（固体地球物理学专业论文）slr伺服跟踪系统的数字化实现的研究.pdf

i 0j盟甍g f | u l l lli ii ii ll ui i iii i i i y 1818 3 0 8 r e s e a r c ho ns l r ，sd i g i t i z e ds e r v o & t r a c k i n gs y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：y a nf e n g x u a n t u t o r ：p r o f g u ot a n g y o n g m a jo r ：s o l i d g e o p h y s i c s r e s e a r c h ：o b s e r v a t i o nt e c h n i q u e i n s t i t u t eo fs e i s m o l o g y c h i n a e a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n 助j h a n c h i n a j u n e ，2 0 0 6 弋岁 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局地震研究所关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照地震所要求提交学位论文的印刷本 和电子版本；地震所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；地震所有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；地震所有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的 的前提下，地震所可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：拜秆 2 。哞彳月以日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在2 0 o 年解密后适用本 指导教师签名：锄豫百乙 ， 删6 年石月7 , e t 学位论文作者躲缪身：7 2 p 。厂年月力珀 中国地震局地震研究所 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的 内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在 文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名：搿秒 n 侔，月“日 摘要 摘要 目前s l r ( 卫星激光测距，s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ) 已与g p s 、d o r i s 、v l b i 等测量手段一起并列为目前空间大地测量的主要手段。而s l r 对卫星的跟踪 成功率很大程度上依赖于伺服跟踪系统的精度。目前国内s l r 站的伺服系统 大都采用模拟电路形式的驱动控制和感应同步器数显表作为位置反馈，存在 着跟踪抖动，调试困难，体积和功耗大等问题。所以本文提出数字化的方案， 希望能解决上述问题，为中国地震局地震研究所研制的流动s l r 站：t r o s - i 提供一套稳定可靠的伺服跟踪系统，并提供与之相关的软硬件。 本文详细阐述了数字伺服系统的总体设计和实现过程。从控制理论着手 分析伺服系统，解决控制理论中各个参数与伺服系统的跟踪速度、精度之间 的关系，引用经典控制理论的二阶调节器设计方法和三阶调节器设计方法对 我们的伺服系统进行建模和分析，详细地对数字伺服系统的设计与实现提供 理论指导；然后再针对分析进行实际调试改造工作，结合实际情况对伺服系 统进行软件、硬件的开发和设计。控制部分使用f p g a ( 现场可编程阵列) 实 现，用相对成熟而国内外应用较多的p i d 算法对伺服电机进行p w m 调宽控制 输出；核心控制器使用嵌入式系统一一软核c p u ( n i o s i i 处理器) ，由于它能 方便地在线更改控制参数，将使控制更加灵活。而且从长远来看，嵌入式系 统的使用也是当今潮流所趋。从跟踪卫星的情况来看，本文所采用的数字化 控制方案是可行的，能满足s l r 跟踪的要求。 我们对伺服系统的数字化工作，其本质是用微处理器取代模拟器件实现 对电机的控制。在工作原理上，数字化伺服系统和模拟式伺服系统是相同的： 但在构造上数字化伺服系统采用微处理器及数字调节( 程序软件) 来取代模 拟式系统中比例、积分等控制环节，它具有控制精度高，设定与修改参数方 便，调试容易等显著优点。