馬慶坤，喬彥峰 ，王曉明，高慧斌，安雪晶

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039; 3.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，遼寧，丹東118009)

1 引 言

遠(yuǎn)洋航天測量船作為移動式海上測控站，在我國已經(jīng)具有30 年的應(yīng)用歷史，期間船載各類設(shè)備都經(jīng)過了多次更新?lián)Q代。隨著衛(wèi)星全球?qū)Ш郊夹g(shù)的發(fā)展、電視白天測星能力的提高、靜電陀螺監(jiān)控器的應(yīng)用及設(shè)備綜合標(biāo)校技術(shù)的進(jìn)步，基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的船位船姿測量系統(tǒng)作為全船的精度基準(zhǔn)，其導(dǎo)航的位置精度、航向精度都已有了很大提高，但是如何為遠(yuǎn)洋航天測量船建立動態(tài)實時精密的水平測量基準(zhǔn)，一直是困擾人們的技術(shù)難題。

測量船在運動狀態(tài)下主要包括3 個狀態(tài)變化:位置平移( 前后、左右、上下) 、姿態(tài)旋轉(zhuǎn)( 航向、縱搖、橫搖) 、結(jié)構(gòu)變形( 艏撓、縱撓、橫扭) ，其中縱搖、橫搖、縱撓、橫扭4 個分量與水平有關(guān)。其在塢內(nèi)靜態(tài)情況下，以大地水平作為標(biāo)?；鶞?zhǔn)，在水上船搖情況下，以慣導(dǎo)水平姿態(tài)數(shù)據(jù)作為水平參考基準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)靜態(tài)環(huán)境水平測量主要依賴各類水平( 傾角) 測量儀器，雖然測量精度很高( 誤差≤1.0″) ，但都只適合于靜態(tài)測量環(huán)境。動態(tài)環(huán)境水平測量主要依賴各種慣性測量元件，雖然適合動態(tài)環(huán)境使用，但其測量精度普遍不高( 誤差≥10.0″) 。

本文參照馮小勇2009 年申請的發(fā)明專利［1］，提出了以當(dāng)?shù)卮蟮厮阶鳛榻^對水平參考標(biāo)準(zhǔn)的單測量點水平測量體制。采用“光學(xué)編碼精密測角+慣性同步復(fù)示平臺+水平誤差檢測工具”的設(shè)計方案，用光學(xué)編碼精密測角法測量被檢基面與慣性同步復(fù)示平臺之間的夾角，用水平誤差檢測工具測量慣性同步復(fù)示平臺與大地水平之間的夾角。

2 工作原理與系統(tǒng)設(shè)計

本方案以運動載體( 遠(yuǎn)望測量船) 慣導(dǎo)系統(tǒng)的50 Hz 船姿數(shù)據(jù)(R、P) 為引導(dǎo)源，采用24 位光電軸角編碼器為測角反饋器件，取大地水平位置作為基準(zhǔn)，通過精密的光機電系統(tǒng)進(jìn)行實時水平度測量［2］，很好地解決了運動載體實時精密水平測量的相關(guān)問題。

2.1 工作原理

在實際工作過程中，探測裝置通過安裝基座與被檢基面( 慣導(dǎo)機座、雷達(dá)機座、船體甲板等)連接，水平誤差檢測工具安裝在復(fù)示平臺上，在復(fù)示平臺縱軸兩端和橫軸兩端分別裝有驅(qū)動電機與測角元件。平臺水平誤差檢測工具是保證系統(tǒng)總體測量精度是否滿足要求的關(guān)鍵部件。

本方案將實時自準(zhǔn)直測微平行光管作為平臺水平誤差檢測工具，并將自準(zhǔn)直測微平行光管光軸方向豎直向下安裝在慣性同步復(fù)示平臺上。利用從自準(zhǔn)直測微平行光管像面處安裝的面陣CCD 采集到的圖像，實時檢測被檢基準(zhǔn)平面處安裝的液浮平面反射鏡表面( 絕對大地水平基準(zhǔn))反射得到的光管星點像的偏移情況，從而求得復(fù)示平臺相對于絕對大地水平基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)角偏移。水平誤差檢測原理如圖1 所示。

