光測(cè)裝備車載不落地測(cè)量平臺(tái)穩(wěn)定性研究*

李 霽 賈海薩

（92941部隊(duì)44分隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

為提高靶場(chǎng)光測(cè)裝備快速布站能力和高度環(huán)境適應(yīng)性，充分發(fā)揮光測(cè)裝備機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，擺脫地域限制，目前靶場(chǎng)主要采用車載不落地測(cè)量平臺(tái)方式完成在硬質(zhì)的戈壁、草原、水泥混凝土等場(chǎng)地?zé)o地基環(huán)條件下的試驗(yàn)任務(wù)，該方式具有適應(yīng)性強(qiáng)，展開(kāi)時(shí)間短等特點(diǎn)，用來(lái)替代傳統(tǒng)的載車大梁落地或者主機(jī)落地基環(huán)的方式［1］。

但不落地測(cè)量平臺(tái)是否具備與傳統(tǒng)方式同樣的穩(wěn)定性與測(cè)量精度，是否能夠滿足靶場(chǎng)跟蹤測(cè)量要求，并沒(méi)有進(jìn)行過(guò)有針對(duì)性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。特別是在某些任務(wù)中目標(biāo)航路捷徑短，飛行速度快，車載光測(cè)裝備在不落地測(cè)量平臺(tái)上工作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)極限條件下跟蹤目標(biāo)的情況，此時(shí)伺服系統(tǒng)電機(jī)的高激勵(lì)量級(jí)激勵(lì)使得光電經(jīng)緯儀和不落地測(cè)量平臺(tái)存在共振的可能［2］。

而且由于高精度調(diào)平支腿側(cè)向剛度較弱，晃動(dòng)和振動(dòng)所引入的測(cè)量誤差將會(huì)影響光測(cè)裝備動(dòng)態(tài)測(cè)量精度和跟蹤穩(wěn)定性；其中方位和俯仰軸系在快速跟蹤狀態(tài)下所帶來(lái)的載荷對(duì)平臺(tái)偏角是造成動(dòng)態(tài)測(cè)量精度變化的主要因素［3］。因此，如果不落地測(cè)量平臺(tái)穩(wěn)定度差會(huì)導(dǎo)致光測(cè)裝備跟蹤目標(biāo)穩(wěn)定性急劇下降，測(cè)量精度降低，甚至目標(biāo)超出視場(chǎng)丟失［4］。

為考核車載不落地測(cè)量平臺(tái)的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)高精度調(diào)平支腿、高剛度自調(diào)平支撐平臺(tái)和設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，分析光電經(jīng)緯儀在各種伺服激勵(lì)條件下載車系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)，并考核在擾動(dòng)狀態(tài)下動(dòng)態(tài)測(cè)角精度。本文分別進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)與動(dòng)態(tài)測(cè)角精度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證車載不落地測(cè)量平臺(tái)的穩(wěn)定性、可靠性與平順性［5］。

2 穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及儀器

在該實(shí)驗(yàn)使用口徑600mm在研的某型光測(cè)裝備作為測(cè)試對(duì)象，整車重量約為13.7t（不包含載車與底盤），由于輕量化設(shè)計(jì)，其光電經(jīng)緯儀質(zhì)量約為6.5t。測(cè)試載車選用重汽生產(chǎn)的HOWO系列載車。光測(cè)裝備處于典型和極限工作狀態(tài)，底部利用螺栓連接主梁過(guò)渡基座和經(jīng)緯儀底盤，載車調(diào)平腿落地，測(cè)試在實(shí)際的不落地工作模式下進(jìn)行。位移傳感器利用工裝固定在靠近載車的地面上，速度與加速度傳感器粘合固定在載車上，測(cè)試設(shè)備及參數(shù)指標(biāo)如表 1［6］。

表1 測(cè)試設(shè)備及參數(shù)指標(biāo)

