第 1 章  緒論 

1.1  課題研究背景及意義 
目前我國(guó)在役的“遠(yuǎn)望”號(hào)系列航天測(cè)量船都配備有激光標(biāo)校光電經(jīng)緯儀。光電經(jīng)緯儀是現(xiàn)代化靶場(chǎng)用來(lái)測(cè)量空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性、幾何特性和物理特性的光學(xué)測(cè)量?jī)x器[46],具有直觀、實(shí)時(shí)、精度高、抗電子干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[20]，主要用于測(cè)量船執(zhí)行海上測(cè)控任務(wù)時(shí)提供精確的航向數(shù)據(jù)，用來(lái)校準(zhǔn)航向誤差[11]，兼用于碼頭和海上校飛時(shí)為其他測(cè)量設(shè)備標(biāo)定提供高精度位置數(shù)據(jù)[12]。在中心計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)引導(dǎo)下，具有外彈道測(cè)量的功能，是現(xiàn)代化靶場(chǎng)中獲取外彈道數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的最基本的測(cè)量手段之一[17]。和任何其他測(cè)量手段一樣，航天測(cè)量船艦載經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)的測(cè)量不可避免地會(huì)引入誤差，為了提高經(jīng)緯儀的跟蹤精度，有必要對(duì)誤差源進(jìn)行分析和補(bǔ)償。其誤差源主要是： (1)  船位誤差：船位誤差屬于固定偏倚誤差，船搖誤差可導(dǎo)致目標(biāo)位置誤差，位置誤差屬于平移偏移誤差，且因地球曲率而被放大。 (2)  船搖：由于風(fēng)、浪、涌等海況的綜合影響，航天測(cè)量船在海面上執(zhí)行任務(wù)時(shí)會(huì)處于搖擺狀態(tài)之中。由于經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)一般為低階系統(tǒng)，而船搖信號(hào)通常是具有高階分量的超越函數(shù)，所以經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)本身難以克服船搖的影響，因此不可避免的存在因船搖而引起的跟蹤誤差。 (3)  船體變形：由于船載光電經(jīng)緯儀的基座與慣導(dǎo)系統(tǒng)的基座之間有一段距離，船體又不是剛體，因而會(huì)因扭轉(zhuǎn)撓曲而產(chǎn)生變形。船體變形誤差既包含系統(tǒng)分量，也包括隨機(jī)分量。 (4)  船載光電經(jīng)緯儀測(cè)量誤差：它包括系統(tǒng)分量和隨機(jī)分量，船搖信號(hào)的殘差是系統(tǒng)分量的主要組成部分。
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1.2  相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 
從上世紀(jì)初開始，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)與軍事設(shè)備日益提高的要求，以及包括機(jī)械，電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，大量航空航海裝備被研發(fā)制造，并裝備部隊(duì)[35-44]。在這些裝備中，各種光電跟蹤測(cè)量經(jīng)改進(jìn)后被安裝到車載、機(jī)載以及艦載平臺(tái)之上。光電經(jīng)緯儀就是陸地、海上靶場(chǎng)裝備最多、功能最全、發(fā)展最快、最具有代表性的光電跟蹤測(cè)量設(shè)備之一。 經(jīng)緯儀的型號(hào)不少于幾十種。國(guó)外最著名的廠家有兩個(gè)，一個(gè)是德國(guó)的阿斯卡尼亞(Asknia)公司，早期生產(chǎn)的經(jīng)緯儀有 Kth41、Kth53、Kth55、Kth57 等，后來(lái)統(tǒng)一編號(hào)為 Kth-100、Kth-200、Kth-300、……Kth-500 等系列，該公司轉(zhuǎn)讓給法國(guó)儀器測(cè)試公司以后，又生產(chǎn)了 STEM300、STEM500、STEM600 等系列跟蹤架。另一家是瑞士康特拉維斯公司(Contraves)，其生產(chǎn)的 EOTS(Electrical Optical Tracking System)(A、B、C、D、E、F)和 K-400 等經(jīng)緯儀久負(fù)盛名。1987 年該公司又推出了 Kineto，可隨用戶需要組成不同形式的經(jīng)緯儀。 我國(guó)靶場(chǎng)所有光電經(jīng)緯儀型號(hào)也較多，早期進(jìn)口的有前蘇聯(lián)的 KΦT10/20、KT-50，后來(lái)進(jìn)口的有 EOTS-C、EOTS-E、K400 和 Kth532 等經(jīng)緯儀。自 60 年代起我國(guó)自行研制的經(jīng)緯儀有 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，見表 1.1。  
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第 2 章  基于慣導(dǎo)的船載經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定系統(tǒng)建模及仿真 

