一种运载火箭双光束地面瞄准的方法

0 引 言

运载火箭地面瞄准系统的作用，是在火箭发射前，将制导系统中惯性器件的方位敏感轴调整到与射向(或与射向成已知角值的方向)相垂直，或者通过精确测量，获得惯性器件方位敏感轴与射向的偏差角，从而保证火箭初始方位精度，满足运载火箭系统方位入轨精度的要求。

随着深空探测的发展，未来运载火箭将向大直径、大推力方向发展，而捷联惯组制导方式和牵制释放发射技术的成熟和应用，会对火箭瞄准工作产生突出的技术问题。例如，火箭变形或风晃情况下的快速捕获目标，火箭棱镜大角度安装偏差下的大敏区角度测量，无人值守的自动化瞄准等，这些问题将导致瞄准过程的复杂化、瞄准成败的不确定性。

因此，未来火箭瞄准系统将面临非常大的技术挑战，在对国内外运载火箭瞄准方案调研后的基础上，提出了一种基于双光束的地面瞄准方法。

1 双光束瞄准方案

1.1 方案原理

双光束瞄准，是通过两束代表方位基准的光束同时发射到悬挂在火箭瞄准窗口的自动准直仪上，自动准直仪通过光电接收获得基准方位，通过与惯组棱镜光电准直，测量出惯组棱镜法线与基准方位之间的夹角。

双光束准直在中国还没有应用。图 1 是乌克兰研制的运载火箭瞄准系统。由挂在火箭上的装置和布置在距离火箭中心两侧约二三十米远处的两台地面光源装置组成。两台地面装置代表着基准方位，工作时，分别发出一束光射向挂在火箭上的瞄准装置，箭上瞄准装置对两光束进行方位解算获得已知方位角，再测量出箭上惯性单元棱镜法线与自准仪的夹角，最终实现惯性单元初始方位的确定。在火箭点火前，箭上瞄准装置与箭体自动分离。乌克兰采用双光束的瞄准实现了瞄准过程的全自动化、全天候。

1.2 发射场布局和系统构成

未来运载火箭若采用双光束瞄准方案，发射场可按图 2 布局。P0点是发射点，P1点是瞄准点，P4点是基准点，P2、P3点是光束发射装置架设点，P1P4连线与理论射向重合(理论射向与北向夹角 )，P2P3连线与理论射向垂直。

1.3 双光束瞄准工作原理

光束发射装置安装点的连线方位与火箭理论射向所成的角度，经由测绘部门事先标定，工作时分别发出一束不同调制频率的具有一定发散角度的平行光，射向火箭瞄准玻璃外的自动准直仪上，两光束所在的平面与理论射向呈已知角，即光束垂直投影在 P2P3上(见图 2)。光束通过自动准直仪上的双平面反射镜反射，反射光经过聚焦镜聚焦在光敏元件上(见图 3)，当双平面反射镜棱线方位与理论射向平行时，选择恰当的棱角 ，可使双光束经过双平面反射镜反射后的两束光平行，平行光经过聚焦镜汇聚在光敏元件的同一点上，经光敏元件和处理电路进行光电信号转换和信号处理，可判定此时处于方位瞄准好状态。

2 理论推导

建立坐标系，见图 4。在瞄准过程中，双平面反射镜连同自动准直仪固定在火箭瞄准窗外，双平面反射镜随箭体一起运动，运动量可以分解为沿 x 轴旋转的俯仰运动、沿 y 轴旋转的滚动、沿 z 轴旋转的方位转动。

3 试验验证

为了验证方位变量 在小角度范围内时， 角与光斑在光敏元件上沿 X 轴的变化量呈线性关系，开展了模拟试验。将一平面镜垂直放置在摇摆台的工作面上，用摆台倾斜来等效火箭方位转动，一固定光束从摇摆台外照射到平面镜上，用一光管接收经由平面镜反射的光斑，摇摆台按照一定步长装 角，光管测量平面镜反射光束的方位变化值。光管测量的光斑变化轨迹就是等效的双平面反射镜的反射光斑在接收器件所在的平面内的运动轨迹。

4 方案优点和关键技术

4.1 优点

a)双光束瞄准具有快速、高精度、全自动等优点;

b)双光束瞄准方案光程较传统单光束方式缩短了至少 1 倍，更能抵抗发射场雾、雨、阴、强太阳光等不利因素的影响;

c)双光束瞄准方案可适用于不同高度、直径的火箭，能覆盖中国现有的所有运载型号，并能满足中国将来更大型运载火箭的瞄准需求。

4.2 关键技术

a)能量分布尽量均匀的调制光源设计;

b)双平面镜棱线方位零点跟踪识别及稳定系统设计;

c)在中国，箭体外壁安装自动准直仪还从未被应用过，在点火前自动准直仪需要与火箭分离，如何实现迅速、有效、高可靠性的脱落并回收设备需要进一步攻关研究。

5 结 论

双光束瞄准方案相对于目前中国运载火箭瞄准方案而言，具有自动化程度高、瞄准速度快、瞄准敏区大、环境适应能力强等优点，可以在火箭变形或风晃情况下实时快速捕获目标完成瞄准工作，可以满足火箭棱镜大角度安装偏差下的大敏区角度测量需求和无人值守的自动化瞄准需求，该方案在后续突破关键技术的基础上，可以在未来大型运载火箭上应用。同时，该方案对于未来全天候快速机动导弹瞄准有一定的参考价值。