2.2 測(cè)試設(shè)備布設(shè)位置分析

該實(shí)驗(yàn)著重考察光電經(jīng)緯儀在典型工作狀態(tài)下不落地測(cè)量平臺(tái)在水平面內(nèi)的晃動(dòng)。經(jīng)分析對(duì)平臺(tái)影響最大的一是垂直Y方向和水平X方向的位移變化大小和作用時(shí)長(zhǎng)，二是各個(gè)通道方向速度與加速度變化大小和作用時(shí)長(zhǎng)，因此布設(shè)兩類傳感器，分別是激光位移傳感器與加速度傳感器，激光位移傳感器用于測(cè)量車載不落地平臺(tái)水平面內(nèi)X方向與Y方向的晃動(dòng)，加速度傳感器用于測(cè)量支腿位置及光電經(jīng)緯儀底板位置X方向與Y方向加速度響應(yīng)［7］。加速度傳感器、激光位移傳感器布設(shè)情況匯總分別如表2、表3所示。

表2 位移傳感器布設(shè)匯總

表3 加速度傳感器布設(shè)匯總

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)某型光測(cè)裝備的實(shí)際性能指標(biāo)，結(jié)合本系統(tǒng)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)高仰角大擺幅低加速度、方位俯仰小幅度中速和中擺幅高速度高加速度3種典型和極限正弦曲線運(yùn)動(dòng)工況、如表4所示。在各測(cè)試實(shí)驗(yàn)工況條件下，加速度和位移響應(yīng)結(jié)果分別如表5、6、7所示，工況1、2、3的位移響應(yīng)測(cè)試結(jié)果變化曲線圖如圖1所示，所有測(cè)試參數(shù)X均為載車行駛方向，Y方向按照右手法則確定［8］。

表4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)工況條件

表5 工況1加速度和位移響應(yīng)

表6 工況2加速度和位移響應(yīng)

表7 工況3加速度和位移響應(yīng)

圖1 工況1、2、3的位移響應(yīng)變化曲線

由于每個(gè)測(cè)量通道加速度為均為隨機(jī)矢變量，按各個(gè)通道均符合正態(tài)分布情形考慮，各個(gè)測(cè)量通道加速度最大值aMAX、最小值aMIN與加速度合成均方根值aRMS用來(lái)衡量各個(gè)通道方向速度與加速度變化大小，加速度峰峰值aPP用來(lái)衡量各個(gè)通道方向加速度作用時(shí)長(zhǎng)［9］。同理衡量水平面內(nèi)X方向與Y方向的晃動(dòng)位移變化大小和作用時(shí)長(zhǎng)分別用σMAX、σMIN、σRMS和σPP表示，其表達(dá)式由下式（1～4）得出［10］。

通過(guò)平臺(tái)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在3種測(cè)試工況條件的角速度角加速度激勵(lì)下，從伺服系統(tǒng)傳遞到載車的能量極小，電機(jī)激勵(lì)載荷對(duì)載車穩(wěn)定性的影響基本可以忽略，無(wú)明顯共振響應(yīng)發(fā)生，各檢測(cè)通道的加速度RMS均＜0.05m/s2；X與Y方向上的位移RMS均＜2μm。該平臺(tái)設(shè)計(jì)滿足靶場(chǎng)最大加速度 ≥30°/s2條件下穩(wěn)定跟蹤測(cè)量要求。

3 動(dòng)態(tài)測(cè)角精度實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及儀器

在該實(shí)驗(yàn)中，高剛度自調(diào)平支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)考慮設(shè)備對(duì)平臺(tái)中心的靜負(fù)載、光電經(jīng)緯儀在最大伺服跟蹤角加速度激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)負(fù)載等因素，平臺(tái)諧振頻率遠(yuǎn)高于伺服跟蹤帶寬上限［11］。平臺(tái)和高精度調(diào)平支腿利用多個(gè)螺栓連接，連接剛度足夠。因此平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的影響主要來(lái)源于高精度調(diào)平支腿自身。測(cè)試設(shè)備仍然選用實(shí)驗(yàn)1的光電經(jīng)緯儀主機(jī)和自調(diào)平載車平臺(tái)作為測(cè)試對(duì)象，配備平行光管（測(cè)試目標(biāo)），高精度萊卡全站儀，實(shí)驗(yàn)流程情況如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)角精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程框圖

