第 1 章  緒論 

1.1  課題研究背景及意義 
目前我國在役的“遠望”號系列航天測量船都配備有激光標校光電經(jīng)緯儀。光電經(jīng)緯儀是現(xiàn)代化靶場用來測量空間目標運動特性、幾何特性和物理特性的光學測量儀器[46],具有直觀、實時、精度高、抗電子干擾能力強等特點[20]，主要用于測量船執(zhí)行海上測控任務時提供精確的航向數(shù)據(jù)，用來校準航向誤差[11]，兼用于碼頭和海上校飛時為其他測量設備標定提供高精度位置數(shù)據(jù)[12]。在中心計算機提供數(shù)據(jù)引導下，具有外彈道測量的功能，是現(xiàn)代化靶場中獲取外彈道數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的最基本的測量手段之一[17]。和任何其他測量手段一樣，航天測量船艦載經(jīng)緯儀對目標的測量不可避免地會引入誤差，為了提高經(jīng)緯儀的跟蹤精度，有必要對誤差源進行分析和補償。其誤差源主要是： (1)  船位誤差：船位誤差屬于固定偏倚誤差，船搖誤差可導致目標位置誤差，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、浪、涌等海況的綜合影響，航天測量船在海面上執(zhí)行任務時會處于搖擺狀態(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)緯儀的基座與慣導系統(tǒng)的基座之間有一段距離，船體又不是剛體，因而會因扭轉撓曲而產生變形。船體變形誤差既包含系統(tǒng)分量，也包括隨機分量。 (4)  船載光電經(jīng)緯儀測量誤差：它包括系統(tǒng)分量和隨機分量，船搖信號的殘差是系統(tǒng)分量的主要組成部分。
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1.2  相關領域的研究現(xiàn)狀 
從上世紀初開始，隨著戰(zhàn)爭與軍事設備日益提高的要求，以及包括機械，電子等領域的快速發(fā)展，大量航空航海裝備被研發(fā)制造，并裝備部隊[35-44]。在這些裝備中，各種光電跟蹤測量經(jīng)改進后被安裝到車載、機載以及艦載平臺之上。光電經(jīng)緯儀就是陸地、海上靶場裝備最多、功能最全、發(fā)展最快、最具有代表性的光電跟蹤測量設備之一。 經(jīng)緯儀的型號不少于幾十種。國外最著名的廠家有兩個，一個是德國的阿斯卡尼亞(Asknia)公司，早期生產的經(jīng)緯儀有 Kth41、Kth53、Kth55、Kth57 等，后來統(tǒng)一編號為 Kth-100、Kth-200、Kth-300、……Kth-500 等系列，該公司轉讓給法國儀器測試公司以后，又生產了 STEM300、STEM500、STEM600 等系列跟蹤架。另一家是瑞士康特拉維斯公司(Contraves)，其生產的 EOTS(Electrical Optical Tracking System)(A、B、C、D、E、F)和 K-400 等經(jīng)緯儀久負盛名。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。 我國靶場所有光電經(jīng)緯儀型號也較多，早期進口的有前蘇聯(lián)的 KΦT10/20、KT-50，后來進口的有 EOTS-C、EOTS-E、K400 和 Kth532 等經(jīng)緯儀。自 60 年代起我國自行研制的經(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  船搖運動對經(jīng)緯儀跟蹤性能的影響 
船艦在海面上會受到 6 個自由度的船體運動干擾，包括 3 個自由度的平動運動和 3 個自由度的旋轉運動，它們分別是前進、橫漂、升沉和橫搖、縱搖、艏搖。對光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能造成不良影響的主要是 3 個旋轉運動，如圖 2.1 所示。當存在船搖擾動時，相對于大地坐標系靜止不動的目標相對于船艦甲板坐標系來說就是一個運動的目標。此時將目標的空間方位經(jīng)過坐標變換換算到甲板坐標系中，則目標因船搖而不停地運動，觀察方位伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差曲線，就可以得到船搖時經(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系，為了方便說明和對比，仿真時令大地俯仰角 E 為 0，大地方位角仍為 0.6 rad。使用雙蹤示波器來觀察輸出信號跟隨輸入信號的情況，將跟蹤誤差信號導入示波器進行觀察，仿真結果見圖2.5。 
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2.2 船搖隔離效果的評價指標 
在采取了船搖隔離措施后，需要對穩(wěn)定措施的船搖隔離效果進行評價，船搖隔離度就是評價船搖隔離效果的一個重要指標。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值，取對數(shù)再乘以 20。見式(2-18)，數(shù)值越大，說明視軸穩(wěn)定措施具有越好的隔離載體擾動能力。使用船艦上安裝的高精度慣導系統(tǒng)進行速度前饋來隔離船搖是一種常用的視軸穩(wěn)定措施。對于在船搖情況下跟蹤目標的伺服系統(tǒng)而言，速度和加速度都比較大，由于跟蹤架機械諧振頻率的限制，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)在船搖干擾時會存在滯后問題，嚴重時會導致目標丟失。為了解決這一問提，采用了前饋的方法，即給系統(tǒng)提前饋入一個經(jīng)過加工處理過的信號，使得經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)剛好在對應時刻運動到期望的位置，和擾動信號相互抵消。這樣經(jīng)緯儀的視軸就能精準地指向目標，提高跟蹤精度。這種方法也叫做開閉環(huán)復合控制。 通常復合控制中的前饋裝置是按不變性原理來進行設計的，在系統(tǒng)的擾動可以測量時，常常使用按擾動補償?shù)姆绞絹磉M行前饋。按擾動補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)如圖 2.6 所示。圖中，N(s)為可測量擾動，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)為前饋補償裝置的傳遞函數(shù)。復合校正的目的，是通過選擇和設計合適的 Gn(s)來補償擾動量 N(s)，使 N(s)通過校正裝置 Gn(s)對 N(s)對系統(tǒng)的輸出 C(s)造成的影響產生補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  仿真實驗與結果分析 ...... 32 
3.5  陀螺的選型和測試 .......... 34 
3.6  本章小結 .... 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)控制器性能對比分析 ..... 42
4.4  對比實驗及結果分析 ...... 47 
4.5  本章小結 .... 49 
第 5 章 慣導前饋修正基礎上的陀螺反饋校正方法 ...... 51 
5.1  方法的提出 ........... 51 
5.2  載體擾動隔離性能分析 ............. 52
5.3  仿真實驗與結果分析 ...... 54 
5.4  慣導系統(tǒng)沒有穩(wěn)定工作時系統(tǒng)狀態(tài)分析 ....... 57 
5.5  本章小結 .... 59 

