梁慶仟,陶 禹,周麗華,劉 宇
(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安710065;2.總裝炮兵防空兵裝備技術(shù)研究所,北京100012;3.駐西安北方光電集團(tuán)軍事代表室,陜西 西安710043)
在炮兵和防空兵的偵察和火控系統(tǒng)中,需要采用光電設(shè)備對目標(biāo)實(shí)施探測。為了對目標(biāo)準(zhǔn)確定位(確定其大地坐標(biāo)),需要測量光電設(shè)備方位、俯仰角度以及設(shè)備所在基座相對大地北向、水平面的姿態(tài)角度。這些角度測量的誤差直接影響光電設(shè)備對目標(biāo)的定位定向精度[1-3]。一般情況下,光電設(shè)備安裝在剛性的平臺(tái)上,如車輛頂甲板、對面的三腳架或臺(tái)架上,慣性導(dǎo)航裝置或?qū)け眱x提供光電設(shè)備相當(dāng)于大地的北向值,光電設(shè)備自身的角傳感器(如光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等)提供瞄準(zhǔn)目標(biāo)的方位角、俯仰角以及光電設(shè)備安裝基座的姿態(tài)角。這種常規(guī)的測量方法在實(shí)際工程中十分有效。隨著戰(zhàn)場對抗強(qiáng)度的加劇,炮兵和防空兵的偵察和火控系統(tǒng)越來越多地采取了升降桅桿來承載光電設(shè)備,這既能提高通視距離,也有利于提高裝備的生存力。這種情況下,由于升降桅桿舉升過程中自身扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)會(huì)造成光電設(shè)備的定位定向誤差。通常的有效途徑是在光電設(shè)備基座上配置慣性導(dǎo)航裝置或?qū)け眱x及姿態(tài)傳感器[4-5],以測量基座的方位扭轉(zhuǎn)角、俯仰角及橫滾角。為提高精度,采用 GPS/INS組合方式[9-11],抑制INS長時(shí)間的誤差累積,提高測向精度。這些方式能夠準(zhǔn)確測量基座在收藏位置和舉升后位置的變動(dòng),其不足之處是需要采用3個(gè)陀螺和3個(gè)加速度計(jì)及其電子單元,成本高、體積大。最近,還出現(xiàn)了使用雙天線 GPS系統(tǒng)完成測向[7-8],該技術(shù)的測量精度不隨時(shí)間累積,但要求較大的衛(wèi)星天線距離,不利于車載桅桿系統(tǒng)的收放,同時(shí)其輸出頻率較低不能滿足光電設(shè)備對高頻輸出的要求。對于以駐車偵察、三腳架地面?zhèn)刹於ㄎ粸橹鞯难b備,為有效降低裝備成本,利用工作中導(dǎo)航系統(tǒng)主要受到地球重力加速度影響的這一條件,尋求相對較為簡單的系統(tǒng)構(gòu)建模式,改變方位角度的測量獲取模式。因此,本文提出采用2個(gè)傾角儀和1個(gè)陀螺儀完成方位角度的檢測方法,并對其進(jìn)行理論分析和樣機(jī)試驗(yàn)。
當(dāng)載體以三軸角速度[ωxωyωz]T轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),已知t時(shí)刻載體的方位角度、俯仰角度和橫滾角度分別為α、θ和γ,則有歐拉角微分方程[6]:
整理得:
當(dāng)積分時(shí)間很短,以至于認(rèn)為在積分時(shí)間內(nèi)各角度的變化很小,也就是其三角函數(shù)變化非常小,以致可以忽略。通過(2)式兩邊對時(shí)間積分求取解算周期內(nèi)方位角度增量:
式中:Δα、Δθ分別為解算周期內(nèi)方位角度增量和俯仰角度增量。
在非運(yùn)動(dòng)基座條件下,載體三軸上的加速度分量就是地球重力加速度在其上的投影分量。定義載體俯仰軸和橫滾軸上的加速度分別為fy和fx,且地球重力加速度模值為G。則根據(jù)俯仰角度和橫滾角度的定義,則有[6]:
在很多情況下,傾角儀器不能直接給出橫滾角度γ,而是給出橫滾軸即x軸與水平面的夾角^θ。根據(jù)x軸上的地球重力加速度分量不因?yàn)楸硎龇绞讲煌l(fā)生變化,有如下關(guān)系:
于是橫滾角度γ為
當(dāng)解算周期前一時(shí)刻的方位角度已知時(shí),通過(3)式計(jì)算出經(jīng)過一個(gè)解算周期后的方位角度增量,獲得經(jīng)過一個(gè)解算周期后的方位角度。經(jīng)過整理得到:
式中:αt、θt和γt分別為解算周期開始時(shí)刻的載體方位角度、俯仰角度和橫滾角度;αt+Δt、θt+Δt為解算周期結(jié)束后的方位角度和俯仰角度,Δt為解算周期,且認(rèn)為ωz在解算周期內(nèi)不變,sinγ=sinγt和cosθ=cosθt。
根據(jù)(7)式解光電設(shè)備的方位角度α,必須知道每一解算周期內(nèi)的θ、γ和ωz。測量系統(tǒng)由2個(gè)傾角儀和1個(gè)陀螺儀組成。傾角儀分別檢測參考軸y軸和x軸相對水平面的夾角,其中檢測y軸的傾角儀輸出的角度就是俯仰角度θ,x軸傾角儀輸出的角度就是(6)式中的^θ,并根據(jù)(6)式解算出γ。陀螺安裝在檢測系統(tǒng)的z軸上,測量z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,其輸出量就是ωz。如圖1所示。
由(7)式看出,求方位角度α的真值還需要知道初始時(shí)刻的方位角度。該方位角度初始值通過上位機(jī)輸入。在不需要知道α的真值,而僅僅需要知道相對初始位置時(shí)的變化值時(shí),初始方位角度值設(shè)定為零,系統(tǒng)的流程框圖如圖2所示。
圖1 檢測系統(tǒng)Fig.1 Measurement system
圖2 流程框圖Fig.2 Flow block diagram
采用2個(gè)測角精度為0.01°的傾角儀和1個(gè)零偏穩(wěn)定性為0.015°/h的激光陀螺組成測量系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將樣機(jī)安裝在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上,如圖3所示。將雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整到水平,使樣機(jī)對準(zhǔn)正北,并將0°方位角度初始值輸入到樣機(jī)。樣機(jī)完成初始對準(zhǔn)后,直接轉(zhuǎn)入導(dǎo)航狀態(tài)。此時(shí),通過不斷轉(zhuǎn)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰角度和方位角度值,達(dá)到改變樣機(jī)的理論參考值,并產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入量。樣機(jī)通過自身的解算獲得實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。通過比較轉(zhuǎn)臺(tái)此時(shí)的方位角度、姿態(tài)角度與樣機(jī)輸出的對應(yīng)角度值,獲得樣機(jī)的測量精度。樣機(jī)測試結(jié)果如表1所示,樣機(jī)方位角度精度達(dá)到0.009°、俯仰角度精度0.009°、橫滾角度精度達(dá)到0.012°。
