“无障碍”方位传递方法设想.doc

全天候无障碍方位传递方法1. 前言对于野外远距离方位瞄准，特别是多瞄目标例如炮群的瞄准系统，通常由寻北仪和光学或光-电方位传递装置组成。寻北仪完成北向基准的测定而光-电方位传递装置将寻北仪测得的北向基准向各被瞄设备传递。光-电方位传递装置通常由两部分组成：寻北仪上的光电发射器和被瞄设备上的接收器（例如光电周视镜）。方位传递过程首先需要将接收器的光轴对准寻北仪的中心标志，可称为“对标”，然后等待接收光电发射器发送的代表基准方位的光束信号并且解读接收到光束信号时刻的光束方位角即完成了方位传递过程。光-电方位传递方法具有无可争议的高精度和“快速性”，特别是与被瞄目标的多少无关。但是也存在一些限制条件，其中一些限制条件在战场上几乎是致命的缺陷。（a）通视条件光-电方位传递方法基于光线的直线传播原理，因此发射器与接收器之间“通视”是光-电方位传递方法的必要条件之一，在某些情况下不一定满足。应该说明的是，所述“通视”条件并不要求是“通行”的，也就是说，在满足通视条件的情况下，接收器可以设置在人所不能到达位置。（b）野外天气条件 在大雾、大雨、大雪和沙尘的野外条件下能见度降低而且光束出现散射，光-电信号被衰减并且产生畸变；暴晒条件下，寻北仪和光电发射器不能均匀受热而产生非对称变形而造成寻北误差和调平误差。在大风条件下寻北仪难以进行正常的寻北测量，光电发射器架设的稳定性受到干扰，如果设置风屏则造成通视障碍；（c）工作距离 工作距大，光信号发散，信号强度降低，光电接收器无法有效接受光电发射器发送的信号。因此希望工作距离尽可能近；（d）高程差 光-电方位传递方法是基于光学水平测角原理，因此在某些情况下，发射器与接收器之间的距离虽然很近而且通视但是两者的高程差（斜距）过大，也即水平测角过程中仰角过大，将造成过大的方位传递误差或者根本无法进行方位传递；（e）人工操作除去寻北仪和光电发射器的架设和调平需操作手要现场操作之外，被瞄设备上的光电接收器也需要操作手进行人工调平和“对标”，这在紧张的作战条件下容易造成人为错误； （f）暴露时间长 寻北和方位传递设备的架设、操作和撤收过程需要在无遮挡条件下进行，造成长时间暴露。（g）成本？ 每个被瞄设备必须设置具有望远镜功能的光电接收器及其安装基面。 周视镜被用来装订射向角和射向修正 对于某些群体车载定位定向系统通常也需要初始方位瞄准（即初始对准），由于条件的限制难以使用光-电方位传递，为此不得不在每辆车装上安装独立的寻北仪或者具有自寻北功能的定位定向设备，此时虽然提高了单体独立作战能力但是以提高成本为代价，尽管有些设备只需要中低精度的寻北仪。车载定位定向设备初始方位对准（即寻北）工作同样存在在大风条件下寻北仪难以完成精确寻北的问题，特别是轮式车辆的车载寻北。虽然目前出现具有抗风摆的寻北仪，但是仍然是以牺牲一定寻北精度或者延长寻北时间为代价。如果这些车载定位定向装置能够以简单的方法从指挥车上的高精度方位保持装置得到北向方位则可省去车载寻北仪同时也避免了大风条件下造成的寻北难题。此外，当某台寻北仪出现故障时，可能意味着本套设备全部或者部分丧失作战能力。此时如果能将相邻设备的北向方位简单快速的传递过来即可恢复其作战能力。这就意味着车体之间具有互为备份的能力。下述方位传递方法是为解决光电方位传递方法存在的一系列缺点而提出的。2.全天候无障碍方位传递方法的原理和组成光-电方位传递基于光线的快速直线传播和水平方位测角到原理。其使用过程中存在的限制条件也正是其基本原理所致。美国专利3930317(1976年)提出的全天候无障碍方位传递方法,采用安装在指挥车上的“可移动”惯性航向保持装置将其临时搬运到被瞄设备上完成方位传递。这里参考上述美国专利的基本思想，在指挥车上固定安装“主方位基准”（高精度航向保持装置以下简称“主机”）而利用小型中低精度的航向保持装置（以下简称为“子机”，例如小型光纤陀螺捷联惯导装置）完成从“主机”向被瞄设备的方位传递而不是采用光电传递方法。这里方位传递的载体是惯导装置而不是光线。被瞄设备上只需设置代表被瞄设备基准线的方位基准面和“子机”的支座。 “主机”和高精度寻北仪，安装在指挥车内，因此隔离了恶劣环境的影响，其初始方位可以预先由高精度寻北仪（例如高精度陀螺经纬仪）在良好条件下建立并且传递给主机进行高精度航向保持，成为不再受野外环境影响的车载动态方位基准。“子机”为中低精度、低功耗的小型便携惯导系统，平时通过快速连接器靠（“绑定”）在主机方位输出基面上，并且通过无线方式接收来自主机的方位和姿态信息以此不断进行更新自身数据，同时不断修正自身的航向漂移系数以提高航向保持精度。