基于導(dǎo)航系統(tǒng)的光電吊艙補漂方法

張?zhí)m蘭，郭新勝，壽少峻，趙創(chuàng)社，韓 偉，劉 虎

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電吊艙的穩(wěn)定控制是一種閉環(huán)控制回路，慣性元件是控制回路中的反饋器件，其精度直接決定了最終的穩(wěn)定效果。在光電吊艙中，通常使用陀螺來測量穩(wěn)定平臺的角速度，并通過執(zhí)行機構(gòu)使光電吊艙處于穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]?？紤]到陀螺本身的測量和誤差特性，在吊艙實際穩(wěn)定過程中，需要適時測量陀螺的誤差才能保證光電吊艙的瞄準(zhǔn)線不漂移。陀螺在靜止時的輸出值，首先有陀螺漂移、游走和噪聲等誤差；其次還有敏感到的地球自轉(zhuǎn)分量[3-4]。常用的補償方式是在載體靜止時直接測量陀螺輸出值，并以該值作為陀螺的漂移誤差。這種方式從數(shù)學(xué)模型上分析，可以看出是將陀螺漂移和地球自轉(zhuǎn)分量統(tǒng)一在一起了。當(dāng)光電吊艙進入穩(wěn)定狀態(tài)時可以有效補償陀螺誤差，使光電吊艙穩(wěn)定。但是一旦載體移動，尤其是轉(zhuǎn)動后，就必須重新測量才能再一次使吊艙穩(wěn)定[5-6]。

本文設(shè)計了一種基于載體導(dǎo)航系統(tǒng)的光電吊艙補漂方法，原理如圖1所示。該方法的思路是，在載體靜止時分析陀螺輸出值，包含陀螺本身的器件誤差和地球自轉(zhuǎn)在吊艙平臺上的分量。通過獲取載體導(dǎo)航設(shè)備提供的姿態(tài)信息和吊艙的各種框架旋轉(zhuǎn)角度，將地球自轉(zhuǎn)從慣性系分解到平臺系，最終將陀螺本身的誤差和地球自轉(zhuǎn)分量分離，并用相應(yīng)的補漂算法重新穩(wěn)定平臺，使光電吊艙在經(jīng)過一次測漂后，不需要因載體運動或轉(zhuǎn)動而重新測漂。

圖1 基于導(dǎo)航系統(tǒng)的補漂方法Fig.1 Compensation drift method based on navigation system

1 光電吊艙穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型

常規(guī)光電吊艙穩(wěn)定控制是通過光電吊艙框架結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，補償載體運動時的角運動，使光電吊艙的有效載荷在某一個空間中保持穩(wěn)定[7-8]。即無論載體如何運動，光電吊艙的瞄準(zhǔn)線都應(yīng)該保持穩(wěn)定。光電吊艙穩(wěn)瞄系統(tǒng)的工作原理是通過其內(nèi)部的慣性敏感組件，測量光電系統(tǒng)的角運動數(shù)據(jù)，并通過執(zhí)行機構(gòu)施以反向運動實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

在數(shù)學(xué)建模前，需要明確光電吊艙系統(tǒng)設(shè)計中的常用坐標(biāo)系。定義i為慣性系，慣性系是慣性空間的坐標(biāo)系；e為地球系，地球系與地球固聯(lián)，在慣性空間中以地球自轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動；t為地理系，地理系是載體在地球表面的坐標(biāo)系；b為載體系，載體系與載體固聯(lián)；p為平臺系，平臺系與光電吊艙的有效載荷固聯(lián)，在載體系空間中通過框架轉(zhuǎn)動[9-10]。

1.1 穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)定控制的基本原理是使載體的有效載荷保持地理系靜止。由歐拉變換公式可知：

式中：W表示角速度向量；Wtp表示p系相對于t系的角速度。（1）式表示平臺相對于地理系保持靜止。

由于陀螺測量的是平臺在慣性空間坐標(biāo)系中的角速度，故實際的穩(wěn)定控制表達式為

其中，

即：

式中：Wtb表示載體相對于地理系的角速度，由載體運動產(chǎn)生；Wbp表示光電吊艙平臺相對于載體的運動，由光電吊艙的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生；Wip表示平臺在慣性空間中的運動，可由陀螺測量得到；Wit表示載體所在位置在慣性空間中的運動；Wie表示地球自轉(zhuǎn)角速度，為常量；Wet表示地理系在地球系中的角速度，和載體的運動相關(guān)。

（4）式表示一般情況下不同坐標(biāo)系的角速度關(guān)系。由于向量在不同坐標(biāo)系的投影不同，需定義每個向量所在的坐標(biāo)系。定義（4）式的坐標(biāo)系為平臺系（p），則有：

式中，各變量的上標(biāo)“p”表示該向量的各個值是在平臺系的投影值。

2 常規(guī)補漂方法及缺陷

3 基于導(dǎo)航系統(tǒng)的補漂方法

4 試驗對比分析

將常規(guī)補漂和基于導(dǎo)航系統(tǒng)的補漂兩種方法分別應(yīng)用于同一種兩軸兩框架光電吊艙穩(wěn)瞄系統(tǒng)上，對補漂后的效果進行試驗對比。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)各參數(shù)如表1所示，試驗過程框圖如圖2所示。用常規(guī)方法測漂，隨后將光電吊艙繞天向軸轉(zhuǎn)180°，使其激發(fā)測漂誤差，保持穩(wěn)定控制10 min，得到常規(guī)測漂補漂的結(jié)果。同理，用相同的流程執(zhí)行基于導(dǎo)航的測漂補漂試驗，得到基于導(dǎo)航系統(tǒng)的測漂補漂結(jié)果，2 種補漂結(jié)果對比如圖3所示。常規(guī)方式和基于導(dǎo)航系統(tǒng)方式的試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果截圖如圖4 和圖5所示。

圖4 常規(guī)方式的結(jié)果截圖Fig.4 Screenshot of results by traditional way

圖5 基于導(dǎo)航方式的結(jié)果截圖Fig.5 Screenshot of results based on navigation way

表2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of test results data

圖3 試驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison of test results

表1 試驗參數(shù)Table 1 Test parameters

圖2 試驗框圖Fig.2 Block diagram of test

由以上對比試驗可以看出，采用基于導(dǎo)航的測漂方法有效地分離了慣性器件誤差和地球自轉(zhuǎn)分量，因此瞄準(zhǔn)線的漂移非常小。采用常規(guī)測漂方法穩(wěn)定控制10 min 后，俯仰角誤差為1.80°，航向角誤差為0.77°；而采用基于導(dǎo)航系統(tǒng)的測漂補漂方式，穩(wěn)定控制10 min 后，俯仰角誤差為0.04°，航向角誤差為0.04°，瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定性明顯得到提高。

5 結(jié)論

本文提出一種利用導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)，在光電吊艙穩(wěn)定平臺測漂階段分離慣性器件誤差和地球自轉(zhuǎn)分量的方法?；诖朔椒?，優(yōu)化了光電吊艙穩(wěn)定平臺的補漂算法。這種測漂補漂方法在載體高動態(tài)情況下，可有效消除地球自轉(zhuǎn)分量在光電吊艙穩(wěn)定平臺上的變化導(dǎo)致的瞄準(zhǔn)線漂移。該方法可以有效補償陀螺漂移，并且在補漂過程中只需一次測漂，大大減少了測漂頻率，在光電吊艙實際使用中具有很好的工程應(yīng)用價值。