技术升级中，对位置环的实现方式，用更先进、 高精度、稳定可靠的光电码盘取代原来的电磁感应码盘，光电码盘对转台位 置的编码分辨率能提高到0 1 角秒；在速度环的实现中，利用高精度差分方 法产生数字化转台角速度，从而取代笨重的模拟测速电机。只有这样，实现 数字化速度和位置闭环才有可能。 由于本研究涉及范围比较广，它涉及到光学、机械、电子、计算、激光、 控制、跟踪、时间测量等多学科的技术，不可能在此一一地详细介绍，即使 如此，文中也对重点部分进行了扼要说明。此外，对技术改造中碰到的问题 也进行了阐述。因为在技术升级改造中，我们的工作经历了初步方案、专用 运动控制芯片方案、直接嵌入式系统方案等阶段，期间在不同的阶段碰到不 同的问题。本文在解决不同问题中，对不同技术方案进行了一一剖析，希冀 能对将来的工作有所裨益。 本文所设计的软件、硬件都以模块化的形式实现。我们能采用目前比较 成熟的工具和手段，所以相对以前的工作较为轻松。软件在n i o s l l 处理器专 中国地震局地震研究所硕士学位论文 门的开发环境中开发；硬件用f p g a 的专用开发软件开发。因此文中提到的 程序或是硬件电路都能方便地进行扩展。该系统也为系统的精度提高，乃至 无人值守提供了一定的工作基础。 关键词：卫星激光测距s l r 伺服系统数字化嵌入式系统 一 l t 气 囊 摘要 a bs t r a c t s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ( s l r ) h a sb e e nu s e di ng e o d e s ya sam a i nt o o l ，a n d i tc a nb ec o m p a r e dt og p s ，d o r i s ，v l b ie t c s l r st r a c k i n ge f f i c i e n c yi sl a r g e l y d e p e n d i n go ni t ss e r v es y s t e m b u tn o w a d a y si nc h i n a ，n e a r l ye a c hs l r s t a t i o n s s e r v e s y s t e m u s e s a n a l o g c i r c u i tc o n t r o l l e ra n d e l e c t r o m a g n e t i cp o s i t i o n f e e d b a c kw h i c hi sn o ts a t i s f y i n gi ns e v e r a la s p e c t s ，s u c ha so s c i l l a t i o ni n t r a c k i n g ，k a r dt ot u n e ，t o ol a r g es p a c ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n s ow ei n t r o d u c ea d i g i t i z e d s e r v es y s t e mi na n t i c i p a t i o nt os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ， a n db o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h i ss e r v es y s t e mw i l lb eu s e di nt r o s - i ： m o b i l es l rs t a t i o nc o n s t r u c t e db yi n s t i t u t eo fs e i s m o l o g y ，c h i n ae a r t h q u a k e a d m i n i s t r a t i o n d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed i g i t i z e ds e r v es y s t e ma r ed e s c r i b e di n d e t a i li nt h i sp a p e r w ea n a l y z et h es e r v es y s t e m ，e s t a b l i s hr e l a t i o n sb e t w e e n t r a c k i n gv e l