圖1 水平誤差檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal error detection

2.2 光機系統(tǒng)設(shè)計

探測裝置主要由慣性同步復(fù)示平臺和水平誤差檢測工具兩部分組成，如圖2 所示。

圖2 探測裝置三維示意圖Fig.2 Three-dimensional diagram of detection devices

慣性同步復(fù)示平臺是系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的執(zhí)行機構(gòu)，主要完成設(shè)備視軸指向的精密測量;復(fù)示平臺由垂直相交的縱搖軸系和橫搖軸系組成，縱搖軸和橫搖軸上分別裝有精密21 位絕對式軸角編碼器和力矩電機，如圖3 所示。

圖3 復(fù)式平臺三維布局示意圖Fig. 3 Schematic three-dimensional layout of duplex platform

水平誤差檢測工具是測量慣性同步復(fù)示平臺水平傾斜量的精密檢測機構(gòu)，主要由自準(zhǔn)直測微平行光管［3］、液浮水銀反射鏡和電動置中撥叉等部分組成，整體安裝于慣性同步復(fù)示平臺之上，如圖4 所示。

將實時自準(zhǔn)直測微平行光管作為平臺水平誤差檢測工具［4］，并將自準(zhǔn)直測微平行光管光軸方向豎直向下安裝在慣性同步復(fù)示平臺上。利用從自準(zhǔn)直測微平行光管像面處安裝的面陣CCD 采集到的圖像，實時檢測被檢基準(zhǔn)平面處安裝的液浮水銀反射鏡表面( 絕對大地水平基準(zhǔn)) 反射得到的光管星點像的偏移情況，從而求得復(fù)示平臺相對于絕對大地水平基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)角偏移。

圖4 水平誤差檢測工具三維模型圖Fig.4 Three-dimensional model horizontal error detection tool

2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)主要功能為: 實時接收慣導(dǎo)系統(tǒng)船姿數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為引導(dǎo)源驅(qū)動復(fù)式平臺的方位、俯仰電機進(jìn)行數(shù)引跟蹤;同時，圖像處理系統(tǒng)實時(20 Hz) 采集目標(biāo)圖像、提取脫靶量信息，經(jīng)濾波等處理后轉(zhuǎn)化成水平誤差信息，實時發(fā)往慣導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)行實時船姿數(shù)據(jù)修正。

電控系統(tǒng)完全采用貨架產(chǎn)品，分系統(tǒng)即不同板卡之間的供電、通訊、同步通過PXI( PCI eXtensions for Instrumentation) 總線來進(jìn)行［5］，因而電磁兼容性好、結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、易擴展、易安裝、易維護(hù)［6］。電控系統(tǒng)集成后的外觀如圖5 所示。

圖5 電控系統(tǒng)外觀圖Fig.5 Appearance of electric control system

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 實驗過程

電控系統(tǒng)通過網(wǎng)口接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)( 縱搖ψ、橫搖θ) 作為復(fù)示平臺的實時引導(dǎo)信息［7］，通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給運動控制卡，驅(qū)動兩軸電機，使復(fù)示平臺同步跟蹤慣性平臺。CCD相機實時采集圖像( 10 Hz) ，發(fā)往電控機箱的圖像處理卡，通過對圖像的實時判讀，提取脫靶量并將其通過總線傳給綜合控制卡，將數(shù)據(jù)封包通過網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送，同時將脫靶量數(shù)據(jù)量化并與編碼器數(shù)據(jù)融合后和接收到的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)同時記錄，以便比較。

3.2 結(jié)果分析

考慮到測量數(shù)據(jù)中包含振動、電噪聲等干擾［8］，首先對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換( FFT)［9］，然后與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。橫搖曲線比較如圖6 所示，縱搖曲線比較如圖7 所示。

圖6 橫搖數(shù)據(jù)曲線比較Fig.6 Comparison of roll data curves

對測量數(shù)據(jù)分析可知，測量數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)高度契合;在去除船姿數(shù)據(jù)的模型誤差及震動等噪聲誤差后，將測量值與真值進(jìn)行比較，解算出測量精度為縱搖5.37″，橫搖3.60″，均優(yōu)于傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)水平測量精度。因此，本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)可作為動態(tài)實時精密水平測量基準(zhǔn)提供給慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行實時船姿修正，從而提高測量船的整體測量精度。

