基于陀螺自主测量的船载经纬仪视轴抖动控制方法研究

发布时间：2017-05-15 20:43

第 1 章  绪论 

1.1  课题研究背景及意义 
目前我国在役的“远望”号系列航天测量船都配备有激光标校光电经纬仪。光电经纬仪是现代化靶场用来测量空间目标运动特性、几何特性和物理特性的光学测量仪器[46],具有直观、实时、精度高、抗电子干扰能力强等特点[20]，主要用于测量船执行海上测控任务时提供精确的航向数据，用来校准航向误差[11]，兼用于码头和海上校飞时为其他测量设备标定提供高精度位置数据[12]。在中心计算机提供数据引导下，具有外弹道测量的功能，是现代化靶场中获取外弹道数据和飞行状态的最基本的测量手段之一[17]。和任何其他测量手段一样，航天测量船舰载经纬仪对目标的测量不可避免地会引入误差，为了提高经纬仪的跟踪精度，有必要对误差源进行分析和补偿。其误差源主要是： (1)  船位误差：船位误差属于固定偏倚误差，船摇误差可导致目标位置误差，位置误差属于平移偏移误差，且因地球曲率而被放大。 (2)  船摇：由于风、浪、涌等海况的综合影响，航天测量船在海面上执行任务时会处于摇摆状态之中。由于经纬仪的伺服系统一般为低阶系统，而船摇信号通常是具有高阶分量的超越函数，所以经纬仪伺服系统本身难以克服船摇的影响，因此不可避免的存在因船摇而引起的跟踪误差。 (3)  船体变形：由于船载光电经纬仪的基座与惯导系统的基座之间有一段距离，船体又不是刚体，因而会因扭转挠曲而产生变形。船体变形误差既包含系统分量，也包括随机分量。 (4)  船载光电经纬仪测量误差：它包括系统分量和随机分量，船摇信号的残差是系统分量的主要组成部分。
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1.2  相关领域的研究现状 
从上世纪初开始，随着战争与军事设备日益提高的要求，以及包括机械，电子等领域的快速发展，大量航空航海装备被研发制造，并装备部队[35-44]。在这些装备中，各种光电跟踪测量经改进后被安装到车载、机载以及舰载平台之上。光电经纬仪就是陆地、海上靶场装备最多、功能最全、发展最快、最具有代表性的光电跟踪测量设备之一。 经纬仪的型号不少于几十种。国外最著名的厂家有两个，一个是德国的阿斯卡尼亚(Asknia)公司，早期生产的经纬仪有 Kth41、Kth53、Kth55、Kth57 等，后来统一编号为 Kth-100、Kth-200、Kth-300、……Kth-500 等系列，该公司转让给法国仪器测试公司以后，又生产了 STEM300、STEM500、STEM600 等系列跟踪架。另一家是瑞士康特拉维斯公司(Contraves)，其生产的 EOTS(Electrical Optical Tracking System)(A、B、C、D、E、F)和 K-400 等经纬仪久负盛名。1987 年该公司又推出了 Kineto，可随用户需要组成不同形式的经纬仪。 我国靶场所有光电经纬仪型号也较多，早期进口的有前苏联的 KΦT10/20、KT-50，后来进口的有 EOTS-C、EOTS-E、K400 和 Kth532 等经纬仪。自 60 年代起我国自行研制的经纬仪有 150、160、179、718、112、331、778、662、260、GJ-341、GJ-321、630(EOMS)、HDS200、GJ-360、GJW-180、GD-220、G188、GJ-141、750、R-302T 等，见表 1.1。  
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第 2 章  基于惯导的船载经纬仪视轴稳定系统建模及仿真 

2.1  船摇运动对经纬仪跟踪性能的影响 
船舰在海面上会受到 6 个自由度的船体运动干扰，包括 3 个自由度的平动运动和 3 个自由度的旋转运动，它们分别是前进、横漂、升沉和横摇、纵摇、艏摇。对光电经纬仪的跟踪性能造成不良影响的主要是 3 个旋转运动，如图 2.1 所示。当存在船摇扰动时，相对于大地坐标系静止不动的目标相对于船舰甲板坐标系来说就是一个运动的目标。此时将目标的空间方位经过坐标变换换算到甲板坐标系中，则目标因船摇而不停地运动，观察方位伺服系统的跟踪误差曲线，就可以得到船摇时经纬仪的跟踪性能。 由于光电经纬仪的方位角和俯仰角存在耦合关系，为了方便说明和对比，仿真时令大地俯仰角 E 为 0，大地方位角仍为 0.6 rad。使用双踪示波器来观察输出信号跟随输入信号的情况，将跟踪误差信号导入示波器进行观察，仿真结果见图2.5。 
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2.2 船摇隔离效果的评价指标 
在采取了船摇隔离措施后，需要对稳定措施的船摇隔离效果进行评价，船摇隔离度就是评价船摇隔离效果的一个重要指标。视轴稳定伺服系统隔离度的定义为：采取了稳定措施前的角位置跟踪误差幅值与采取了视轴稳定措施后的角位置跟踪误差幅值之比的绝对值，取对数再乘以 20。见式(2-18)，数值越大，说明视轴稳定措施具有越好的隔离载体扰动能力。使用船舰上安装的高精度惯导系统进行速度前馈来隔离船摇是一种常用的视轴稳定措施。对于在船摇情况下跟踪目标的伺服系统而言，速度和加速度都比较大，由于跟踪架机械谐振频率的限制，系统的带宽不能做到很高，因此速度常数和加速度常数也都不能做得很高，所以系统在船摇干扰时会存在滞后问题，严重时会导致目标丢失。为了解决这一问提，采用了前馈的方法，即给系统提前馈入一个经过加工处理过的信号，使得经纬仪的伺服系统刚好在对应时刻运动到期望的位置，和扰动信号相互抵消。这样经纬仪的视轴就能精准地指向目标，提高跟踪精度。这种方法也叫做开闭环复合控制。 通常复合控制中的前馈装置是按不变性原理来进行设计的，在系统的扰动可以测量时，常常使用按扰动补偿的方式来进行前馈。按扰动补偿的复合控制系统如图 2.6 所示。图中，N(s)为可测量扰动，G1(s)和 G2(s)为系统反馈部分的前向通路传递函数，Gn(s)为前馈补偿装置的传递函数。复合校正的目的，是通过选择和设计合适的 Gn(s)来补偿扰动量 N(s)，使 N(s)通过校正装置 Gn(s)对 N(s)对系统的输出 C(s)造成的影响产生补偿作用以抵消这种不良的影响。 
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第 3 章 基于陀螺的船载经纬仪视轴稳定系统建模及仿真 ..... 27 
3.1  速率陀螺视轴稳定原理 ............. 27 
3.2  基于速率陀螺的视轴自稳定模型 ........ 27 
3.4  仿真实验与结果分析 ...... 32 
3.5  陀螺的选型和测试 .......... 34 
3.6  本章小结 .... 38 
第 4 章 船载经纬仪伺服系统双速度环控制方法研究 ............. 39 
4.1 单速度环伺服系统 ........... 39 
4.2 双速度环伺服系统 ........... 41
4.3 单、双速度环控制器性能对比分析 ..... 42
4.4  对比实验及结果分析 ...... 47 
4.5  本章小结 .... 49 
第 5 章 惯导前馈修正基础上的陀螺反馈校正方法 ...... 51 
5.1  方法的提出 ........... 51 
5.2  载体扰动隔离性能分析 ............. 52
5.3  仿真实验与结果分析 ...... 54 
5.4  惯导系统没有稳定工作时系统状态分析 ....... 57 
5.5  本章小结 .... 59 