2.1  船搖運(yùn)動(dòng)對(duì)經(jīng)緯儀跟蹤性能的影響 
船艦在海面上會(huì)受到 6 個(gè)自由度的船體運(yùn)動(dòng)干擾，包括 3 個(gè)自由度的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和 3 個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它們分別是前進(jìn)、橫漂、升沉和橫搖、縱搖、艏搖。對(duì)光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能造成不良影響的主要是 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 2.1 所示。當(dāng)存在船搖擾動(dòng)時(shí)，相對(duì)于大地坐標(biāo)系靜止不動(dòng)的目標(biāo)相對(duì)于船艦甲板坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。此時(shí)將目標(biāo)的空間方位經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換換算到甲板坐標(biāo)系中，則目標(biāo)因船搖而不停地運(yùn)動(dòng)，觀察方位伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差曲線，就可以得到船搖時(shí)經(jīng)緯儀的跟蹤性能。 由于光電經(jīng)緯儀的方位角和俯仰角存在耦合關(guān)系，為了方便說(shuō)明和對(duì)比，仿真時(shí)令大地俯仰角 E 為 0，大地方位角仍為 0.6 rad。使用雙蹤示波器來(lái)觀察輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的情況，將跟蹤誤差信號(hào)導(dǎo)入示波器進(jìn)行觀察，仿真結(jié)果見圖2.5。 
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2.2 船搖隔離效果的評(píng)價(jià)指標(biāo) 
在采取了船搖隔離措施后，需要對(duì)穩(wěn)定措施的船搖隔離效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，船搖隔離度就是評(píng)價(jià)船搖隔離效果的一個(gè)重要指標(biāo)。視軸穩(wěn)定伺服系統(tǒng)隔離度的定義為：采取了穩(wěn)定措施前的角位置跟蹤誤差幅值與采取了視軸穩(wěn)定措施后的角位置跟蹤誤差幅值之比的絕對(duì)值，取對(duì)數(shù)再乘以 20。見式(2-18)，數(shù)值越大，說(shuō)明視軸穩(wěn)定措施具有越好的隔離載體擾動(dòng)能力。使用船艦上安裝的高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行速度前饋來(lái)隔離船搖是一種常用的視軸穩(wěn)定措施。對(duì)于在船搖情況下跟蹤目標(biāo)的伺服系統(tǒng)而言，速度和加速度都比較大，由于跟蹤架機(jī)械諧振頻率的限制，系統(tǒng)的帶寬不能做到很高，因此速度常數(shù)和加速度常數(shù)也都不能做得很高，所以系統(tǒng)在船搖干擾時(shí)會(huì)存在滯后問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失。為了解決這一問(wèn)提，采用了前饋的方法，即給系統(tǒng)提前饋入一個(gè)經(jīng)過(guò)加工處理過(guò)的信號(hào)，使得經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)剛好在對(duì)應(yīng)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到期望的位置，和擾動(dòng)信號(hào)相互抵消。這樣經(jīng)緯儀的視軸就能精準(zhǔn)地指向目標(biāo)，提高跟蹤精度。這種方法也叫做開閉環(huán)復(fù)合控制。 通常復(fù)合控制中的前饋裝置是按不變性原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在系統(tǒng)的擾動(dòng)可以測(cè)量時(shí)，常常使用按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行前饋。按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)如圖 2.6 所示。圖中，N(s)為可測(cè)量擾動(dòng)，G1(s)和 G2(s)為系統(tǒng)反饋部分的前向通路傳遞函數(shù)，Gn(s)為前饋補(bǔ)償裝置的傳遞函數(shù)。復(fù)合校正的目的，是通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)合適的 Gn(s)來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)量 N(s)，使 N(s)通過(guò)校正裝置 Gn(s)對(duì) N(s)對(duì)系統(tǒng)的輸出 C(s)造成的影響產(chǎn)生補(bǔ)償作用以抵消這種不良的影響。 
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第 3 章 基于陀螺的船載經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定系統(tǒng)建模及仿真 ..... 27 
3.1  速率陀螺視軸穩(wěn)定原理 ............. 27 
3.2  基于速率陀螺的視軸自穩(wěn)定模型 ........ 27 
3.4  仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 ...... 32 
3.5  陀螺的選型和測(cè)試 .......... 34 
3.6  本章小結(jié) .... 38 
第 4 章 船載經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)雙速度環(huán)控制方法研究 ............. 39 
4.1 單速度環(huán)伺服系統(tǒng) ........... 39 
4.2 雙速度環(huán)伺服系統(tǒng) ........... 41
4.3 單、雙速度環(huán)控制器性能對(duì)比分析 ..... 42
4.4  對(duì)比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ...... 47 
4.5  本章小結(jié) .... 49 
第 5 章 慣導(dǎo)前饋修正基礎(chǔ)上的陀螺反饋校正方法 ...... 51 
5.1  方法的提出 ........... 51 
5.2  載體擾動(dòng)隔離性能分析 ............. 52
5.3  仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 ...... 54 
5.4  慣導(dǎo)系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)定工作時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)分析 ....... 57 
5.5  本章小結(jié) .... 59 

