飛行器野外長時間熱待機狀態方位姿態研究

劉 凱 趙天承 張 捷 周 軍 王春喜 沙春哲

(1. 北京航天計量測試技術研究所，北京 100076;2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076;3. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

隨著宇航技術的不斷發展，飛行器的種類越來越多，不同的飛行器在發射技術呈現出技術上的多種多樣。一些飛行器采用“水平瞄準”方式，通過慣性器件和光學基準傳遞為飛行器發射系統提供位置信息及發射基準方向。

在這種發射方式中，飛行器在野外水平瞄準后長時間水平待發，期間飛行器方位姿態如果發生較大變化則會影響飛行器的導航及命中精度，因此對飛行器長時間熱待機狀態下的方位姿態變化進行監測探究十分必要。

2 飛行器方位姿態長時間實時監測系統

如圖1所示，監測系統主要由光電自準直儀、經緯儀、溫度巡檢儀和工業計算機組成。

本監測系統采用光電經緯儀和光電自準直儀相結合的方式進行，光電自準直儀完成對飛行器上瞄準棱鏡的實時監測，為克服光電自準直儀自身的方位測量基準隨時間漂移，采用經緯儀間隔相應時間對高精度自準直儀進行基準校準。

溫度巡檢儀完成對分布在飛行器不同位置的10個溫度傳感器的數據實時采集。系統采集角度數據和溫度數據通過串口實時上傳到工業計算機并儲存。

圖1 監測系統組成原理圖Fig.1 Composition of monitoring and testing system

2.1 方位角導引法

本飛行器長時間熱待機狀態方位姿態探究采用“方位角導引法”[1]如圖2所示，該方法是依據已知方位角的某條測量線(基準邊)，經過多次測量儀器的對瞄與測角，導出所求線的方位角。其基本計算公式如下

(1)

式中：Aj——所求線的方位角，(°)；A0——已知線的方位角，(°)；βi——第i個傳遞角的實測值，(°)；i——傳遞角的序號，從1至n，共n個傳遞角。

圖2 監測系統采用方位角導引法原理示意圖Fig.2 Operation principle of monitoring and testing system used azimuth transfer

2.2 高精度光電自準直儀

高精度光電自準直儀利用自準直法對小角度范圍內被測反光鏡的微小轉動進行測量，通過光電探測器對角度偏轉信號進行采集，有測量自動化、精度高等優點。

高精度光電自準直儀的物鏡筒上安裝有瞄準棱鏡，如圖3所示。使用經緯儀和標桿儀建立相對測量基準邊，間隔一定時間使用經緯儀觀測高精度光電自準直儀上瞄準棱鏡的方位姿態變化來對高精度光電自準直儀的光軸姿態進行修正。

1-瞄準棱鏡；2-高精度光電自準直儀圖3 高精度光電自準直儀與瞄準棱鏡Fig.3 Operation principle of autocollimator

在利用外部基準對整機進行裝調及修正，光電信號經過自適應采樣、滑動濾波等處理后，光電自準直儀可以克服元件非線性、環境雜散光、被測件擾動像等的影響，監測系統在±1000″范圍內測角精度可達0.7″(1δ)。

2.3 經緯儀

經緯儀是大地測量的基本儀器，具有能適應野外測繪條件的特點[2]，本監測系統中電子經緯儀采用旋轉光柵式測角系統，有效的消減了分度元件的刻劃誤差，使經緯儀的測角標準偏差達到0.5″[3]。

2.4 標桿儀

標桿儀與經緯儀組合用于將地面上的地標點引出至地面的一定高度[4]，方便經緯儀的對準。在測量時，將在場坪地面上的兩點連線作為相對的方位基準邊；標桿儀和經緯儀2的回轉中心分別與這兩點對齊，經緯儀2對準標桿后即可將方位基準引出，經緯儀1再將利用此基準觀測自準直儀的方位變化。如圖4所示為本監測系統所用標桿儀，其對心誤差不大于0.5mm。

圖4 標桿儀Fig.4 Pole instrument

2.5 溫度測量模塊

根據以往測量經驗，造成飛行器在水平狀態長時間熱待機時方位變化的主要影響因素可能是日照等環境因素造成的飛行器表面的溫度不均勻，因此使用溫度巡檢儀監測飛行器表面溫度，其技術指標如表1，溫度巡檢儀可以同時采集10個溫度傳感器的測試數據，傳感器布置如圖2所示。

