新型光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)

王曉明，王 濤

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

一直以來，天文導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度都受到提供水平基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的慣性系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量精度的限制。目前，國外最先進(jìn)的慣性系統(tǒng)對(duì)水平基準(zhǔn)實(shí)時(shí)測量的最高精度相比國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)的測量精度提高了接近一倍，實(shí)時(shí)測量精度可達(dá)到10 角秒（均方根值）。天文導(dǎo)航系統(tǒng)要解決水平基準(zhǔn)的自主測量問題才能夠?qū)崿F(xiàn)自主定位定向，發(fā)展全新的自主水平基準(zhǔn)實(shí)時(shí)測量技術(shù)成為當(dāng)前天文導(dǎo)航技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[1~5]。光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)是新近發(fā)展的解決水平基準(zhǔn)自主實(shí)時(shí)測量的新技術(shù)。

1 系統(tǒng)測量原理

光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的工作原理： 以低精度的慣性導(dǎo)航水平姿態(tài)信息作為系統(tǒng)測量的基礎(chǔ)支撐信息，以測量點(diǎn)當(dāng)?shù)卮蟮氐乩硭絽⒖济孀鳛樗綔y量的參考基準(zhǔn)，利用與慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系保持相對(duì)穩(wěn)定的二維復(fù)示平臺(tái)作為過渡基準(zhǔn)對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤測量，以基于自準(zhǔn)直—液浮平面反射鏡測量模型來精密測量慣性同步復(fù)示平臺(tái)的水平基準(zhǔn)偏差，通過對(duì)兩級(jí)精密測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)耦合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)載體被測面相對(duì)絕對(duì)大地水平參考基準(zhǔn)的實(shí)時(shí)測量。目前該方法僅僅適于應(yīng)用在地面設(shè)備的情況。

2 系統(tǒng)組成

光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的組成如圖1 所示，主要由機(jī)下顯控子系統(tǒng)、機(jī)上電控與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和機(jī)上跟蹤測量子系統(tǒng)三部分組成。機(jī)下顯控子系統(tǒng)接收慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的水平姿態(tài)角度信息并傳輸給機(jī)上電控系統(tǒng)，機(jī)上電控系統(tǒng)完成對(duì)機(jī)上跟蹤測量子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測量信息接收、處理、記錄并對(duì)外實(shí)時(shí)輸出水平基準(zhǔn)姿態(tài)角度測量信息。

圖1 光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Consisting of optical real-time horizontal reference measurement system

機(jī)上跟蹤測量子系統(tǒng)由慣性同步復(fù)示平臺(tái)和平臺(tái)水平偏差檢測工具兩部分組成，這兩部分構(gòu)成系統(tǒng)的兩級(jí)測量端實(shí)現(xiàn)水平基準(zhǔn)測量。慣性同步復(fù)示平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由縱搖軸系和橫搖軸系兩個(gè)精密軸系組成，縱搖基座和橫搖轉(zhuǎn)軸固聯(lián)在一起共同形成系統(tǒng)的縱搖軸線和橫搖軸線，縱搖軸和橫搖軸上分別安裝力矩電機(jī)和軸角編碼器，實(shí)現(xiàn)角度測量、跟蹤驅(qū)動(dòng)和位置反饋等功能。慣性同步復(fù)示平臺(tái)的伺服跟蹤模塊作為一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)采用位置閉環(huán)和速度閉環(huán)的雙閉環(huán)的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)來對(duì)粗略慣導(dǎo)的水平姿態(tài)進(jìn)行跟蹤并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一級(jí)精密測量。慣性同步復(fù)示平臺(tái)分系統(tǒng)三維模型圖如圖2 所示[6~12]。