圖7 縱搖數(shù)據(jù)曲線比較Fig.7 Comparison of pitch data curves

4 結(jié) 論

本文介紹了通過光學(xué)測量手段實時動態(tài)測量船體水平姿態(tài)的新方法，提出了具體設(shè)計方案，并以某型號遠(yuǎn)洋測量船為平臺進(jìn)行了外場試驗。

對實驗數(shù)據(jù)的分析顯示，本方案作為一種遠(yuǎn)洋測量船水平度實時精密測量手段，可以為運動載體( 車載、船載光測設(shè)備) 提供高精度實時水平姿態(tài)誤差;因其與傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)相比具有更高的測量精度( 縱搖5.37″，橫搖3.60″) ，可用于慣導(dǎo)系統(tǒng)水平精度鑒定。

［1］ 馮小勇.運動載體實時精密水平測量方法:中國，200910046330.3［P］. 2010-04-21.FENG X Y. Real-time precision horizontal measurement method for motion carrier: CN，200910046330.3［P］. 2010-04-21.( in Chinese)

［2］ 張志遠(yuǎn)，羅國富.艦船姿態(tài)坐標(biāo)變換及穩(wěn)定補償分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(4) :34-40.ZHANG ZH Y，LUO G F. Coordinate transformation of warship pose and analysis of stabilization compensation［J］.Ship Sci． Technology，2009，31(4) :34-40.( in Chinese)

［3］ 楊振，李廣云，黃桂平.基于自準(zhǔn)直的立方鏡姿態(tài)測量方法研究［J］.宇航計測技術(shù)，2010，56(2) :14-17.YANG ZH，LI G Y，HUANG G P. Research on attitude measurement method of cubic prism based on auto-collimation［J］.J． Astronautic Metrology and Measurement，2010，56(2) :14-17.( in Chinese)

［4］ 黃祥，吳年祥.基于PSD 的光電自準(zhǔn)直儀角度測量系統(tǒng)研究［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(11) :39-41.HUANG X，WU N X. The research photoelectric autocllimator angle measurement system based on PSD［J］.Manufactur-ing Automation，2011，33(11) :39-41.( in Chinese)

［5］ 霍志，刁節(jié)濤，李清江.基于PXIE 總線的高速CCD 數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34( 14) :88-92.HUO ZH，DIAO J T，LI Q J. Design of high-speed CCD digital image collecting system based on PXIE bus［J］.Modern Electronic Technique，2011，34(14) :88-92.( in Chinese)

［6］ 曹暉，畢建峰.基于PXI 總線的實時綜合測試系統(tǒng)研究［J］.上海航天，2011，38(3) :64-68.CAO H，BI J F. Research of PXI-based real-time integrated measurement system［J］.Aerospace Shanghai，2011，38(3) :64-68.( in Chinese)

［7］ 宋連龍，陳虹麗.艦船姿態(tài)運動的自適應(yīng)實時預(yù)報及其應(yīng)用［J］.船電技術(shù)，2005，25(4) :40-42.SONG L L，CHEN H L. Real-time self-adaptive prediction system and its application on ship attitude motion［J］.Marine Electric Electronic Technology，2005，25(4) :40-42.( in Chinese)

［8］ 易東云，吳孟達(dá).船姿數(shù)據(jù)的模型誤差與噪聲誤差分析［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，1998，232(2) :41-44.YI D Y，WU M D. Analysis for model error and noise error of ship posture data［J］.J Missiles and Space Vehicles，1998，232(2) :41-44.( in Chinese)

［9］ 王恒，李永剛，陳亮.測量船船搖前饋數(shù)據(jù)處理方法研究及應(yīng)用［J］.飛行器測控學(xué)報，2011，30(2) :64-69.WANG H，LI Y G，CHEN L. Processing of the shaking feedforward data of space instrumentation ships［J］.J． Spacecraft TT＆C Technology，2011，30(2) :64-69.( in Chinese)