第 5 章  慣導前饋修正基礎上的陀螺反饋校正方法 

5.1  方法的提出 

前文詳細地討論了基于慣導數(shù)據(jù)進行速度前饋的視軸自穩(wěn)定技術以及基于陀螺反饋校正的視軸自穩(wěn)定技術，分析了兩種方法的視軸穩(wěn)定機理并建立了視軸穩(wěn)定數(shù)學模型，在此基礎上結合實際被控對象和擾動信號使用 Matlab/Simulink搭建了兩種方法的仿真模型。實驗結果表明，基于慣導前饋技術的方法的隔離度能夠達到 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)定技術隔離度能夠達到 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)緯儀的視場只有幾十個角秒，所以不論上述方法中的哪一種，將船搖擾動隔離后的跟蹤誤差仍然會造成視場晃動，影響成像質量，在更惡劣的海況下甚至會丟失目標。 因此本章提出了一種慣導和速率陀螺相結合的視軸穩(wěn)定方法，本章將詳細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，使用慣導測量得到的船搖數(shù)據(jù)進行坐標變換得到視軸上因船搖而產生的擾動速度，將這個速度前饋到經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)的速度回路的輸入端來抑制船搖。速率陀螺安裝在經(jīng)緯儀的視軸上，測量軸與方位軸和俯仰軸平行，用來測量經(jīng)前饋校正后的視軸的擾速余量，，將這個量反饋到速度回路的輸入端使伺服系統(tǒng)反轉以消除這個擾動量。不僅如此，安裝在經(jīng)緯儀視軸上的速率陀螺在慣導沒有開機的情況下，也能夠自主測量船搖速度擾動信號并進行反饋校正來修正經(jīng)緯儀視軸因船搖而產生的視軸偏差。 

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總結

本文針對艦載光電經(jīng)緯儀尤其是大口徑長焦距的光電經(jīng)緯儀在海面上執(zhí)行任務時視軸容易受到海面上風、浪、涌的影響而產生晃動最終導致跟蹤誤差增大甚至丟失跟蹤目標的問題，深入研究了現(xiàn)有的光電經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定技術和方法，分析了其工作原理并通過實驗指出了其不足之處，提出了新的視軸穩(wěn)定方案并通過實驗驗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，船搖擾動對經(jīng)緯儀跟蹤性能的影響，通過仿真實驗表明改擾動能夠使經(jīng)緯儀的角位置跟蹤誤差增加 2 個數(shù)量級，這將直接導致經(jīng)緯儀丟失跟蹤目標。 針對已有的艦載光電經(jīng)緯儀視軸自穩(wěn)定技術：基于慣導數(shù)據(jù)前饋的視軸穩(wěn)定技術和基于陀螺反饋校正的視軸自穩(wěn)定技術，說明了這兩種方法的優(yōu)缺點和適用情況，詳盡地分析了兩種方法的工作原理并且通過坐標變換建立了兩種方法的視軸自穩(wěn)定模型，通過仿真實驗結算了兩種方法的船搖隔離度，實驗結果表明，對于長焦距小視場的光電經(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，針對單速度環(huán)的結構缺點，設計了雙速度環(huán)串級控制方法，內環(huán)由編碼器作為反饋元件測量視軸自身的轉速，外環(huán)采用速率陀螺測量視軸在慣性空間下的轉速，分別設計兩個控制器來抑制內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)進行了分析和比較，并進行仿真分析和驗證。結果表明：雙速度環(huán)系統(tǒng)對因摩擦等引起的內部擾動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(略) 

本文編號：368813