平臺(tái)水平偏差檢測工具的分析設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)內(nèi)容，液浮平面反射鏡的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)總體測量精度是否滿足要求的關(guān)鍵技術(shù)。水平偏差檢測分系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)主要由自準(zhǔn)直平行光管、液浮平面反射鏡組件等部分組成，如圖3 所示。自準(zhǔn)直平行光管作為平臺(tái)水平偏差的檢測工具，通過與液浮平面反射鏡準(zhǔn)直測量得到慣性同步復(fù)示平臺(tái)與絕對(duì)大地水平面的精密角度誤差。平臺(tái)水平偏差檢測工具通過對(duì)光電自準(zhǔn)直平行光管的面陣CCD 采集到的星點(diǎn)反射圖像進(jìn)行偏差量提取，實(shí)時(shí)檢測復(fù)示平臺(tái)相對(duì)于絕對(duì)大地水平基準(zhǔn)的二維角度偏差量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的第二級(jí)精密測量。

圖2 慣性同步復(fù)示平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Consisting of inertial synchronized platform

圖3 水平偏差檢測工具三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Consisting of horizontal deviation detection tool

3 測量精度估算

依據(jù)推導(dǎo)出的光電水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的測量方程，并對(duì)上述方程應(yīng)用全微分法給出系統(tǒng)誤差傳遞公式，詳細(xì)分析慣性同步復(fù)示平臺(tái)和水平偏差檢測工具兩部分的測角誤差對(duì)系統(tǒng)總體精度的影響并估算測量系統(tǒng)的總體測量精度[6~12]。光電測量系統(tǒng)的測量原理如圖4 所示。

光電測量系統(tǒng)輸出的載體橫搖角度α 和縱搖角度β 是通過水平偏差檢測工具上安裝的光電傳感器像面坐標(biāo)系中的偏差量p1和p2以及分別安裝在橫搖軸和縱搖軸上的角位移編碼器的測量值θx和θy進(jìn)行耦合計(jì)算而得。即光電水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的測量方程為：

圖4 系統(tǒng)測量原理圖Fig.4 Schematic of the measurement system

根據(jù)誤差獨(dú)立作用原理，對(duì)各測量求偏導(dǎo)數(shù)，根據(jù)誤差合成定律推出系統(tǒng)誤差的傳遞公式為：

式（3）、式（4）即為光電水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)誤差的傳遞公式。經(jīng)計(jì)算慣性同步復(fù)示平臺(tái)的動(dòng)態(tài)測角誤差為：

橫搖軸動(dòng)態(tài)測角誤差： σθx=1.9″

縱搖軸動(dòng)態(tài)測角誤差： σθy=1.5″

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的液浮平面反射鏡對(duì)不同海況的適應(yīng)能力較強(qiáng)。針對(duì)不同海況條件下（四級(jí)海況、五級(jí)海況、六級(jí)海況）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：其橫搖、縱搖擾動(dòng)角度振幅均十分接近且小于0.8″，考慮數(shù)值分析時(shí)的一些簡化處理對(duì)測量結(jié)果有影響，計(jì)算反射鏡的隨機(jī)晃動(dòng)誤差時(shí)乘以擴(kuò)大系數(shù)。即液浮平面反射鏡的隨機(jī)晃動(dòng)誤差σθmx=1.6″，σθmy=1.6″。

自準(zhǔn)直平行光管偏差量提取誤差受像元分辨率誤差、空間量化誤差、信號(hào)處理誤差、視軸調(diào)整誤差和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的誤差等因素影響，經(jīng)計(jì)算：

σD=（σJ2+σY2）1/2=1.5″，由上述分析得：

計(jì)算得到系統(tǒng)的總體測量精度結(jié)果，兩個(gè)角度方向上的測量誤差均不大于3.5″。

4 結(jié)論

在詳細(xì)分析光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的用途、技術(shù)指標(biāo)、工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了二維伺服跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)與自準(zhǔn)直——液浮平面反射鏡耦合測量的技術(shù)方案；闡述了光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的工作原理、工作方式、工作流程及各部分的組成原理。光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不僅僅局限在船載測量設(shè)備的水平基準(zhǔn)測量上，還可以擴(kuò)展到車載測量設(shè)備、機(jī)載測量設(shè)備和球載測量設(shè)備上面，故本文測量模型分析中用到的相關(guān)問題處理方法是否適用于其它應(yīng)用環(huán)境需要進(jìn)一步驗(yàn)證。光電實(shí)時(shí)水平基準(zhǔn)測量方法為實(shí)現(xiàn)光電自主定位定向提供了理論上的可能性。

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