圖3 樣機(jī)試驗(yàn)測試Fig.3 Prototype test
表1 樣機(jī)測試結(jié)果Table 1 Results of prototype test (°)
本文采用2個(gè)傾角儀和1個(gè)激光陀螺組成的桅桿光電設(shè)備方位角度檢測系統(tǒng),通過傾角儀完成俯仰角速度和傾斜角速度的測量,再通過陀螺完成光電設(shè)備的方位軸角速度測量,解算出光電設(shè)備的方位角度變化量,結(jié)合初始時(shí)刻的初始方位角度,獲得光電設(shè)備在三軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的即時(shí)方位角度。相對傳統(tǒng)的INS系統(tǒng),該方法減少了2只陀螺的使用,降低了成本。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明,采用0.01°傾角儀和零偏穩(wěn)定性為0.015°/h的陀螺時(shí),系統(tǒng)的方位角度精度達(dá)到0.009°。
[1] Chen Zhaobing,Guo Jin,Wang Hengkun.Application actuality and development trend of electro-optic mast[J].Electro-Optic Technology Application,2012,27(5):13-16.陳兆兵,郭勁,王恒坤.光電桅桿的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2012,27(5):13-16.
[2] Ma Yonglong,Lu Bingzhe. Analysis of foreign optronics mast design features[J].Ship Electronic Engineering,2006,26(6):190-194.馬永龍,陸炳哲.國外光電桅桿設(shè)計(jì)特色分析[J].艦船電子工程,2006,26(6):190-194.
[3] Shi Hui,Hao Xihui,Yang Yuchun,et al.Target location accuracy evaluation index of eletro-optical reconnaissance system[J].Journal of Applied Optics,2012,33(3):446-451.史輝,郝晰輝,楊玉淳,等.光電偵查系統(tǒng)目標(biāo)定位精度評 價(jià) 指 標(biāo) 研 究 [J].應(yīng) 用 光 學(xué),2012,33(3):446-451.
[4] Zhou Xiaoyao,F(xiàn)an Dapeng,Zhang Zhiyong,et al.Attitude eatimation algorithm of vehicle-bone optronics mast systems based on fuzzy weighted EKF[J].In-frared and Laser Engineering,2011,40(8):1569-1575.周曉堯,范大鵬,張智永,等.基于模糊加權(quán)EKF的車載光電桅桿姿態(tài)估計(jì)算法[J].紅外與光學(xué)工程,2011,40(8):1569-1575.
[5] Yang Yue,Nie Hui.Application of strapdown optical stabilization on optronics mast[J].Infrared Technology,2003,25(3):18-23.楊越,聶輝.捷聯(lián)式光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)在光電桅桿上的應(yīng)用[J].紅外技術(shù),2003,25(3):18-23.
[6] Chen Zhe.The theory of strapdown INS[M].Beijing:China Astronautic Publishing House,1986.陳哲.捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理[M].北京:中國宇航出版社,1986.
[7] Tang Kanghua,Zhao Jiankang,Hu Xiaoping.Application on usage of GPS carrier phase measurements in attitude determination of big carrier[J].Navigation and Control,2002,1(2):19-22.唐康華,趙健康,胡小平.GPS載波相位在大型載體姿態(tài)測量中的應(yīng)用[J].導(dǎo)航與控制,2002,1(2):19-22.
[8] Xu Jiangning,Zhu Tao,Bian Hongwei.Review on GPS attitude determination[J].Journal of Naval University of Engineering,2003,15(3):17-22.許江寧,朱濤,卞鴻巍.GPS姿態(tài)測量技術(shù)綜述[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(3):17-22.
[9] Rataichuk I,Kortunov V.Kalman filter stationarity analysis in the problem of INS errors estimation[C].US:IEEE,2012:41-44.
[10]Patarot A,Boukallel M,Sylvie L P.INS and GNSS fusion enhancement based on a weighted reliabilities approach[C].US:IEEE,2012:1-10
[11]Beckmann H,Niedermeier H,Eissfeller B.Improving GNSS road navigation integrity using MEMS INS and odometry[C].US:IEEE,2012:1-7.