o c i t y & p r e c i s i o na n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si n c o n t r o lt h e o r y w e i n t r o d u c es y s t e m a t i cd e s i g np r o c e s so fb o t h2 n do r d e rs y s t e ma n d3 r do r d e r s y s t e mt og i v e t h e o r e t i cs u p p o r tt oo u rs y s t e m ；t h e nd e s i g ns o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h es e r v es y s t e ma c c o r d i n gt oi n f i e l ds i t u a t i o n w eu s ef p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) a st h em a i n c o n t r o lu n i ti nw h i c hp i da l g o r i t h m c o n t r o l sp w ms i g n a lo fs e r v em o t o r ；e m b e d d e ds y s t e m ( n i o s l ip r o c e s s o r ) i s i n t r o d u c e dh e r et og e tam o r ef l e x i b l ep l a t f o r m a n dw i t hav i e wt of u t u r e ，t h e e m b e d d e ds y s t e mi sm o r ea d a p t i v et oo u rw o r k a c c o r d i n gt os a t e l l i t et r a c k i n g e f f e c t s ，t h i sd i g i t i z e ds e r v es y s t e mc a na c h i e v es a t i s f y i n gr e s u l t s t h eo r i g i n a lt h e o r yh e r ei st or e p l a c ea n a l o gd e v i c ew i t hm i c r o c o n t r ol l e rt o d r i v et h em o t o r w ek n o wb o t ha n a l o ga n dd i g i t a ld e v i c ec a nc o n t r o lm o t o ri nt h e s a m em a n n e r ；w h i l ed i g i t a ls y s t e mu s e sm i c r o c o n t r o l l e ra n dr e s p o n d i n gs o f t w a r e t o r e p l a c ep r o p o r t i o n a ld e v i c e ，i n t e g r a ld e v i c ee t c d i g i t a ls y s t e mh a sh i g h e r c o n t r o lp r e c i s i o n ，m o r ef l e x i b i l i t yt of i xa n dc h a n g ep a r a m e t e r s ，e a s i e rt ot u n e e t c i no u ru p d a t ep r o c e s s ，o p t i c a lm o u n ti su s e dt og e tam o r er e l i a b l ep o s i t i o n f e e d b a c kt og e ta w a yw i t ht h ef o r m e re l e c t r o m a g n e t i cm o u n t ；d i f f e r e n t i a lm e t h o d t om o u n tp o s i t i o ni su s e dt og e tt h ed i g i t i z e dv e l o c i t y ，s ot h ec l u m s y t a c h o g e n e r