張?zhí)m蘭，郭新勝，壽少峻，趙創(chuàng)社，韓 偉，劉 虎

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電吊艙的穩(wěn)定控制是一種閉環(huán)控制回路，慣性元件是控制回路中的反饋器件，其精度直接決定了最終的穩(wěn)定效果。在光電吊艙中，通常使用陀螺來測量穩(wěn)定平臺的角速度，并通過執(zhí)行機構使光電吊艙處于穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]?？紤]到陀螺本身的測量和誤差特性，在吊艙實際穩(wěn)定過程中，需要適時測量陀螺的誤差才能保證光電吊艙的瞄準線不漂移。陀螺在靜止時的輸出值，首先有陀螺漂移、游走和噪聲等誤差；其次還有敏感到的地球自轉分量[3-4]。常用的補償方式是在載體靜止時直接測量陀螺輸出值，并以該值作為陀螺的漂移誤差。這種方式從數學模型上分析，可以看出是將陀螺漂移和地球自轉分量統(tǒng)一在一起了。當光電吊艙進入穩(wěn)定狀態(tài)時可以有效補償陀螺誤差，使光電吊艙穩(wěn)定。但是一旦載體移動，尤其是轉動后，就必須重新測量才能再一次使吊艙穩(wěn)定[5-6]。

本文設計了一種基于載體導航系統(tǒng)的光電吊艙補漂方法，原理如圖1所示。該方法的思路是，在載體靜止時分析陀螺輸出值，包含陀螺本身的器件誤差和地球自轉在吊艙平臺上的分量。通過獲取載體導航設備提供的姿態(tài)信息和吊艙的各種框架旋轉角度，將地球自轉從慣性系分解到平臺系，最終將陀螺本身的誤差和地球自轉分量分離，并用相應的補漂算法重新穩(wěn)定平臺，使光電吊艙在經過一次測漂后，不需要因載體運動或轉動而重新測漂。

圖1 基于導航系統(tǒng)的補漂方法Fig.1 Compensation drift method based on navigation system

1 光電吊艙穩(wěn)定的數學模型

常規(guī)光電吊艙穩(wěn)定控制是通過光電吊艙框架結構的旋轉，補償載體運動時的角運動，使光電吊艙的有效載荷在某一個空間中保持穩(wěn)定[7-8]。即無論載體如何運動，光電吊艙的瞄準線都應該保持穩(wěn)定。光電吊艙穩(wěn)瞄系統(tǒng)的工作原理是通過其內部的慣性敏感組件，測量光電系統(tǒng)的角運動數據，并通過執(zhí)行機構施以反向運動實現穩(wěn)定控制。

在數學建模前，需要明確光電吊艙系統(tǒng)設計中的常用坐標系。定義i為慣性系，慣性系是慣性空間的坐標系；e為地球系，地球系與地球固聯，在慣性空間中以地球自轉速度轉動；t為地理系，地理系是載體在地球表面的坐標系；b為載體系，載體系與載體固聯；p為平臺系，平臺系與光電吊艙的有效載荷固聯，在載體系空間中通過框架轉動[9-10]。

1.1 穩(wěn)定的數學模型

穩(wěn)定控制的基本原理是使載體的有效載荷保持地理系靜止。由歐拉變換公式可知：

式中：W表示角速度向量；Wtp表示p系相對于t系的角速度。（1）式表示平臺相對于地理系保持靜止。

由于陀螺測量的是平臺在慣性空間坐標系中的角速度，故實際的穩(wěn)定控制表達式為

其中，

即：

式中：Wtb表示載體相對于地理系的角速度，由載體運動產生；Wbp表示光電吊艙平臺相對于載體的運動，由光電吊艙的旋轉機構產生；Wip表示平臺在慣性空間中的運動，可由陀螺測量得到；Wit表示載體所在位置在慣性空間中的運動；Wie表示地球自轉角速度，為常量；Wet表示地理系在地球系中的角速度，和載體的運動相關。

（4）式表示一般情況下不同坐標系的角速度關系。由于向量在不同坐標系的投影不同，需定義每個向量所在的坐標系。定義（4）式的坐標系為平臺系（p），則有：

式中，各變量的上標“p”表示該向量的各個值是在平臺系的投影值。

2 常規(guī)補漂方法及缺陷

3 基于導航系統(tǒng)的補漂方法

4 試驗對比分析

將常規(guī)補漂和基于導航系統(tǒng)的補漂兩種方法分別應用于同一種兩軸兩框架光電吊艙穩(wěn)瞄系統(tǒng)上，對補漂后的效果進行試驗對比。慣性導航系統(tǒng)各參數如表1所示，試驗過程框圖如圖2所示。用常規(guī)方法測漂，隨后將光電吊艙繞天向軸轉180°，使其激發(fā)測漂誤差，保持穩(wěn)定控制10 min，得到常規(guī)測漂補漂的結果。同理，用相同的流程執(zhí)行基于導航的測漂補漂試驗，得到基于導航系統(tǒng)的測漂補漂結果，2 種補漂結果對比如圖3所示。常規(guī)方式和基于導航系統(tǒng)方式的試驗數據對比結果如表2所示。實驗結果截圖如圖4 和圖5所示。

圖4 常規(guī)方式的結果截圖Fig.4 Screenshot of results by traditional way

圖5 基于導航方式的結果截圖Fig.5 Screenshot of results based on navigation way

表2 試驗結果數據對比Table 2 Comparison of test results data

圖3 試驗結果對比Fig.3 Comparison of test results

表1 試驗參數Table 1 Test parameters

圖2 試驗框圖Fig.2 Block diagram of test

由以上對比試驗可以看出，采用基于導航的測漂方法有效地分離了慣性器件誤差和地球自轉分量，因此瞄準線的漂移非常小。采用常規(guī)測漂方法穩(wěn)定控制10 min 后，俯仰角誤差為1.80°，航向角誤差為0.77°；而采用基于導航系統(tǒng)的測漂補漂方式，穩(wěn)定控制10 min 后，俯仰角誤差為0.04°，航向角誤差為0.04°，瞄準線穩(wěn)定性明顯得到提高。

5 結論

本文提出一種利用導航系統(tǒng)參數，在光電吊艙穩(wěn)定平臺測漂階段分離慣性器件誤差和地球自轉分量的方法?；诖朔椒?，優(yōu)化了光電吊艙穩(wěn)定平臺的補漂算法。這種測漂補漂方法在載體高動態(tài)情況下，可有效消除地球自轉分量在光電吊艙穩(wěn)定平臺上的變化導致的瞄準線漂移。該方法可以有效補償陀螺漂移，并且在補漂過程中只需一次測漂，大大減少了測漂頻率，在光電吊艙實際使用中具有很好的工程應用價值。