光電著艦測量設(shè)備甲板捷聯(lián)式視軸穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雪雷，王志乾，蘇宛新，喬彥峰

（1.中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

光電著艦測量設(shè)備是采用光學(xué)手段對(duì)艦載機(jī)著艦過程進(jìn)行跟蹤觀測的精密測量設(shè)備，它采用自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別［1］和光電跟蹤技術(shù)對(duì)著艦飛行器進(jìn)行精密跟蹤，高精度獲取飛行器的下滑航跡角［2］信息及姿態(tài)數(shù)據(jù)，在艦機(jī)適配性訓(xùn)練［3］及艦載機(jī)定型鑒定中發(fā)揮著重要的作用.

作為一種艦機(jī)精密光學(xué)測量設(shè)備，艦體在海浪的作用下產(chǎn)生的隨機(jī)搖擺，對(duì)設(shè)備的跟蹤性能和測量精度都會(huì)產(chǎn)生很大的影響.因此，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮加入慣性系視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)［4］來克服艦體搖擺對(duì)觀測視軸［5］指向的影響，保持設(shè)備初始跟蹤基線的穩(wěn)定，并提高對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)觀測時(shí)的跟蹤精度和測量精度.

1 視軸穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取

光電著艦測量設(shè)備采用兩軸式光電跟蹤儀結(jié)構(gòu)［6］，對(duì)于兩軸式光電跟蹤設(shè)備而言，實(shí)現(xiàn)動(dòng)基座視軸穩(wěn)定通常有穩(wěn)定平臺(tái)法、視軸捷聯(lián)穩(wěn)定法和甲板捷聯(lián)穩(wěn)定法.

穩(wěn)定平臺(tái)法是首先實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的抗搖承載平臺(tái)，該平臺(tái)具有三軸抗搖的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和伺服控制回路，然后將兩軸的光電跟蹤設(shè)備安放在承載平臺(tái)上.

視軸捷聯(lián)穩(wěn)定法是將慣性傳感器（分離的單軸陀螺或組合式多軸陀螺）安裝在光電跟蹤設(shè)備的視軸平臺(tái)上，直接敏感出在視軸上的慣性系運(yùn)動(dòng)分量，通過反饋控制使視軸指向保持穩(wěn)定.

甲板捷聯(lián)穩(wěn)定法是將慣性傳感器與甲板平面捷聯(lián)安裝，首先敏感出甲板平面上的艦體搖擺數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)學(xué)變換，計(jì)算出光電設(shè)備跟蹤軸向上的擾動(dòng)分量，最后再對(duì)光電設(shè)備進(jìn)行抗擾動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤視軸穩(wěn)定.

考慮到甲板捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備安裝校準(zhǔn)時(shí)復(fù)雜程度較低，便于采用成熟的整裝傳感器產(chǎn)品，可借用設(shè)備原有的伺服系統(tǒng)工作，且外部數(shù)據(jù)接口中也常以甲板系作為艦搖數(shù)據(jù)參考基準(zhǔn)，本文在設(shè)計(jì)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)選用甲板捷聯(lián)式直接穩(wěn)定法.

2 結(jié)構(gòu)描述和姿態(tài)角變換公式

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，B，M和C為光電著艦測量設(shè)備的3個(gè)基本組件：B為設(shè)備基座，與艦體甲板固連；M為方位轉(zhuǎn)臺(tái)，繞設(shè)備垂直軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生方位角A，并承載設(shè)備水平軸系O′和觀測機(jī)構(gòu)C；C為觀測機(jī)構(gòu)，主要是光學(xué)成像系統(tǒng)，繞水平軸O′做俯仰運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生俯仰角E，V為光學(xué)系統(tǒng)視準(zhǔn)軸.由于水平軸O′被安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，因而水平軸及觀測部也同時(shí)做方位旋轉(zhuǎn)，視準(zhǔn)軸、垂直軸、水平軸校準(zhǔn)后交匯于同一原點(diǎn).

I為慣性系下的姿態(tài)角傳感器，選用三軸組合慣導(dǎo)平臺(tái)［7］，通過設(shè)備基座與艦體甲板捷聯(lián).慣導(dǎo)平臺(tái)的3個(gè)敏感軸ox，oy和oz形成右手坐標(biāo)系，分別敏感出3個(gè)自由度的姿態(tài)角量.其中ox為艦體橫滾角R的敏感軸；oy為艦體艏搖角H 的敏感軸；oz為艦體縱搖角P的敏感軸.

由于光電著艦測量設(shè)備采用其方位軸、俯仰軸作為運(yùn)動(dòng)軸，因而，要實(shí)現(xiàn)視軸姿態(tài)控制，應(yīng)將慣導(dǎo)平臺(tái)敏感到的姿態(tài)角量變換成甲板系下的視軸指向角偏差.