绑定条件下，“子机”的电源来自主机或者车载电源。“子机”内部设置电池或者超级电容作为短时间维持电源。一旦离开绑定位置，“子机”就开始独立导航，成为临时的航向记忆装置。指挥车开到被瞄设备附近停车，操作手快速将“子机”从绑定基座上取下并且放到到被瞄设备的相应的方位传递基座上，使“子机”方位基面与被瞄设备的方位基面靠紧，并且将此时“子机”记忆的航向角传递给被瞄设备，从而完成了主机向被瞄设备的方位传递过程。“子机”被立即送回到主机重新恢复到绑定状态。“子机”在短时间脱离绑定状态时产生的航向漂移再次被消除。 ABC主机方位基准直角棱镜陀螺经纬仪方位传递“子机”A驾 驶 室陀螺经纬仪三脚架的车体隔离孔方位基面图2 采用“方位基准台”的工作方式俯视示意图绑定支架经纬仪准直望远镜 为了保证传递精度,子机与主机之间的接触基面的水平线长度大于150mm.在给定的主机航向保持精度和方位传递精度的条件下，一次操作可传递的被瞄设备数量视“子机”漂移量大小以及“子机”脱离主机的时间而定。在多个被瞄设备条件下可采用多个“子机”和多人并行操作方式。如果几个被瞄设备之间的距离较近，在精度允许的条件下也可以增加“子机”一次传递的个数。上述方位传递过程中无需寻北仪架设、调平、寻北和撤收操作也无需光电方位传递的人工对准和架设调平操作，缩短了暴露时间减少了操作失误的可能。应该指出，上述方法并非绝对意义上的无障碍，实际上应该以操作手能携带着“子机”辗转到达被瞄设备为限。2008年12室为南京14所研制的天线方位传递用惯性平台提升方案实际上也属于这里所述方法。3.主方位基准台 除去上述以高精度惯导构成“主机”的之外，也可以采用简单的“主方位基准台”代替高精度惯导方法。指挥车或瞄准车内设置有与车体隔离的可调平“主方位基准台”和高精度陀螺寻北仪，如图2。“主方位基准台”和寻北仪的架设支架与车体隔离而直接架设到地面。寻北结果通过准直望远镜传递到“主方位基准台”的方位基面，成为一个无航向漂移方位基准。而“子机”则绑定在这简单的 “主方位基准台”上。“子机”以同样方法向被瞄设备进行方位传递。“主方位基准台”犹如前述主机，但是不存在随时间的漂移，其缺点是在被移动之后方位基准即被破坏。实际上如果前述，惯导主机在指挥车停留在工作位置之后立即将其脱离车体稳定的架设（同时调平）在地面同时锁定其航向输出值而作为“方位基准台”工作则主机的航向漂移将不再影响方位保持精度。“主方位基准台”也可以单独架设在靠近指挥车的其它适合的场地，当“子机”将“主方位基准”的方位传递到“主方位基准台”上之后指挥车即可离开现场。“子机”从“主方位基准台”向被瞄设备传递方位的方法不变。为了维持“子机”的持续工作，“主方位基准台”需要为“子机”设置快速充电或电池更换设备。 4.精度分析 在不考虑初始寻北精度条件下，上述方法的方位传递精度由主机航向漂移、子机航向漂移和子机两次机械定位精度决定。假设车载高精度主惯导系统（主机）主机航向保持 0.005/h，“子机”航向保持 0.5/h （目前小型光纤陀螺惯导在不包括电池状态下5Kg，150mm*150mm*150mm，售价低于20万元） 则总的传递误差为式中P（/h） “子机”漂移速率；t（分钟） 操作过程“子机”脱离主机（或者方位基准）直到方位传递完成（操作的返程时间除外）的时间；（） “子机”与主机的一次基面靠紧的机械定为误差。一次方位传递需要两次靠紧。 假设=，t=2min，p=0.5/h，则一次方位传递误差为如果一次操作时间缩短为1min，则可见缩短操作时间十分重要，通常1分钟的操作时间应该是足够了。应该指出，在采用光电瞄准的过程中，光电接收器（光电周视镜）的安装和目视定标过程同样需要操作时间并且存在一系列误差。5.操作过程 定位定向车接近被瞄设备之后停车，操作手只需从主机侧面的绑定支座上取下“子机”然后快速安靠在被瞄设备上的相应基面，按动“确认”按钮，其“子机”此刻航向记忆值即以无线传输方式传递给被瞄测设备的火控计算机，完成了主系统向被测设备的方位传递。操作手再将“子机”立即放回到主机绑定位置，重新连接电缆，“子机”恢复到绑定状态，“子机”内的电池也恢复到充电状态。根据“子机”航向保持精度的情况和操作时间，可确定“子机”一次传递目标个数的多少。车载主机应该尽可能停留在被瞄设备的附近（例如在10米之内）以便尽可能缩短操作手的操作时间（例如在1分钟之内完成），以便减少因“子机”航向漂移带来的方位传递精度损失。为了便于操作，“子机”的绑定机构需要快速电源连接和快速固定机构以及无