溫度巡檢儀采用PT100熱電阻貼片溫度傳感器，配合溫度巡檢儀將溫度信號變送為數字信號輸出，傳輸距離遠、精度高。測量時使用專用黏結劑將傳感器固定在飛行器上。

表1 溫度巡檢儀主要技術指標

2.6 數據采集分析模塊

監測系統在Visual C++ 6.0版本下開發實現。由于Visual C++擁有一個數據量大、功能齊全的MFC庫，該庫實現了對絕大多數Windows API的封裝。研發人員在Visua1 C++中既可以使用MFC完成絕大多數的編譯工作，同時也可以隨時調用windows API函數來完成深層次的開發[5]。除此之外，Visual C++在數據訪問、向導和Internet支持等方面增加了許多新功能，這些功能可以用來開發在Windows環境下的數據采集功能強大、圖形界面豐富的各類應用軟件系統。

監測系統工業計算機對高精度光電自準直儀的實時數據進行采集和存儲，并且通過經緯儀的串口通訊每隔30min對采集的高精度自準直儀數據進行修正。

溫度巡檢儀通過串口通訊接入工業計算機，完成監測系統對于飛行器各個位置的溫度變化的監測，并與高精度光電自準直儀的數據同步采集，用來實現不同物理量的多維分析。

監測系統數據采集頻率設置為1Hz，可以完成11小時不間斷長時間的多維度數據采集，并將數據存儲在工業計算機硬盤中，長時間監測試驗結束后，可以根據采集數據完成數據分析。

3 采集數據處理分析

某飛行器長時間熱待機狀態姿態監測從下午14:26到第二天00:26之間進行，本時間段溫度變化較大，過程中全程記錄飛行器方位姿態、飛行器各處的溫度變化數據。

為盡量減小日照、風等野外環境對高精度光電自準直儀和經緯儀的精度影響，高精度光電自準直儀和經緯儀等測角設備被安置在遮陽、避風的帳篷或者車間內。

監測系統采集的數據采用Origin 8.0軟件進行數據分析和函數回歸擬合，Origin 8.0提供了強大的線性回歸和函數擬合功能，其中最有代表性的是線性回歸和非線性最小平方擬合[6]。常用領域是數據分析以及繪圖數據分析包括數據的排序、調整、計算、統計、頻譜變換、曲線擬合等，本次試驗的數據處理采用最小二乘法線性回歸擬合。

如圖5所示，根據溫度巡檢儀的實時監測， 12日下午14時26分至13日0時26分飛行器表面各部分溫度由30℃逐漸減低至-5℃，18時之間降溫幅度較大，之后變化平緩。

由于監測系統采集數據量較大、測試環境惡劣，本論文數據處理采用Savitzky-Golay光滑濾波，并設置平滑數據點為1000。

圖5 飛行器各部位溫度-時間變化圖Fig.5 Temperature-time variation curve of each part of the aircraft′s azimuth gesture

(a) 飛行器方位姿態和表面平均溫度-時間變化圖(a) Aircraft′s azimuth gesture and average temperature variation with time

(b) 飛行器方位姿態和飛行器首尾表面溫差-時間變化圖(b) Aircraft′s azimuth gesture and temperature difference between the head and tail of aircraft variation with time

(c) 飛行器方位姿態和飛行器左右表面溫差-時間變化圖(c) Aircraft′s azimuth gesture and temperature difference between the left and right variation with time

(d) 飛行器方位姿態和環境溫度-時間變化圖(d) Aircraft′s azimuth gesture and environmental temperature variation with time

由圖6可以看出，在長時間的野外實時監測過程中，飛行器方位姿態角隨表面平均溫度、首尾表面溫差、左右表面溫差以及環境溫度有明顯的線性相關關系。

(a) 飛行器方位姿態-表面平均溫度擬合圖(a) Regression fitting of aircraft′s azimuth gesture for average temperature

(b) 飛行器方位姿態-飛行器首尾表面溫差擬合圖(b) Regression fitting of aircraft′s azimuth gesture for temperature difference between the head and tail

(c) 飛行器方位姿態-飛行器左右表面溫差擬合圖(c) Regression fitting of aircraft′s azimuth gesture for temperature difference between the left and right

(d) 飛行器方位姿態-環境溫度擬合圖(d) Regression fitting of aircraft′s azimuth gesture for environmental temperature

由圖7可以看出，通過對飛行器方位姿態變化與四種溫度參數進行線性擬合，野外飛行器方位姿態長時間變化與表面平均溫度和環境溫度最具有線性相關關系。

(a) 飛行器方位姿態-平均溫度擬合殘差圖(a) Residual graph aircraft′s azimuth gesture with average temperature

(b) 飛行器方位姿態-環境溫度擬合殘差圖(b) Residual graph aircraft′s azimuth gesture with environmental temperature

4 結束語

本論文采用先進的測角方法和測角設備，對飛行器在野外長時間熱待機狀態方位姿態的變化隨溫度變化的規律進行監測和數據分析，并得出了得出野外飛行器方位姿態長時間蠕變的初步結論。該方法和結論可以廣泛應用于類似飛行器方位姿態變化的測量工作，對于航天及航空工業的發展具有重要的作用。