通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，引用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣，可推出甲板捷聯(lián)法的“甲板姿態(tài)－視軸指向”姿態(tài)角變換公式［8］：

圖1 甲板捷聯(lián)法結(jié)構(gòu)示意圖

式中：Ao，Eo分別為目標(biāo)在站心地平極坐標(biāo)系［9］下的方位角、俯仰角指向；R，P，H分別為慣導(dǎo)敏感出的艦體／設(shè)備搖擺數(shù)據(jù)橫滾角、縱搖角、艏搖角；Ac，Ec分別目標(biāo)在甲板極坐標(biāo)系下的方位、俯仰角指向.

各變量要素還應(yīng)滿足如下基準(zhǔn)條件：

（1）慣導(dǎo)平臺(tái)與甲板捷聯(lián)安裝時(shí)將傳感器上的載體軸向標(biāo)記刻線OX，OY和OZ與甲板坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)，即OX平行于甲板平面指向艦艏，OY垂直于甲板平面指向天頂，OZ平行于甲板平面指向右舷.

（2）慣導(dǎo)平臺(tái)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)基于站心地平坐標(biāo)系，即ox，oy和oz敏感軸的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)零位分別指向正北、天頂和正東方向；橫搖角R、縱搖角P的正向與其敏感軸間遵從右手定則關(guān)系，艏搖H的正向與其敏感軸間遵從左手定則關(guān)系.

（3）設(shè)備在甲板上安裝時(shí)經(jīng)過調(diào)平和零位校準(zhǔn)，使得設(shè)備跟蹤軸方位角A的零位指向艦艏方向，俯仰角E的零位平行于甲板平面.

按照（1）式、（2）式求出Ac和Ec后，分別與設(shè)備跟蹤軸在甲板系下的指向角反饋量A和E做差，即可得出艦體搖擺引起的視軸指向角偏差量.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)框圖

視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)建立在設(shè)備固有的自動(dòng)跟蹤控制回路基礎(chǔ)上，和著艦設(shè)備的其他光電跟蹤功能（如電視自動(dòng)跟蹤）同時(shí)工作，方位和俯仰軸都采用相同的控制結(jié)構(gòu).以方位角跟蹤為例，設(shè)備伺服控制系統(tǒng)的完整框圖如圖2所示.圖2中視軸穩(wěn)定系統(tǒng)與設(shè)備的其他跟蹤控制回路共用速度回路內(nèi)環(huán)，視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的控制量輸出作為其他控制方式的前饋量，疊加在速度回路輸入端.

為便于分析視軸穩(wěn)定回路的抗搖隔離性能，根據(jù)疊加原理，將視軸穩(wěn)定回路分離出來，并考慮到方位、俯仰回路的關(guān)聯(lián)性，對(duì)視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)建模（如圖3所示）.

視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)由光電著艦測量設(shè)備的角速度跟蹤內(nèi)環(huán)和慣性系下的視軸姿態(tài)控制外環(huán)構(gòu)成（見圖3）.內(nèi)環(huán)采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為方位軸、俯仰軸速度反饋元件，以直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件，控制對(duì)象可簡化為典型的二階慣性環(huán)節(jié)［10］，通過閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高帶寬高精度的角速度跟蹤；外環(huán)是姿態(tài)穩(wěn)定環(huán)，以組合慣導(dǎo)平臺(tái)作為姿態(tài)角反饋元件，姿態(tài)角給定值為站心地平坐標(biāo)系下的目標(biāo)指向角.當(dāng)艦體搖擺時(shí)，搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)視軸形成擾動(dòng)，最終表現(xiàn)為視軸在甲板坐標(biāo)系下的指向偏差.該指向偏差被組合慣導(dǎo)平臺(tái)間接敏感輸出（數(shù)據(jù)需經(jīng)變換），作為內(nèi)環(huán)的指向誤差給定量，內(nèi)環(huán)通過伺服控制實(shí)施指向修正，從而實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定.

圖2 帶視軸穩(wěn)定的方位跟蹤控制系統(tǒng)

圖3 視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)

3.2 控制參數(shù)選取及仿真

選取控制參數(shù)時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速模型采用待定系數(shù)試驗(yàn)法求解［11］，確定出方位、俯仰控制對(duì)象的固有參數(shù)，然后根據(jù)自動(dòng)控制理論采用頻域設(shè)計(jì)法，對(duì)速度回路控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)開環(huán)期望特性滿足穩(wěn)定性和帶寬要求.為兼顧系統(tǒng)的其他自動(dòng)跟蹤功能，速度回路選用了二階滯后－超前校正網(wǎng)絡(luò)［12］，可在有限帶寬條件下，提高回路增益，提升速度跟蹤性能.

由于海浪引起的艦搖擾動(dòng)帶寬很窄（實(shí)際統(tǒng)計(jì)約為0.1Hz），遠(yuǎn)小于速度回路閉環(huán)帶寬，且視軸姿態(tài)穩(wěn)定回路的隔離比要求也不算太高，故對(duì)視軸穩(wěn)定回路的控制器采用一階滯后－超前型校正環(huán)節(jié).

