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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下主要包括3 個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(qǐng)的發(fā)明專利［1］，提出了以當(dāng)?shù)卮蟮厮阶鳛榻^對(duì)水平參考標(biāo)準(zhǔn)的單測量點(diǎn)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(tái)+水平誤差檢測工具”的設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)與大地水平之間的夾角。

2 工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案以運(yùn)動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)水平度測量［2］，很好地解決了運(yùn)動(dòng)載體實(shí)時(shí)精密水平測量的相關(guān)問題。

2.1 工作原理

在實(shí)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(jī)座、雷達(dá)機(jī)座、船體甲板等)連接，水平誤差檢測工具安裝在復(fù)示平臺(tái)上，在復(fù)示平臺(tái)縱軸兩端和橫軸兩端分別裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)與測角元件。平臺(tái)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(shí)時(shí)自準(zhǔn)直測微平行光管作為平臺(tái)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(tái)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(shí)時(shí)檢測被檢基準(zhǔn)平面處安裝的液浮平面反射鏡表面( 絕對(duì)大地水平基準(zhǔn))反射得到的光管星點(diǎn)像的偏移情況，從而求得復(fù)示平臺(tái)相對(duì)于絕對(duì)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

探測裝置主要由慣性同步復(fù)示平臺(tái)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(tái)是系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成設(shè)備視軸指向的精密測量;復(fù)示平臺(tái)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(duì)式軸角編碼器和力矩電機(jī)，如圖3 所示。

圖3 復(fù)式平臺(tái)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(tái)水平傾斜量的精密檢測機(jī)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(dòng)置中撥叉等部分組成，整體安裝于慣性同步復(fù)示平臺(tái)之上，如圖4 所示。

將實(shí)時(shí)自準(zhǔn)直測微平行光管作為平臺(tái)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(tái)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(shí)時(shí)檢測被檢基準(zhǔn)平面處安裝的液浮水銀反射鏡表面( 絕對(duì)大地水平基準(zhǔn)) 反射得到的光管星點(diǎn)像的偏移情況，從而求得復(fù)示平臺(tái)相對(duì)于絕對(duì)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(jì)

電控系統(tǒng)主要功能為: 實(shí)時(shí)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(dòng)復(fù)式平臺(tái)的方位、俯仰電機(jī)進(jìn)行數(shù)引跟蹤;同時(shí)，圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)(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(shí)時(shí)發(fā)往慣導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(kuò)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(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)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(tái)的實(shí)時(shí)引導(dǎo)信息［7］，通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)兩軸電機(jī)，使復(fù)示平臺(tái)同步跟蹤慣性平臺(tái)。CCD相機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像( 10 Hz) ，發(fā)往電控機(jī)箱的圖像處理卡，通過對(duì)圖像的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)、電噪聲等干擾［8］，首先對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)精密水平測量基準(zhǔn)提供給慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量船體水平姿態(tài)的新方法，提出了具體設(shè)計(jì)方案，并以某型號(hào)遠(yuǎn)洋測量船為平臺(tái)進(jìn)行了外場試驗(yàn)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)精密測量手段，可以為運(yùn)動(dòng)載體( 車載、船載光測設(shè)備) 提供高精度實(shí)時(shí)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。

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