第 5 章  惯导前馈修正基础上的陀螺反馈校正方法 

5.1  方法的提出 

前文详细地讨论了基于惯导数据进行速度前馈的视轴自稳定技术以及基于陀螺反馈校正的视轴自稳定技术，分析了两种方法的视轴稳定机理并建立了视轴稳定数学模型，在此基础上结合实际被控对象和扰动信号使用 Matlab/Simulink搭建了两种方法的仿真模型。实验结果表明，基于惯导前馈技术的方法的隔离度能够达到 40d B，跟踪误差由 1000 多角秒降低至 13 角秒；基于陀螺反馈校正的视轴稳定技术隔离度能够达到 41d B，跟踪误差由 1000 多角秒降低至 11 角秒。由于舰载光电经纬仪的视场只有几十个角秒，所以不论上述方法中的哪一种，将船摇扰动隔离后的跟踪误差仍然会造成视场晃动，影响成像质量，在更恶劣的海况下甚至会丢失目标。 因此本章提出了一种惯导和速率陀螺相结合的视轴稳定方法，本章将详细分析这种方法的工作原理和较传统两种方法的优越性。在本方法中，使用惯导测量得到的船摇数据进行坐标变换得到视轴上因船摇而产生的扰动速度，将这个速度前馈到经纬仪伺服系统的速度回路的输入端来抑制船摇。速率陀螺安装在经纬仪的视轴上，测量轴与方位轴和俯仰轴平行，用来测量经前馈校正后的视轴的扰速余量，，将这个量反馈到速度回路的输入端使伺服系统反转以消除这个扰动量。不仅如此，安装在经纬仪视轴上的速率陀螺在惯导没有开机的情况下，也能够自主测量船摇速度扰动信号并进行反馈校正来修正经纬仪视轴因船摇而产生的视轴偏差。 

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总结

本文针对舰载光电经纬仪尤其是大口径长焦距的光电经纬仪在海面上执行任务时视轴容易受到海面上风、浪、涌的影响而产生晃动最终导致跟踪误差增大甚至丢失跟踪目标的问题，深入研究了现有的光电经纬仪视轴稳定技术和方法，分析了其工作原理并通过实验指出了其不足之处，提出了新的视轴稳定方案并通过实验验证了提出的方法的有效性和优越性。本文所做出主要成果有如下： 分析了在高海况下，船摇扰动对经纬仪跟踪性能的影响，通过仿真实验表明改扰动能够使经纬仪的角位置跟踪误差增加 2 个数量级，这将直接导致经纬仪丢失跟踪目标。 针对已有的舰载光电经纬仪视轴自稳定技术：基于惯导数据前馈的视轴稳定技术和基于陀螺反馈校正的视轴自稳定技术，说明了这两种方法的优缺点和适用情况，详尽地分析了两种方法的工作原理并且通过坐标变换建立了两种方法的视轴自稳定模型，通过仿真实验结算了两种方法的船摇隔离度，实验结果表明，对于长焦距小视场的光电经纬仪镜头，两种方法的隔离度都还有待提高。 为了提高舰载经纬仪视轴稳定控制系统的跟踪精度，针对单速度环的结构缺点，设计了双速度环串级控制方法，内环由编码器作为反馈元件测量视轴自身的转速，外环采用速率陀螺测量视轴在惯性空间下的转速，分别设计两个控制器来抑制内部干扰和隔离载体干扰。从伺服刚度和隔离度两方面与单速度环进行了分析和比较，并进行仿真分析和验证。结果表明：双速度环系统对因摩擦等引起的内部扰动具有更好的抑制能力，并且在高海况下具有更高的隔离度。
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参考文献(略) 

本文编号：368813