個(gè)坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 坐標(biāo)系空間示意圖Fig.2 Coordinatesystem space schematic diagram

對(duì)三個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸做如下定義:

（1）地理坐標(biāo)系（n系）

地理坐標(biāo)系OnXnYnZn原點(diǎn)位于運(yùn)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。OnXn軸指向東,即E;On Yn軸指向北,即N;OnZn軸沿地垂線指向天頂,即U。這個(gè)坐標(biāo)系通常叫作東北天（ENU）坐標(biāo)系。慣組測(cè)量過(guò)程中涉及到的導(dǎo)航坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系一致。

（2）慣組坐標(biāo)系（b系）

慣組坐標(biāo)系Ob Xb Yb Zb的原點(diǎn)是慣組載體重心Ob,Ob Xb沿慣組縱軸指向右,Ob Yb沿慣組橫軸方向指向前,Ob Zb沿慣組豎軸方向向上,坐標(biāo)系構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

（3）光管坐標(biāo)系（t系）

光管坐標(biāo)系OtXtYtZt的原點(diǎn)在自準(zhǔn)直光管中心Ot,OtYt軸為光軸方向,Ot Xt Zt平面與Ot Yt軸垂直,OtXt軸垂直光管光軸指向右（與準(zhǔn)直分劃板橫絲一致）,坐標(biāo)系構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

2.2 坐標(biāo)系變換

坐標(biāo)系變換可實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)值轉(zhuǎn)換,得到相同點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。坐標(biāo)變換的目的是將不同坐標(biāo)系下的角度測(cè)量值統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系下,方便對(duì)測(cè)量值進(jìn)行分析和計(jì)算。對(duì)于任意兩個(gè)空間坐標(biāo)系,可通過(guò)一次平移和三次旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系重合,三次旋轉(zhuǎn)可以用數(shù)學(xué)方法表述成三個(gè)獨(dú)立的方向余弦矩陣,以下只討論慣組瞄準(zhǔn)過(guò)程中涉及到的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。

2.2.1 b 系與n 系間的變換

b系相對(duì)n系的角位置可以用慣組輸出的航向角ψ、俯仰角θ和橫滾角γ表示,規(guī)定兩個(gè)坐標(biāo)系之間通過(guò)以下旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系得到重合:

其變換表達(dá)式為[4]

從b系到n系的變換按公式（2）計(jì)算。

2.2.2 t 系與b 系間的變換

t系和b系的位置關(guān)系如圖3 所示。

圖3 光管坐標(biāo)系與慣組坐標(biāo)系安裝關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of coordinate systerm relationship

自準(zhǔn)直光管和激光捷聯(lián)慣組在當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系下的安裝夾角可通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定方式進(jìn)行測(cè)量。

方位安裝夾角:

俯仰安裝夾角:

橫滾安裝夾角:

標(biāo)定測(cè)量時(shí)先將激光捷聯(lián)慣組的安裝基面調(diào)整至水平狀態(tài),然后通過(guò)光學(xué)測(cè)量方法得到光管光軸在n系下的方位角ψt、俯仰角θt和橫滾角γt,則ψ0、θ0和γ0可等效成光管坐標(biāo)系相對(duì)慣組坐標(biāo)系的角位置。類比公式（2）,可以得到t系和b系間的變換矩陣為

2.2.3 t 系和n 系間的變換

t系和n系間的角位置可以用ψ1、θ1和γ1表示,ψ1即為自準(zhǔn)直光管光軸相對(duì)大地北向的夾角,θ1和γ1即為光管在n系下的俯仰角和橫滾角。

通過(guò)b系為媒介,建立起t系和n系之間的關(guān)聯(lián),類比公式（2）,兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為

3 瞄準(zhǔn)角度解算

瞄準(zhǔn)角度解算就是通過(guò)慣組瞄準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)量值獲得目標(biāo)棱鏡方位角度的過(guò)程,解算過(guò)程如下:

3.1 獲得光管光軸的方位角度和俯仰角度

激光捷聯(lián)慣組對(duì)準(zhǔn)完成后輸出ψ、θ和γ,從而獲得慣組輸出姿態(tài)矩陣,根據(jù)自準(zhǔn)直光管和激光捷聯(lián)慣組的初始安裝夾角獲得初始安裝矩陣,通過(guò)矩陣變換,可得到光管的輸出姿態(tài)矩陣則光管光軸在n系下的ψ1、θ1和γ1可按公式（7）計(jì)算。

ψ1定義域?yàn)?°～ 360°,θ1和γ1定義域?yàn)?90°～90°。

3.2 獲得光管準(zhǔn)直偏差角度

自準(zhǔn)直光管以光軸為基準(zhǔn),通過(guò)物鏡發(fā)出平行的準(zhǔn)直光束照射到目標(biāo)棱鏡上,其返回光束匯聚到處于物鏡焦平面上的CCD 上,根據(jù)返回光點(diǎn)在CCD 上的偏移量即可求得光管光軸與目標(biāo)棱鏡的準(zhǔn)直偏差角[5]