a t o rc a nb er e m o v e d o n l yt h ew o r km e n t i o n e da b o v ec a nr e a l z e d i g i t i z e dv e l o c i t ya n dc l o s e dp o s i t i o nl o o p t h er e s e a r c hf i e l dh e r ei s v e r yb r o a d ，a n d i ti n c l u d e so p t i c s ，m e c h a n i c s ， e l e c t r o n i c s ，c o m p u t a t i o n ，l a s e r ，c o n t r o l ，t r a c k i n g ，t i m em e a s u r ea n de t c t h o u g h i t s i m p o s s i b l et oi n t r o d u c ea l la s p e c t sh e r e ，s o m ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni s a l s o i n t r o d u c e db r i e f l y t e c h n i c a lu p d a t ep r o c e s si n c l u d e sa b o u t3s t a g e s ：i n i t i a l i z e d s t a g e ，s p e c i a l i z e dm o t i o nc o n t r o l l e rs t a g e ，e m b e d d e ds y s t e ms t a g e ，a n dt h e r ea r e d i f f e r e n tp r o b l e m si nd i f f e r e n ts t a g e s p r o b l e m se n c o u n t e r e di nt e c h n i c a lu p d a t e p r o c e s sa r ea n a l y z e d i n d e t a i l ，a n ds o l v i n gc a s e st od i f f e r e n tp r o b l e m sa r e i n t r o d u c e dh e r e ，h o p i n gt ob eb e n e f i c i a lt ow o r ki nf u t u r e b o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h i sd i g i t i z e ds e r v os y s t e ma r ei m p l e m e n t e d i nm o d u l e s w ec a n u s et o o l sa n dm e t h o d sw h i c ha r em a t u r ei n m a n yr e s p e c t s ，s o t h ew o r kh e r ei se a s i e rt h a nb e f o r e t h es o f t w a r e i s d e v e l o p e di n n i o s l i p r o c e s s o r ，- s e x c l u d e de n v i r o n m e n ta n dt h eh a r d w a r ei s d e v e l o p e di n f p g a ，s s p e c i a ld e v e l o p i n gt 0 0 1 s ot h ew o r kd o n eb yu sc a nb ee x t e n d e de a s i l yi nc a s eo f p r e c i s i o np r o m o t i o no ru n m a n n e dm a n i p u l a t i o ne t c k e yw o r d s ：s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ， s l r ， s e r v os y s t e m ，d i g i t i z a t i o n ， e m b e d d e ds y s t e m i f 一 虐 目录 第一章概论。