航天十五所陀螺寻北仪发展的回忆

航天十五所陀螺寻北仪专业回忆(1)

记得1970年冬天在太原发射场火箭发射前几天下了一场大雪,后来积雪融化了，就在火箭发射前一天天气突然降温,早上发现发射场坪地面出现很多裂缝,最宽的裂缝足足有三十毫米。我立刻到方位基准地标附近察看，眼前的场景让我一下蒙了，地标附近也出现大裂缝，显然地标位置被移动了。

发射场用于为火箭发射瞄准的方位基准是地面上安放的三个基准点(陶瓷十字标),瞄准间内的基准点称为“瞄准点”,瞄准窗外大约在射向方向距离瞄准点接近30米远的左右两侧分别设置两个地标，左侧为“方位基准点”,右侧为备份的“方位检察点”，这两个点相距二三十米远。瞄准点与“方位基准点”的连线（瞄准线）以及瞄准点与方位检查点连线的大地方位角是测量大队经过大约一周的时间精确测量的。

方位基准点附近的地面裂缝走向大致平行于瞄准线则瞄准线的大地方位角就会出现巨大偏差，仅此一项误差也可能造成近1km的弹着点横向偏差，这是不可接受的。重新测绘方位基准肯定是来不及了。我立刻将此意外情况报告给发射指挥部。

指挥部领导反问:这种情况下明天是否可以如期发射？我不敢回答。我一个人无法承担这个责任，于是请来火箭总体和发射基地有关负责人一起仔进一步细查看和分析，发现“检查点”附近的裂缝距离检查点比较远其裂缝走向大体与检察点与瞄准点连线方向接近垂

直状态，也就是说备份地标的大地方位角变化量在可能在允许的误差范围内。大家一致同意利用备份检查点如期进行方位瞄准和发射。

最终发射结果的横向偏差在预定范围之内。

这是我第二次遇到有惊无险的难忘经历。第一次是曾经遇到下午的阳光进入瞄准仪光管内造成瞄准仪短时间失灵。

上述突然发生的意外让人意识到过去对于地标的保护只限于防止人为有意（阶级敌人）和无意的破坏或者是自然灾害-地震而忽略了这类因素。在讨论这个问题时测绘大队负责人提到国外采用陀螺经纬仪（以下称摆式陀螺寻北仪）进行快速方位基准测量，还可以用于武器机动发射。

这是我第一次听说“陀螺寻北仪”因此感到十分好奇。记得当时在一起参与讨论关于地标移动处理方法的总体设计部康家仁老师还为我上了关于陀螺寻北仪原理的第一课。

引进德国半液浮陀螺寻北仪

后来得知当时国内采矿单位曾经引进几台德国MW10陀螺经纬仪用于井下隧道挖掘的定向。1971十五所花巨资从德国引进一台。

仪器由谷晋桥老师负责管理和操作。

MW10的陀螺房,敏感地球自转的传感器,犹如一个大肚长颈的瓶子。瓶肚子里安装陀螺马达-高速旋转的转子，其旋转轴处于水平位置。在地球自转的作用下，陀螺马达转子轴有趋北向的能力。为了尽可能消除瓶子转动摩擦，瓶子被放在漂浮室内的漂浮液中并且处于漂浮状态。为了防止瓶子翻到，瓶子长颈端部用低摩擦的宝石轴承定位。

寻北测量前，在蒸馏水里溶入一种化学药品，改变溶液的比重然后灌入陀螺房漂浮室以使陀螺房处于合适的悬浮状态。陀螺马达的三相电源是通过三根（或四根）特制导流丝连接到陀螺房。这里的水也起着散热的作用防止陀螺马达工作时发热升温。

寻北过程是手动操纵对陀螺房的方位摆动,也即陀螺转子轴的趋向北的方位摆动进行跟踪并且通过读取摆动的左右逆转点的经纬仪方位读数求得中间值作为寻北结果。其寻北精度约为２０″，寻北时间大约为４０分钟。

由于该仪器体积大，架设和操作复杂因此并未在火箭发射中使用只是作为学习和参考。

吊丝式陀螺寻北仪

不久，德国研制成功小型化的GK-1陀螺经纬仪，第一次采用特制恒弹性合金（Gu40Mu5）悬带将陀螺房悬挂起来以消除了陀螺房方位转动的摩擦。此悬挂方式大大简化了寻北仪的整体结构成为摆式陀螺寻北仪发展的里程碑。