第 5 章  慣導(dǎo)前饋修正基礎(chǔ)上的陀螺反饋校正方法 

5.1  方法的提出 

前文詳細(xì)地討論了基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行速度前饋的視軸自穩(wěn)定技術(shù)以及基于陀螺反饋校正的視軸自穩(wěn)定技術(shù)，分析了兩種方法的視軸穩(wěn)定機(jī)理并建立了視軸穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際被控對(duì)象和擾動(dòng)信號(hào)使用 Matlab/Simulink搭建了兩種方法的仿真模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于慣導(dǎo)前饋技術(shù)的方法的隔離度能夠達(dá)到 40d B，跟蹤誤差由 1000 多角秒降低至 13 角秒；基于陀螺反饋校正的視軸穩(wěn)定技術(shù)隔離度能夠達(dá)到 41d B，跟蹤誤差由 1000 多角秒降低至 11 角秒。由于艦載光電經(jīng)緯儀的視場(chǎng)只有幾十個(gè)角秒，所以不論上述方法中的哪一種，將船搖擾動(dòng)隔離后的跟蹤誤差仍然會(huì)造成視場(chǎng)晃動(dòng)，影響成像質(zhì)量，在更惡劣的海況下甚至?xí)䜩G失目標(biāo)。 因此本章提出了一種慣導(dǎo)和速率陀螺相結(jié)合的視軸穩(wěn)定方法，本章將詳細(xì)分析這種方法的工作原理和較傳統(tǒng)兩種方法的優(yōu)越性。在本方法中，使用慣導(dǎo)測(cè)量得到的船搖數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到視軸上因船搖而產(chǎn)生的擾動(dòng)速度，將這個(gè)速度前饋到經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)的速度回路的輸入端來(lái)抑制船搖。速率陀螺安裝在經(jīng)緯儀的視軸上，測(cè)量軸與方位軸和俯仰軸平行，用來(lái)測(cè)量經(jīng)前饋校正后的視軸的擾速余量，，將這個(gè)量反饋到速度回路的輸入端使伺服系統(tǒng)反轉(zhuǎn)以消除這個(gè)擾動(dòng)量。不僅如此，安裝在經(jīng)緯儀視軸上的速率陀螺在慣導(dǎo)沒(méi)有開機(jī)的情況下，也能夠自主測(cè)量船搖速度擾動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行反饋校正來(lái)修正經(jīng)緯儀視軸因船搖而產(chǎn)生的視軸偏差。 

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總結(jié)

本文針對(duì)艦載光電經(jīng)緯儀尤其是大口徑長(zhǎng)焦距的光電經(jīng)緯儀在海面上執(zhí)行任務(wù)時(shí)視軸容易受到海面上風(fēng)、浪、涌的影響而產(chǎn)生晃動(dòng)最終導(dǎo)致跟蹤誤差增大甚至丟失跟蹤目標(biāo)的問(wèn)題，深入研究了現(xiàn)有的光電經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定技術(shù)和方法，分析了其工作原理并通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出了其不足之處，提出了新的視軸穩(wěn)定方案并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的方法的有效性和優(yōu)越性。本文所做出主要成果有如下： 分析了在高海況下，船搖擾動(dòng)對(duì)經(jīng)緯儀跟蹤性能的影響，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明改擾動(dòng)能夠使經(jīng)緯儀的角位置跟蹤誤差增加 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這將直接導(dǎo)致經(jīng)緯儀丟失跟蹤目標(biāo)。 針對(duì)已有的艦載光電經(jīng)緯儀視軸自穩(wěn)定技術(shù)：基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)前饋的視軸穩(wěn)定技術(shù)和基于陀螺反饋校正的視軸自穩(wěn)定技術(shù)，說(shuō)明了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況，詳盡地分析了兩種方法的工作原理并且通過(guò)坐標(biāo)變換建立了兩種方法的視軸自穩(wěn)定模型，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)算了兩種方法的船搖隔離度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于長(zhǎng)焦距小視場(chǎng)的光電經(jīng)緯儀鏡頭，兩種方法的隔離度都還有待提高。 為了提高艦載經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的跟蹤精度，針對(duì)單速度環(huán)的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙速度環(huán)串級(jí)控制方法，內(nèi)環(huán)由編碼器作為反饋元件測(cè)量視軸自身的轉(zhuǎn)速，外環(huán)采用速率陀螺測(cè)量視軸在慣性空間下的轉(zhuǎn)速，分別設(shè)計(jì)兩個(gè)控制器來(lái)抑制內(nèi)部干擾和隔離載體干擾。從伺服剛度和隔離度兩方面與單速度環(huán)進(jìn)行了分析和比較，并進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明：雙速度環(huán)系統(tǒng)對(duì)因摩擦等引起的內(nèi)部擾動(dòng)具有更好的抑制能力，并且在高海況下具有更高的隔離度。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：368813