式中:β——準(zhǔn)直偏差角;f——物鏡焦距;L——返回光點(diǎn)在CCD 上的偏移量。

3.3 獲得斜瞄方位修正角度

自準(zhǔn)直光管與目標(biāo)棱鏡準(zhǔn)直時(shí),在斜瞄狀態(tài)下會(huì)帶來(lái)方位角偏差[6],需對(duì)其進(jìn)行修正。

式中:δ——方位角偏差;λ——目標(biāo)棱鏡的棱線相對(duì)準(zhǔn)直分劃板橫絲的不水平度[7],（″）。面對(duì)棱鏡左高為正,其中,目標(biāo)棱鏡的棱線不水平度由箭上系統(tǒng)提供,準(zhǔn)直分劃板橫絲的不水平度按公式（10）計(jì)算。

3.4 方位角度合成

對(duì)瞄準(zhǔn)角度進(jìn)行合成計(jì)算,目標(biāo)棱鏡的方位角Am按公式（13）計(jì)算。

當(dāng)（ψ1+β-δ）大于360°時(shí),K取-1;當(dāng)（ψ1+β-δ）小于0°時(shí),K取1,否則取0。

瞄準(zhǔn)角度解算如圖4 所示。

圖4 瞄準(zhǔn)角解算示意圖Fig.4 Schematic diagram of aiming angle calculation

4 分析說(shuō)明

（1）對(duì)θ1的取值極限情況和取值正負(fù)情況進(jìn)行分析后,公式（8）可進(jìn)一步優(yōu)化為

（2）應(yīng)使光管測(cè)量坐標(biāo)系和t系保持嚴(yán)格一致,即光管內(nèi)部CCD 安裝方向與準(zhǔn)直分劃板橫絲一致。使用時(shí)準(zhǔn)直偏差角不宜過(guò)大,以減小耦合誤差對(duì)方位測(cè)量值的影響。

（3）瞄準(zhǔn)角度的解算方法同樣適用于慣組導(dǎo)航狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)量,當(dāng)慣組輸出姿態(tài)角度發(fā)生變化時(shí),解算出的光管輸出姿態(tài)矩陣也相應(yīng)變化,同時(shí)光管可動(dòng)態(tài)敏感出相對(duì)目標(biāo)棱鏡的方位變化,要求數(shù)據(jù)更新頻率不小于10 Hz。

5 驗(yàn)證

對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn),將固連有CCD 自準(zhǔn)直光管的激光捷聯(lián)慣組（光管光軸初始安裝夾角ψ0=34°,θ0=0.5°,γ0=0.1°）安裝固定在三軸搖擺臺(tái)上,慣組本體與三軸搖擺臺(tái)基面一致,自準(zhǔn)直光管前方近距離架設(shè)一寬尺寸目標(biāo)棱鏡,如圖5 所示。

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of verification test

先將三軸搖擺臺(tái)的姿態(tài)角度調(diào)整至零位,并使自準(zhǔn)直光管與目標(biāo)棱鏡的準(zhǔn)直偏差角度調(diào)整至零位附近。激光捷聯(lián)慣組進(jìn)行自主定向測(cè)量后,得到目標(biāo)棱鏡的方位測(cè)量值,然后在慣組導(dǎo)航狀態(tài)下通過(guò)改變?nèi)S搖擺臺(tái)的姿態(tài)角度來(lái)模擬慣組本體的工況,并得到在不同工況下目標(biāo)棱鏡的方位測(cè)量值,如表1 所示。

表1 瞄準(zhǔn)解算驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Aiming calculation test data

試驗(yàn)表明,當(dāng)慣組姿態(tài)角度發(fā)生變化時(shí),對(duì)同一目標(biāo)棱鏡的方位測(cè)量值偏差不大于8″,此偏差值大都是由CCD 測(cè)量誤差和標(biāo)定誤差等因素引起的,因此通過(guò)瞄準(zhǔn)解算方法可有效消除方位耦合誤差。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用激光捷聯(lián)慣組獲得捷聯(lián)慣組本體系相對(duì)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(duì)準(zhǔn)。自準(zhǔn)直光管與激光捷聯(lián)慣組固聯(lián),對(duì)慣組坐標(biāo)系和光管坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定,獲得兩者的初始安裝矩陣。通過(guò)矩陣變換方式,將慣組輸出姿態(tài)角轉(zhuǎn)換成光管光軸在地理坐標(biāo)系下的姿態(tài)角,消除了設(shè)備初始安裝夾角帶來(lái)的方位耦合誤差,解決了無(wú)依托瞄準(zhǔn)過(guò)程中的瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)的解算問(wèn)題。