1 1 1 激光测距的科学意义1 1 1 1 地球科学的研究1 - 1 1 2 卫星精密定轨1 i 1 3 时间传递2 1 2 国内外sl r 应用概况2 1 2 is l r 发展简介2 1 2 2 国内sl r 应用概况3 1 3 本课题的意义和工作重点3 第二章原伺服跟踪系统模型分析5 2 1 伺服系统在s l r 系统中的地位5 2 2 伺服系统工作的基本原理6 2 3 伺服系统的分析、建模7 2 3 1 伺服系统的分析7 2 3 2 伺服系统中的自控理论8 2 3 3 伺服系统的性能指标1 0 2 4 伺服系统的传递函数分析1 1 2 4 1 开环传递函数、闭环传递函数的提出1 2 2 4 2 伺服系统的开环传递函数1 2 2 4 3 伺服系统中各环节的特性分析。1 4 2 4 4 分析小结- 1 9 - 第三章系统的数字化分析和设计2 0 3 1 伺服系统的z 变换传递函数的提出- 2 0 3 1 1 采样调节背景介绍一2 0 一 3 1 2 差分方程和z 变换介绍2 2 - 3 1 2 1 差分方程的提出一2 2 - 3 1 2 2z 变换的提出2 3 - 3 1 3 伺服系统离散域传递函数的提出- 2 4 - 3 2 伺服系统z 变换传递函数的离散域分析- 2 5 3 2 1 系统稳定性分析2 5 - 3 2 2 系统的稳态误差分析2 6 3 3 伺服系统的控制方案和可行性分析2 7 3 3 1 采样周期的选择一2 7 3 3 2 控制率的选择2 9 3 3 2 i 立足于原模拟系统的数字化2 9 3 3 2 2 数字调节器的直接设计一3 0 - 3 3 3 伺服系统数字化分析的小结3 3 第四章系统数字化的实现- 3 5 4 1 数字化工作的工具介绍- 3 5 4 1 1 数字化过程中外围器件的使用3 6 4 1 1 1 伺服系统中使用的光电码盘3 6 t 4 1 1 2 精密运动控制器l m 6 2 8 3 6 4 1 2 软核处理器n i o s l l 的简单介绍3 7 产 4 2 系统数字化的前期准备工作3 9 4 2 1 初步方案的提出3 9 4 2 2 从模拟控制到数字控制的转换4 0 4 2 2 1 数字p i d 控制取代模拟p i d 4 0 4 2 2 2 数字滤波器取代模拟滤波器4 1 - 4 2 3 硬件及软件程序的实现4 1 4 2 3 1 系统硬件的实现4 l _ 4 2 3 2 系统软件的实现4 2 4 2 4 初步方案的小结4 3 4 3 正式对伺服系统的完全数字化4 3 4 3 1 利用运动控制芯片实现数字化4 4 4 3 1 1 硬件电路设计4 4 4 3 1 2 控制软件设计4 5 4 3 1 3 软硬件的联合调试4 6 4 3 2 直接使用n i o s i i 处理器实现数字化4 7 4 3 2 1 方案的必要性4 7 4 3 2 2 软硬件的设计4 8 4 3 3 卅、结5 0 第五章结论5l - 5 1 数字化工作的总结5l - 5 2 今后工作的展望5 2 参考文献5 3 作者简介。- 5 5 一一 致谢。5 6 厂 第一章概论 第一章概论 s l r ( 卫星激光测距，s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ) 的基本原理是通过精确测定 激光脉冲从地面观测点到装有反射器卫星的往返时间间隔，从而算出地面观 测点至卫星的距离。从上世纪6 0 年代开始，s l r 技术得到了广泛的应用，目 前s l r 己与g p s 、d o r i s 、v l b i 等测量手段一起并列为目前空间大地测量的 主要手段，其测量精度已达到毫米级，测程已经超过了两万公里。其测量资 料应用于地壳形变、海洋、冰层覆盖、卫星定轨、地球动力学研究，地球自 传、极移、日长变化等航天、国防和科学研究领域。【1 2 】 目前，我国s l r 测站的精度水平都在厘米级，在即将进入的毫米级时代 里，我们必须从多方面入手提高观测精度，才能赶超世界先进水平。 1 1 激光测距的科学意义 以下几个应用可以体现激光测距( s l r ) 的科学意义。虽然不能一一列 举s l r 的所有功能，但可以有代表性的反映s l r 应用领域之广。1 3 2 s 1 1 1 地球科学的研究 1 现有地球重力场模型均借助了s l r 这一精准工具的力量。由于搭载激光 反射镜的卫星的倾角、高度范围之大已经到了前所未有的地步( g f z 为3 5 0 k m ， e t a l o n 为2 0 ，0 0 0 k m ) ，大地水准面大尺度波长还有海洋潮汐项都可以被高 精度观测，对重力场的瞬时变化也能更好的理解。另外国外已验证了s l r 数 据完全可以完成重力场建模。 2 无论是地球物理还是海洋测绘学都需要一个全球范围的精度优于 lm m y r 的参考框架。s l r 主要通过l a g e o s 就能提供长时间尺度范 围内稳定的参考框架( 国际地球参考框架i t r f ) 。