1971年唐山铁道学院仿制成功GK-1。这是一种简单的将陀螺房上挂在普通经纬仪上构成的上挂式手动跟踪的吊丝陀螺经纬仪。一次寻北时间40分钟。寻北精度30角秒。后来在徐州光学仪器厂进行小批量生产。

国内首台军用陀螺经纬仪

1972年航天十五所决定开展寻北仪的研究。由于当时自身设计能力和精力有限于是决定委托外单位研制。最初曾经希望航天13所

主持研制但是当时13所忙于火箭惯性系统无瑕顾及地面发射设备，只承诺提供需要的陀螺马达和相应的三相中频电源（换流器）。这种情况下十五所不得不寻找其他协作单位。

尽管几年前曾经因某些原因十五所中断了与总参测绘所研制瞄准仪的协作，但是总参测绘所的研发能力被广泛认可。因此经过多方考虑还是决定请总参测绘所研制这国内首台军用陀螺经纬仪也是国内首台陀螺房下挂式陀螺经纬仪。

总参测绘所成立研制组参加人有沈少宇、黄存忠和1001厂。据我所知，在研制工作中沈少宇负责仪器中的核心部件-陀螺房、悬带、导流丝和锁放机构的设计，1001厂负责经纬仪和目视手动跟踪机构的设计和全部光机生产，黄存忠负责试验调试。十五所派谷晋桥作为外协负责人。经过将近两年的努力终于研制成功国内首台军用吊丝式陀螺经纬仪命名为461陀螺经纬仪。研制成功后不久沈少宇调离。

461陀螺经纬仪也是目测手动操作但是没有采用上挂式结构而是将陀螺房放在经纬仪的下方。其寻北时间为45分钟，多个逆转点观测法。短期的均方差号称10角秒但是严格说远低于10角秒。

1974年第一台461陀螺经纬仪移交给十五所。经过谷晋桥老师多次在地面和地下寻北测量试验考核并培训了几批操作手之后定型。我本人未参加研制和试验工作只参加了陀螺马达和三相陀螺马达电源（换流器）的验收。

当时为了确保寻北精度选用了13所为火箭姿态控制用的垂直陀螺仪上使用的大动量矩陀螺马达，其动量矩是国外同类寻北仪使用的

陀螺动量矩的5倍。马达功耗为30W，国外为仅3W。由于功耗过大造成工作时陀螺房升温可达六七十度严重影响寻北精度的可信度也大大限制了两次寻北时间间隔，必须在间隔一小时以上才能充分散热。由于陀螺马达直径过大造成寻北仪整体过大，架设和撤收需要两个人抬。虽然存在一些不足但作为国内第一台军用陀螺经纬仪毕竟是完成了从无到有的飞跃此后在1001厂进行批量生产。

具有绝对测量功能的四位陀螺罗盘

461通常用于地下的天文北测量以建立地下天文基准。除去仪器结构庞大和操作不便之外，其仪器常数稳定性存在较大问题，可信度不高，需要经常与地面高精度天文测量基准进行比对来修正仪器常数。

为了跟踪国外最新技术，那时每两周必定去科技资料单位查阅国外发表的与自己专业有关的杂志、会议录、专利、科技报告。那时只能一个个翻阅卡片箱和科技资料目录。这也得益于我毕业分配初期曾经在情报组工作一年,深知国外资料中应有尽有。

1980年我看到美国TRW公司“四位陀螺罗盘”的报道和相关资料经过反复学习大致有了一些了解。为了彻底解决建立高可靠的天文基准技术问题我和肖锡珙老师我写的例题报告是戴树智所长审批的。那是我第一次写，记得主管预言项目的戴树智副所长在我的报告上工工整整写下密密麻麻工工整整的写下指导意见甚至指出用词不当和错别字。南新宇所长对此极力支持和鼓励希望尽快开展研制工作。

四位陀螺罗盘需要采用高精度液浮陀螺，当时只有天津707所的915惯导陀螺属于这种陀螺。