經(jīng)對(duì)某著艦測量設(shè)備的速度開環(huán)特性進(jìn)行實(shí)測分析，設(shè)計(jì)了該視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)參數(shù)如下：

進(jìn)行仿真時(shí)，根據(jù)海上的實(shí)際觀測經(jīng)驗(yàn)，以正弦運(yùn)動(dòng)模型θ（t）＝3sin作為艦搖函數(shù)，同時(shí)施加于橫搖、縱搖和艏搖參量上，通過姿態(tài)角變換函數(shù)計(jì)算出方位、俯仰軸上的擾動(dòng)速度量作為擾動(dòng)輸入，并模擬出慣導(dǎo)平臺(tái)的姿態(tài)角測量值.用Matlab工具建立系統(tǒng)控制模型，將運(yùn)動(dòng)函數(shù)代入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)對(duì)地平系零位目標(biāo)（地平系視軸姿態(tài)角給定量為0）進(jìn)行艦搖穩(wěn)定控制時(shí)，甲板系指向角數(shù)據(jù)A和E與誤差數(shù)據(jù)err A和err E的輸出曲線見圖4.

圖4 視軸穩(wěn)定控制回路跟蹤性能仿真曲線

視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的艦搖擾動(dòng)隔離殘差率［13］可由err A／（err A＋A）與err E／（err E＋E）求出，對(duì)上述仿真數(shù)據(jù)的進(jìn)一步計(jì)算可知，系統(tǒng)的艦搖隔離殘差率可達(dá)0.4%，合隔離度約50dB［14］.實(shí)際系統(tǒng)中，受慣導(dǎo)的測量精度、數(shù)據(jù)滯后及系統(tǒng)固有特性的影響，隔離精度會(huì)有所下降，可針對(duì)具體控制對(duì)象的模型特征，通過調(diào)整姿態(tài)控制器參數(shù)或階次等方式改善穩(wěn)定回路性能.

4 試驗(yàn)效果

本文的甲板捷聯(lián)法視軸穩(wěn)定系統(tǒng)應(yīng)用于某光電著艦測量設(shè)備，選用敏感精度為0.05°的慣導(dǎo)平臺(tái)作為艦搖姿態(tài)傳感器，設(shè)備在搖擺臺(tái)上進(jìn)行了模擬三級(jí)海況的視軸穩(wěn)定試驗(yàn).試驗(yàn)步驟如下：

（1）將設(shè)備在搖擺臺(tái)上安裝校準(zhǔn)，完成坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)，使之滿足上述3個(gè)基準(zhǔn)條件；

（2）放置目標(biāo)源，放置時(shí)為不失一般性，選取地平極坐標(biāo)系下方位角30°、俯仰角－10°作為目標(biāo)點(diǎn)位；

（3）固定搖擺臺(tái)，調(diào)整設(shè)備視軸指向目標(biāo)源，并使目標(biāo)源成像在視場中心，保持系統(tǒng)相對(duì)靜止；

（4）鎖止設(shè)備跟蹤軸，設(shè)置搖擺臺(tái)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，以搖擺臺(tái)當(dāng)前位置為擺動(dòng)原點(diǎn)，選取擺幅3°、周期9s，相位依次滯后45°的激勵(lì)源作為三級(jí)海況搖擺參數(shù)［15］驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)，此時(shí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)未工作，目標(biāo)像點(diǎn)在視場內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，記錄圖像并判讀出目標(biāo)在視場中的方位脫靶量Δa、俯仰脫靶量Δe，以（Δa，Δe）散點(diǎn)序列連線繪制目標(biāo)在視場內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5a；

（5）解除對(duì)設(shè)備跟蹤軸的鎖止，開啟視軸穩(wěn)定伺服系統(tǒng)，相同擺動(dòng)條件下驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)，在視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的作用下，視軸指向自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，記錄圖像并處理，獲得目標(biāo)在視場內(nèi)的散點(diǎn)軌跡如圖5b.

圖5 視軸穩(wěn)定效果試驗(yàn)曲線

對(duì)比圖5可知，視軸穩(wěn)定系統(tǒng)工作后，對(duì)艦體搖擺帶來的指向偏差起到了良好的抑制作用.經(jīng)對(duì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在三級(jí)海況條件下，艦搖隔離誤差最大值為5′.

5 結(jié)論

甲板捷聯(lián)式視軸穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于采用成熟的整裝傳感器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，設(shè)備安裝標(biāo)校也相對(duì)容易，擾動(dòng)隔離效果明顯，且可借助于光電跟蹤設(shè)備固有的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，是各種艦載、機(jī)載、彈載、星載光電跟蹤測量設(shè)備隔離慣性系擾動(dòng)的一種很好的選擇方案.從仿真和試驗(yàn)也可以看出，系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定隔離誤差也與慣導(dǎo)平臺(tái)的測量精度有關(guān)，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，可綜合考慮性價(jià)比因素，選用高精度慣性傳感器以獲得更好的隔離效果.

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