除了v l b i 外，s l r 是整个 i t r f 最有力的维持手段。 3 s l r 是对地心运动监测的最精准的空间大地测量工具。海洋、大气这些 流体的质量分布要以年的时间尺度来确定就必须使用地心运动的信息。由于 地心运动反映了地球内部及各圈层( 包括海洋、大气、地下水、冰层等) 的 复杂运动和相互作用过程，对大气、海洋系统研究无疑有重要意义。 1 1 2 卫星精密定轨 上世纪9 0 年代s l r 对定轨学最大的贡献就是对高轨卫星的精确测量，这 中国地震局地震研究所硕士学位论文 些卫星在大气极少的地方运动，受到的大气阻力也极少。由于这些工作，测 高卫星的轨道也就能以前所未有的精度而确定。另外在i g e x - 9 8 对g l o n a s s 和g p s 3 5 和g p s 3 6 的联测中，用局部控制点对轨道误差进行计算已经可以 达到l 2 c m 的精度。 s l r 在高度标定过程中起到的作用就是在当地地面站上实现对卫星精度 达le m 的定轨。空间海洋学的研究是建立在测高仪的数据上的，而测高仪的 数据精度要靠精确的轨道整合及高度标定来保证。从对n a s a 和法国空间研 究中心( c n e s ) 发射的t o p i x p o s e i d o n 卫星的精密定轨情况来看，由于 d o r i s 和s l r 良好的互补性，定轨精度已达2 3 c m 。 1 1 3 时间传递 s l r 是目前做时间传递实验最精准的手段。在时间传递实验中要将地面 站上的时钟与几千公里外的卫星搭载原子钟同步，因此必须使用脉宽几十皮 秒的激光脉冲和高精度计数器。 地面站使用的发射、接收器件与普通s l r 相同，空载器件除了反射镜外 还需光子接收器和事件计数器。通过空中返回的激光脉冲到达时间与地面时 钟记录时间的比较，地面和空中的钟差就能确定。 法国计划在2 0 0 4 年启动的t 2 l 2 计划就是激光时间传递实验。它使用国 际空间站搭载的超精准原子钟p h a r a o ，要将传递精度控制在5 0 皮秒内，10 0 0 秒内的稳定度优于l 皮秒可把现有技术能达到的精度提高一个数量级。【2 乳 3 0 l 1 2 国内外$ l r 应用概况 1 2 1s l r 发展简介 空间大地测量和地学研究在很大程度上要依赖大量、精准的观测数据， 这些数据包含着广阔的空间和时域上的频谱信息。从上世纪6 0 年代起，人们 就一直致力于空间观测技术的提高，希望找到有今天这样观测精度的方法。 在这个背景下，以s l r 、d o r i s 、v l b i 为代表的现代大地测量技术应运发展 了起来。【3 1 1 l9 6 0 年，美国研制了第一台红宝石激光器，证实了激光具有远程测量的 能力。l9 6 2 年，美国人h e n r yp l o t k i n 提出在飞行器上安装激光反射器，并应 用于大地测量。19 6 4 年l0 月，美国在b e b 卫星上实现了人造卫星激光测 距( s l r ) ，当时的精度为米级。 从s l r 产生之日起，它就在大地测量和地学研究中得到了广泛应用。美 国宇航局启动的“固体地球动力学”计划和“固体地球与自然灾害”计划，这些对 第一章概论 地壳运动的研究中都有s l r 的参与。上世纪8 0 年代，欧洲大地测量界提出魏 格纳计划，主要是在地中海区域用s l r 联测求得地壳运动。经过l9 8 5 - - 一19 8 7 、 l9 8 9 、l9 9 2 年多次联测，得出了该区域的地壳运动。近年又组织地中海和北 欧地区的海平面变化和冰后回弹观测，目前仍在进行中。 从上世纪6 0 年代至9 0 年代近三十年间，s l r 不论是观测量还是观测精 度都提高了几个数量级。而在9 0 年代期间d o r i s 、g p s 这些运用电磁方法的 测量手段已能达到s l r 能达到的性能指标，同时s l r 也从新技术的出现中得 到提高：雪崩单光子二极管( 欧洲使用) 和微通道光电倍增器( 美国使用) ， 通过这些器件和其它技术的使用，s l r 的测量已经可达到亚厘米的精度。 1 2 2 国内s l r 应用概况 目前我国的s l r 技术测量精度已达到厘米级，卫星测程已经超过了两万公 里，有的站还正在计划做激光测月。我国s l r 网现有5 个固定站( 上海、长春、 北京、武汉、昆明) 和1 套流动观测设备。目前，单次测距精度为1 3 厘米，标 准点的精度为l0 一l5 毫米，能测量到l a g e o s 、e t a l o n 、c h a m p 、g r a c e 等卫 星，还对神舟四号飞船进行了精密定轨测量。长春站每年对各类卫星可测到 2 6 0 0 圈以上，上海、北京每年可测到l5 0 0 圈。