3.2 實(shí)驗(yàn)主要步驟

動(dòng)態(tài)測(cè)角精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下。

一是使用徠卡全站儀將檢測(cè)架平行光管夾角真值進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后角度值作為真值用于與測(cè)量值進(jìn)行比較，檢測(cè)系統(tǒng)精度［12］；

二是在光學(xué)探測(cè)器視場(chǎng)范圍內(nèi)，光電經(jīng)緯儀對(duì)高角平行光管作正弦擾動(dòng)，當(dāng)以保精度角速度（0.02～20）°/s、角加速度（0～7）°/s2工作時(shí)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄儀器方位角度A、俯仰角度E、時(shí)間T，同時(shí)記錄視頻圖像信息，并事后判讀儀器的目標(biāo)方位角度脫靶量ΔA和俯仰角度脫靶量ΔE，計(jì)算在Ti時(shí)刻目標(biāo)合成值A(chǔ)i測(cè)、Ei測(cè)［13］；

三通過(guò)下面算式1和2得到動(dòng)態(tài)測(cè)角總均方根誤差，其中A測(cè)為光學(xué)探測(cè)器對(duì)空間目標(biāo)方位角測(cè)量值；A標(biāo)為徠卡全站儀對(duì)空間目標(biāo)方位角標(biāo)定值；E測(cè)為光學(xué)探測(cè)器對(duì)空間目標(biāo)俯仰角測(cè)量值；E標(biāo)為徠卡全站儀對(duì)空間目標(biāo)俯仰角標(biāo)定值；b為光電經(jīng)緯儀橫軸差；C為照準(zhǔn)差；N為一個(gè)周期測(cè)量數(shù)據(jù)［14］。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)分析和對(duì)比光電經(jīng)緯儀在落地和不落地兩種測(cè)量方式下測(cè)量值與真值的之差，得到其動(dòng)態(tài)的測(cè)角精度，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表8所示；光電經(jīng)緯儀對(duì)平行光管做正弦擾動(dòng)，相當(dāng)于在方位和俯仰軸系引入晃動(dòng)量，可模擬跟蹤高速目標(biāo)狀態(tài)［15］。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不落地方式下方位與俯仰方向上的測(cè)角誤差明顯大于落地方式，但不落地方式下兩個(gè)方向的測(cè)角精度仍然可以控制在20"以內(nèi)，滿足靶場(chǎng)光電經(jīng)緯儀不落地方式方位、俯仰實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)角精度 ≤25"指標(biāo)要求。

表8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

車載不落地測(cè)量平臺(tái)穩(wěn)定性問(wèn)題一直是靶場(chǎng)裝備發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題，是光測(cè)裝備擺脫地域限制，發(fā)揮快速機(jī)動(dòng)靈活特點(diǎn)的基礎(chǔ)，是光測(cè)裝備跟蹤目標(biāo)穩(wěn)定度提高的前提。本文依據(jù)靶場(chǎng)跟蹤測(cè)量技術(shù)指標(biāo)要求，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考核該平臺(tái)的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)高精度調(diào)平支腿、高剛度自調(diào)平支撐平臺(tái)和設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，分析在各種伺服激勵(lì)條件下載車系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)，并考核其在正弦擾動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)角精度。雖然目前該平臺(tái)具有實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性與可靠性，在工程應(yīng)用方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是還存在諸如操作復(fù)雜、自動(dòng)化能力弱、平臺(tái)實(shí)時(shí)測(cè)量響應(yīng)慢、采樣頻率低等很多不足，下一步需要在以上方面加大研究力度。