大型运载火箭风摆跟踪瞄准系统

大型运载火箭风摆跟踪瞄准系统 余祖荫 内容摘要 40多年前本人曾为某多级大型运载火箭在风摆条件下完成发射瞄准而提出并研究成功一种新的风摆跟踪瞄准原理和试验装置，利用简单的单光路系统和相位扫描调制法同时获取火箭上被瞄直角棱镜的方位转角和平移信息。根据新的原理研制的风摆跟踪激光瞄准仪曾经用于西昌卫星发射中心为长征3号运载火箭的发射瞄准并且获得国家重大科学进步奖。 有关自动跟踪瞄准仪的原理和系统构成的文章曾于1982年发表于中国航天丛书地面设备分册。这里将40多年前的原文做了局部修改之后作为一段历史回忆重录发表。 主题词：运载火箭方位瞄准 光电跟踪 光学调制 1．前 言 多级大型运载火箭发射前遇有大风时将产生摇摆，使地面瞄准仪不能对准安装在顶级火箭的制导平台上的瞄准直角棱镜（porro棱镜，以下称为直角棱镜），无限制的加大瞄准仪的光电准直平行光管（下称平行光管）的口径给制造和使用带来很多困难而利用自动跟踪系统可以更好的解决这一技术难题。 1968年美国发表的“土星运载火箭”风摆跟踪瞄准系统只是简单的提到平行光管发出的平行光经过五棱镜转向镜折转90°投射到火箭仪器舱上的惯导平台直角棱镜，通过移动五棱镜进行风摆跟踪但是没有进一步的说明。如图1所示。 根据后来美国发表的“土星运载火箭”风摆跟踪瞄准系统的资料得知该系统是采用一种双光路双边幅度调制原理，火箭上安装三个棱镜，瞄准直角棱镜、同步直角棱镜和跟踪用直角锥形棱镜并且通过光谱分割将三路信号分开。其双光路平行光通过转向五棱镜镜折转90°之后交汇于被瞄棱镜附近因此瞄准工作距离和跟踪零位都是不可调的，其有效负载是转向五棱镜。 本文提出的新原理是采用简单的单光路系统和简单的相位扫描调制法同时获取火箭上被瞄棱镜的方位转角和平移信息，从原理上讲其工作距离是任意的而且其跟踪零位是连续可调。 当捆绑式运载火箭出现之后，火箭平台瞄准直角棱镜的风摆量明显减小，跟踪瞄准仪也就退出了历史舞台但是作为一项重大科研成果曾经轰动一时，为此1981年和1984年航天部科研局曾经两次下达通知敦促十五所将其申报国家重大发明奖。由于本人不认可某个单位的做法最终决定放弃申报。 2．系统组成 本风摆跟踪瞄准系统由光电准直平行光管、测量与控制电路和执行机构组成。执行机构包括伺服电机、传动丝杠,而有效负载是转向五棱镜或者是光管本身，如图1，2。 系统中，风摆跟踪与方位瞄准共用一个光管，与在用的远距离光电瞄准仪中使用的光管的主要区别只是出射平行光的调制方法不同，其次是光管内增加了一个平移信号接收光敏元件和一个鉴相基准信号接收光敏元件。 由微型同步电机带动调制盘（或杯），盘上的等距通光孔对出射平行光束进行水平切割，成为明暗相间的等速水平移动的扫描光束投向被瞄直角棱镜。返回光汇聚于物镜焦平面－狭缝。当被瞄直角棱镜方位转动时，汇聚光点将在物镜焦平面内左右移动并且分别被左右两个瞄准光敏元件接收，两者信号之差即代表了被瞄棱镜的方位转角的大小和方向。返回光束被平移光敏元件接收，输出的光电信号经过放大和鉴相之后成为直角棱镜的左右平移信号。 虽然被瞄棱镜的转动与平移信号在光路中混杂在一起，但是由于瞄准信号表现为光焦点的空间移动信号而被瞄棱镜的平移信号表现为相位变化信号，通过电路的不同处理方法可将其分离。 美国“土星运载火箭”瞄准仪采用转向五棱镜跟踪，无疑是一种绝好的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，不但大大减小了跟踪负载的惯性更重要的是，由于采用转向五棱镜，其平移导轨的精度基本上不影响瞄准精度而采用平行光管直接跟踪时则导轨的精度精度直接影响方位瞄准精度因此必须采用超高精度的平移导轨，当摇摆量过大时，例如大于±300mm或者瞄准精度要求过高时采用转向五棱镜可能是唯一的技术途径。 本人的原理实验装置效仿了“土星运载火箭”，采用转向五棱镜进行跟踪，根据原理样机研制的激光跟踪瞄准仪则采用了瞄准仪（平行光管）直接跟踪方案。 3．关于方位瞄准原理的简单介绍 跟踪瞄准系统的主要任务是完成火箭的远距离发射瞄准，而跟踪系统只是保证火箭在风摆条件下也能顺利完成方位瞄准的辅助手段。本系统的方位瞄准原理仍然沿用此前常用的方法，这里只简单介绍，而本文的的重点是风摆跟踪系统。 如图2所示，在准直的情况下被瞄直角棱镜的法线平行于平行光管光轴，其返回的平行光会聚在刀口狭缝棱镜的刀口，并通过狭狭缝棱镜两侧的全反射镀层斜面折射到左右瞄准光敏元件，在准直条件下左右瞄准光敏元件接收的返回光信号相等，经放大、检波和取差后为零。当被瞄棱镜出现方位转动时左右瞄准光敏元件接收的返回光信号不再相等，取差之后即为瞄准信号。此原理曾经在其他瞄准仪上使用因此本文不再介绍。 4．