而且流动仪t r o s l 解决西部 长期以来的s l r 数据缺乏问题，测距精度和自动化程度、小型化均达到世界先 进和领先水平，受到国际同行的瞩目。 “九五”期间我国实施了重大科学工程“中国地壳运动观测网络”( 简称网络 工程) ，于2 0 0 0 年底顺利建成。它是以g p s 观测技术为主，辅之以s l r 、v l b i 等空间技术，结合精密重力测量和精密水准测量构成的大尺度、高精度、连 续的地壳运动观测网络。s l r 在网络工程中的作用是：研究中国大陆相对于周 边地区的地壳运动和我国板内大尺度形变特征；各s l r 站既可作为全球地球参 考系的基准点，也可作为我国高精度大地测量控制网的基准点。尤其是在网 络工程建设中确定研制的流动s l r 系统t r o s i ，投入仅相当于建立一个固定 站的经费，但可以大大扩展观测点，解决西部长期以来的s l r 数据缺乏问题， 使我国构造活动强烈、大震频繁、板内变形最大、类型最为丰富的西部地区 也能得到通过s l r 导出的地壳形变信息。i ) 纠 1 3 本课题的意义和工作重点 随着空间科学的不断发展，s l r 也需要不断更新技术以适应国际、国 内的发展形式和满足对它在空间大地测量上的要求。目前国内s l r 站的伺服 系统大都采用模拟电路形式的驱动控制和感应同步器数显表，如能采用数字 技术和光电码盘进行伺服系统的升级改造，不仅可以提高跟踪精度、数据密 度和系统稳定性，还会提高白天测距和地影盲测的命中率。 3 3 j 中国地震局地震研究所硕士学位论文 ( 1 ) 控制系统的改造是我国s l r 技术缩小与国外先进技术之间差距的迫切要 求 中国地震局地震研究所建造了我国第一台流动s l r 系统：t r o s i 。 t r o s - i 也是目前国内领先的s l r 系统，目前正承担国家重大科学工程“中国 地壳运动观测网络”的常规观测任务，还参加“国际地球自转联测”的常规观测。 此外，还承担过神舟4 号激光精密定轨观测任务以及为总装备部某基地的雷 达标校进行的激光观测任务。但它的伺服系统在跟踪精度和数据密度方面居 国际中等地位，与国际先进s l r 测站相比存在差距，亟待改善。 此外从我国大范围来看，能代表我国国内先进水平的流动激光测距仪 t r o s i ，它的伺服系统在跟踪精度和数据密度方面居国际中等地位。如果s l r 伺服系统的跟踪精度得到提高，观测数据也会增多，届时将本伺服系统做为 一个样板推广到国内其它s l r 站，我国激光观测网作为一个整体，其性能将 得到提高，将在国际激光观测网络( i l r s ) 中发挥更大作用。 ( 2 ) 技术改造也是国际、国内s l r 的发展方向 据国内外比较流行的看法，s l r 技术的进步发展方向有以下几方面：1 用各种技术手段和方法提高测距精度和观测数据量。举例言之，目前奥地利 g r a z 站应用高频率激光器和高精度皮秒级事件计数器其观测精度可达毫米 级；数据量也大大提高。2 提高测距系统的自动化程度，减少人力和物力的消 耗。目前美国正在研制中的s l r 2 0 0 0 系统就是以实现全无人值守为目标的 s l r 系统。 本次伺服系统的数字化研究也可看作是提高系统自动化程度的起始工 作，因为要实现无人值守，伺服跟踪系统的及时性、准确性和稳定性要求都 要比现在高的多，如果本工作能成功，届时实现无人值守时的伺服系统设计 完全能够参照本研究的先驱经验，从而少走弯路，提高产出投入比。 本课题的主要工作将在t r o s i 上展开。要实现伺服系统的数字化，必须 从控制理论着手分析伺服系统，解决控制理论中各个参数与伺服系统的跟踪 速度、精度之间的关系。然后再针对分析进行实际调试改造工作。本文将从 理论和实践两方面解决伺服系统改造中碰到的问题。 第二章原伺服跟踪系统模型分析 第二章原伺服跟踪系统模型分析 2 1 伺服系统在s l r 系统中的地位 s l r 技术是涉及光学、机械、电子、计算、激光、控制、跟踪、时间测 量的多学科交叉的高精密技术，在此仅予以简要介绍。 中国地震局地震研究所建造了我国第一台流动s l r 系统：t r o s i 。 t r o s i 也是目前国内领先的s l r 系统，目前正承担国家重大科学工程“中国 地壳运动观测网络”的常规观测任务，还参加“国际地球自转联测”的常规观测。 此外，还承担过神舟4 号激光精密定轨观测任务以及为总装备部某基地的雷 达标校进行的激光观测任务。在此以t r o s i 为例，介绍s l r 的组成部分如 下： ( 1 )望远镜转台 望远镜转台由基座、置平机构、纵横轴系、接受和发射镜筒、导星镜筒 等机械部分组成，在s l r 系统中做发射激光，接收回波以及跟踪靶之用。转 台内安装有轴角编码器和测速电机，分别做跟踪伺服系统的位置和速度反馈。 