风摆跟踪信号的光学调制原理 假设被瞄直角棱镜的法线与平行光管光轴是平行的也就是处于光学准直状态，则跟踪的目的是要实现直角棱镜的水平中心与平行光管的水平中心重合，也即使直角棱镜的水平线中心保持在平行光管投射光环的中心。为此必须首先解决如何实时测量这个不重合误差。这一工作只能通过分析从直角棱镜返回到平行光管的光信号完成。简单的平行光束是无法实现这一功能的必须对出射平行光束进行适当处理也称为光学调制。通常采用幅度调制和相位调制。 为了简化分析在不影响原理分析的条件下做如下假设： 1)将平行光管出射的圆形平行光束假设为理想平行光束其截面看作为矩型， 2)直角棱镜为全反射棱镜，返回的光强度与棱镜的受光面积成正比； 3)明暗相间的调制光束等速扫描； 4)扫描线及其明暗关系是绝对清晰而且均匀的，亮区与暗区的宽度相等； 4.1.幅度调制原理 所谓幅度调制是，通过对平行光管发出的平行光进行调制处理使直角棱镜返回的光信号中的基波幅值正比于被测量的跟踪误差X。 幅度调制方法有很多种这里只简单的介绍本人在研制过程中曾经考虑的两种种方法。 4.1.1.光闸幅度调制 最初的考虑是采用左右两个对称光闸作为斩光器，1965年总参测绘所研制的1型光电瞄准仪就是采用光闸调制，将平行光管发出的平行光束分为左右两半，交替通光，左边亮时右边是暗的，反过来右边亮时左边是暗的，通光时间各占一半。虽然这一方法比较理想但是由于使用光闸的光学系统比较复杂而未被采用。进而设计了简单的机械扫描式幅度调制方法。简单的说就是通过一个上下扫描的机械遮光器将平行光管的出射平行光分割为左右两半，左边通光时右边不通光，反过来是右边通光时左边不通光，如此交替，左右通光时间各占一半，如图5。 图5为光闸幅度调制的平行光束投影图。图6为光闸开关调制过程中的光电信号波形。 在直角棱镜未移出平行光束时有 （1） 跟踪误差 b        棱镜的宽度 此时左右两部分相位相差180°的信号幅值分别为 （2） （3） h        棱镜高度 K        单位面积的光强度对应的光电变换输出电压 此时平移光敏元件所得到的光信号交流分量的最大幅值为 (4) 直流分量为 （5） 其基波分量为 （6） 上式表明，在上述光闸幅度调制下其接收的信号的基波分量的幅值与跟踪误差X成正比。 当X为负时基波分量为 (7) 此时基波分量的相位变化180°。 跟踪误差X为零时，即被瞄棱镜左右位置正好在平行光束的中间，棱镜左右半边反射回的光信号强度相等，但是相位差180°，由于两者同时落在同一个光敏元件上其合成的光信号如图3中的第一条直线。交流分量为0，驱动电机静止不动。被瞄棱镜的位置在平行光束中心线偏左边时X〉0，棱镜左半边受光面积加大，反射回的光信号强度大于右半边反射回的光信号强度，两者同时落在同一个光敏元件上其合成的光信号如图6中的第二条线，出现频率为f的基波分量，经过以频率为f的基准信号的鉴相电路处理后的输出直流分量为正电压，伺服电机拖动负载，例如平行光管，向左移动以便减小棱镜左右对准的正向误差。 被瞄棱镜位置在平行光束中心线偏右边时X〈0，棱镜右半边反射回的光信号强度大于左半边反射回的光信号强度，其合成的光信号如图5中的第三条线，也出现频率为f的基波分量，经过以频率为f的基准信号的鉴相电路处理后的输出直流分量为负电压，伺服电机拖负载向右移动以便减小棱镜的左右对准的反向误差。 为了消除工频干扰，光闸调制频率选择与工频同步的50Hz×N,其中N为奇数。 4.1.2.上下扫描的幅度调制 由于光闸幅度调制的光路比较复杂因此曾经采用简单的机械调制盘进行上下扫描完成幅度调制，此时扫描过程不是瞬间开关因此光信号波形的前后沿出现斜坡，基波分量有所减小，特别是当直角棱镜出现上下移动时将转化为基波分量的相位移动从而形成对平移信号的干扰，一种正交干扰。 扫描幅度调制和下面介绍的扫描相位调制都采用简单的微型工频同步电机驱动调制盘，系统中采用25转/秒的3孔调制盘，调制频率f为75Hz。这种工频调制有利于滤除工频干扰。 在采用上下扫描幅度调制时平移光电接收器的输出波形如图8所示。上下扫描式幅度调制的缺点是： 1) 信号幅值有所下降； 2) 棱镜上下移动时可能转化对平移信号的干扰； 3) 不理想的平行光束中的斜光束不但降低有效平移信号的强度还可能改变跟踪零位。 上述两种幅度调制方法中跟踪零位是固定的不能随意调节。 4.2.相位调制 本系统最终采用的是相位扫描调制因此作为本文介绍的重点。 4.2.1．相位调制的光学原理 如图2，微型同步电机带动调制盘对光管发出的平行光束进行水平切割扫描。为了说明方便图中的电机和调制盘被绕着光管光轴转了90°画出。调制盘上有等距的通孔，转动调制盘时平行光管将发出一束明暗相间的等速移动的水平扫描光束射到被瞄直角棱镜。从直角棱镜返回的光束经过半透半反镜会聚在平移信号光敏元件上。而从刀口狭缝棱镜射出的扫描调制光经过半透半反镜投射到鉴相基准信号光敏元件。方位瞄准的光路结构保持不变。 下面按两种情况进行分析