跟踪伺服系统控制力矩电机的驱动电压而实现转台位置的变化。t r o s i 转台 重量约为1 吨，采用地平式两轴结构。 ( 2 ) 光学系统 光学系统分为发射光路和接收光路，分别负责激光脉冲的发射和接收。 t r o s i 的接收物镜兼做导星望远镜用，导星望远镜与微光增强显像管和显示 物镜组成监视系统。接收主镜孔径1 i ) 3 8 5 c m ，另外采用折射轴光路提高接收 灵敏度。激光器采用上海光机所研制的n d ：y a g 晶体锁模倍频激光器。输出 激光波长为5 3 2 n m ，第一个脉冲幅度最高，能量约为l5 m j ，7 0 以上的主波 和回波信号的产生来源于此。t r o s i 将激光器与转台固定在同一个平台上以 提高系统集成度。0 4 1 ( 3 )电子控制系统 图2 1s l r 的基本组成示意图 中国地震局地震研究所硕士学位论文 电子控制部分比较复杂，不过其目的只是一个，即协调s l r 整个系统各 个部分的工作。功能包括：系统时间的同步：对力矩电机p w m 脉宽信号的修 改；采样主波和接收回波后进行光电转换；距离门的开闭以控制时间间隔计 数器；转台位置、速度的采集；与测量相关的参数的采集等。t r o s i 的电子 控制部分由中国地震局地震研究所自主设计，性能处于国内乃至国际领先地 位。举例而言，为提高时频系统的稳定性和可靠性，引进了g p s 时间频率接 收机，接收机以优良晶体为基础，通过锁定到g p s 信号的方法，提供优于 5 10 0 2 的频率标准，因而短期和长期稳定性均达到较高水平，可靠性大大提 高。接收机提供秒信号和l0 m h z 的频率标准。该频率信号一路作为时间间隔 计数器的外频率标准，一路给计算机作为系统时钟的输入，秒信号仅用于同 步系统时钟( 精度优于l0 0 n s ) 。 t r o s i 选用p c 计算机作为控制主机，系统时钟、距离门控制器、激光 发射控制器、伺服系统控制信号、控制时序、数据接口全部集成安装。通过 数据接口，计算机可以与其它所有分系统联系，获取数据和发出控制指令。 控制时序提供所有控制执行的时间关系，如激光发射、伺服系统控制、计数 器距离门信号都必须遵循严格的时间关系。时钟按照u t c 时间进行设置，跟 踪开始和结束、地靶测量均依据此时间，每次测量记录的激光发射时刻也由 该时钟提供，相应于l0 m h z 的钟频，时钟精确到0 1u s 。距离门控制范围10 n s - - 1 6 s ，分辨率1 0 n s 。 ( 4 )控制软件系统 s l r 系统中转台及所有相关设备均由p c 计算机中的控制软件所控制。 t r o s i 中的软件功能包括：根据星历计算卫星经过本地上空的时间、最高高 度、亮度等级、地影情况、运动方向等数据；计算间隔为2 0 或5 秒( 视不同 远地和近地卫星而定) 一点的星历和相应的内插系数，供跟踪卫星和预处理 使用；检查和设置时钟、自动引导转台、跟踪定位、地靶测量、数据采集和 选择记录、控制激光发射、距离门、实时显示和修改跟踪参数等；对观测原 始数据进行处理，完成噪声剔除、系统延时校正、解算单次精度和时间偏差、 产生标准点格式和原始观测数据格式的结果文件；测定仪器零点、s p a d 敏感 区测量、数显表归零检验；对软件包中众多软件进行统一管理，对不同卫星、 不同时间的各种数据文件进行统一编号、命名、储存，避免大量数据混乱而 造成的丢失。同时，提供给观测者菜单操作方式，自动调用其它软件功能， 使得操作更为简捷方便；修正转台跟踪精度、调试仪器、检查故障、测试仪 器性能等。1 3 5 1 2 2 伺服系统工作的基本原理 在s l r 开始测量前，首先将g p s 时钟置入计算机和主控制系统，使整个 系统的时钟同步，g p s 的l0 m 信号除了做主控制系统的同步信号外，也作 第二章原伺服跟踪系统模型分析 功计数器s r 6 2 0 的输入信号；计算机根据星历预报软件生成跟踪文件，此文 件预测出卫星在当前时刻的高度角和方位角以及卫星和测量站间的距离，而 生成位置的期望值；控制系统则将生成的期望值送给伺服跟踪系统，由伺服 系统驱动力矩电机跟踪卫星轨道，按照误差最小原则实时修正望远镜的指向 误差，使发射镜和接受镜始终对准卫星；n d ：y a g 激光器受主控制系统的控 制，按照l 9 h z 的频率发射短脉冲激光，激光脉冲经雪崩二极管采样、整形 转换成电脉冲，作为精密时间间隔计数器的启动信号，发射出去的激光经卫 星角反射器后原路返回，由单光子雪崩二极管s p a d 转换成电脉冲作为精密 时间间隔计数器的结束信号；计算机预先估算脉冲返回时间，将此值写入主 控制器作为门控信号，并记录计数器的时间间隔，根据理想值与实测值的差 值o c 判别该时间间隔值是信号还是噪声，如果是信号，则记录该时间间隔 值在观测文件中