光电经纬仪电视跟踪伺服系统捕获跟踪快速运动目标技术的研究02

分类号密级UDC编号中国科学院研究生院博士学位论文光电经纬仪电视跟踪、捕获快速运动目标技术的研究王建立指导教师姓名陈涛研究员长春光学精密机械与物理研究所申请学位级别博士学科专业名称机械制造及自动化论文提交日期200202论文答辩日期200204培养单位长春光学精密机械与物理研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席于前洋CLASSIFIEDINDEXCONFIDENTIALGRADEUDCNUMBERADISSERTATIONSUBMITTEDTOTHEACADEMYOFSCIENCES,FORTHEDEGREEOFPHDOFSCIENCESTUDYONTVTRACKINGSYSTEMOFOETHEODOLITETOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSBYWANGJIANLIDIRECTEDBYPROFESSORCHENTAOCHANGCHUNINSTITUTEOFOPTICS,FINEMECHANICSANDPHYSICS,CHINESEACADEMYOFSCIENCES,CHINAMARCH,2002摘要近年来，随着靶场测试目标速度的提高和设备自动化程度的提高，对光电经纬仪电视跟踪伺服系统的跟踪和捕获快速运动目标的能力提出了越来越高的要求。目标速度的提高将会产生大的角速度、角加速度乃至更大的角加加速度，导致光电经纬仪电视跟踪动态误差急剧增大，目标逸出视场，跟踪失败。本论文就如何提高光电经纬仪电视跟踪伺服系统跟踪捕获快速运动目标的能力等一系列问题进行了探讨。论文首先通过理论分析和仿真，分析了传统的评价和检测光电经纬仪电视跟踪伺服系统跟踪精度的方法无法评价光电经纬仪跟踪快速角速度、角加速度运动目标的情况。提出了采用等效目标等几种评价和检验电视跟踪伺服系统精度的方法。提出了加速度滞后补偿的概念，并将其应用到提高电视跟踪稳态精度中；结合电视跟踪器补偿技术，在保证最大跟踪误差不大于3的条件下，将目前的光电经纬仪电视跟踪系统跟踪最大角速度30/S、和最大角加速度12/S2能力，提高到跟踪最大角速度50/S、最大角加速度30/S2。对电视自动捕获跟踪技术进行了初步研究。通过采用多模控制和适当选取捕获时机等技术，取得了153视场自动拦截捕获11/S运动目标的结果。最后对本文提出的理论和方法进行了实验研究，取得了与仿真和理论分析相一致的结果；实际证明了本论文理论分析的正确性和工程应用的价值。关键字光电经纬仪，电视跟踪，加速度滞后补偿，拦截捕获ABSTRACTWANGJIANLIMACHINEMANUFACTUREANDAUTOMATIONDIRECTEDBYCHENTAOTHEHIGHCAPABILITYOFOETHEODOLITETOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSISREQUIREDTHESEYEARSBECAUSEOFTHERAPIDADVANCEMENTOFTESTEDTARGETSANDAUTOMATIZATIONOFEQUIPMENTSITWILLPRODUCEVERYBIGANGULARVELOCITY,ANGULARACCELERATIONANDANGULARJERKWHENTRACKINGFASTMOVINGTARGETSTHISMAYLEADBIGGERTRACKINGERRORANDFAILTOTRACKTARGETSTHESEPROBLEMSOFHOWTOIMPROVETHEOETHEODOLITECAPABILITYTOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSAREDISCUSSEDINTHISDISSERTATIONTHETRADITIONALEVALUATINGANDTESTINGTHETRACKINGPRECISIONOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMISNEARLYINVALIDWHENOETHEODOLITETRACKINGFASTMOVINGTARGETSBYANALYZINGINTHEORYANDSIMULATINGINTHISDISSERTATIONTHEEQUIVALENTTARGETMETHODANDSOMEOTHERMETHODSTOEVALUATEANDTESTTHETRACKINGPRECISIONOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMAREBROUGHTFORWARDTHECONCEPTOFACCELERATIONDELAYCOMPENSATIONISPUTFORWARDINTHISDISSERTATIONBYUSINGACCELERATIONDELAYCOMPENSATIONANDTVTRACKERCOMPENSATIONTECHNOLOGYTHETRACKINGCAPABILITYOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMISPROMOTEDTOTRACKFASTMOVINGTARGETSATMAXIMAL50/SANGULARVELOCITYANDMAXIMAL30/S2ANGULARACCELERATIONOTHERTHANMAXIMAL30/SANGULARVELOCITYANDMAXIMAL12/S2ANGULARACCELERATIONBEFOREWHILETHEMAXIMALTRACKINGERRORISSTILLLESSTHAN3TVAUTOMATICACQUISITIONTECHNOLOGYISSTUDIEDELEMENTARILYBYUSINGMULTICONTROLMODELSANDCHOOSINGTHEPROPERACQUISITIONOCCASIONANDOTHERTECHNOLOGIESAMOVINGTARGETAT11/SISAUTOMATICACQUIREDIN153FIELDOFVIEWINTHEEND,THETHEORIESANDTECHNOLOGIESDISCUSSEDINTHISDISSERTATIONWERETESTEDWITHEXPERIMENTSTHEEXPERIMENTRESULTSAREMUCHMORELIKETHEANALYZEDANDSIMULATEDRESULTSITVERIFIESTHATTHETHEORETICALANALYSISINTHISDISSERTATIONISCORRECTANDITISVERYVALUABLEFORENGINEERINGKEYWORDSOETHEODOLITE,TVTRACKING,ACCELERATIONDELAYCOMPENSATION,INTERCEPTEDACQUISITION目录摘要IABSTRACTII目录IV第一章绪论111光电经纬仪简介112快速运动目标对电视跟踪的影响分析213国内外光电经纬仪伺服系统技术发展现状514本论文主要内容及其意义7第二章光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计跟踪精度评价及室内检测方法的研究921引言922电视跟踪伺服系统设计跟踪精度评价方法的研究9221评价电视跟踪伺服系统设计跟踪精度的动态误差法10222光电经纬仪电视跟踪伺服系统数学仿真模型12223基于MATLAB/SIMULINK的电视跟踪伺服系统仿真1423光电经纬仪电视跟踪伺服系统室内检测方法的研究16231等效正弦检测方法16232光学动态靶标检测方法17233等效正弦、等效目标与动态靶标运动轨迹频谱比较19234快速运动目标的室内检测方法的探讨212341单轴检测方法212342等效目标引导检测方法222343光学动态靶标检测与仿真相结合2224本章总结22第三章加速度滞后补偿提高光电经纬仪跟踪快速运动目标精度方法的研究2331引言2332提高光电经纬仪伺服系统跟踪精度的现有途径23321前馈控制23322速度滞后补偿24323共轴跟踪技术24324动态高型控制方法25325新型控制策略的应用2533加速度滞后补偿提高光电经纬仪伺服系统跟踪快速运动目标精度方法的研究25331加速度滞后补偿原理26332加速度滞后补偿提高系统稳态精度分析273321加速度滞后补偿对系统速度、加速度品质因数的影响273322加速度滞后补偿对系统开环频率特性的影响29333加速度滞后补偿方法提高稳态跟踪精度仿真313331等效正弦稳态跟踪精度仿真323332等效目标稳态跟踪精度仿真333333光学动态靶标稳态跟踪精度仿真35334加速度滞后补偿对系统速度回路的影响37335加速度滞后补偿对系统动态性能的影响3934提高系统动态性能的补偿措施40341电视跟踪器延时环节补偿42342电视跟踪器采样保持环节补偿4335本章总结46第四章电视跟踪伺服系统快速自动捕获跟踪方法的研究4841引言4842提高电视跟踪伺服系统自动捕获跟踪快速运动目标的方法48421增大捕获跟踪视场与采用记忆跟踪48422提高系统动态性能与多模控制技术49423选择合理的捕获跟踪时机51424数引跟踪与捕获跟踪采用相同的校正方式5243本章总结52第五章光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计及实验结果5351引言5352“718”光电经纬仪物理仿真环境构成53521“718”光电经纬仪跟踪架54522光学传感器及电视跟踪器55523功率放大器55524控制计算机及其外围电路接口56525光学动态靶标5653光电经纬仪电视跟踪系统主要参数测试56531跟踪架频率特性的测试56532电视跟踪器常数测试5954光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计60541速度回路设计61542位置回路设计64543算法的数字实现6655电视跟踪实验67551电视跟踪动态性能测试68552稳态跟踪精度测试705521等效正弦跟踪精度测试705522等效目标跟踪精度测试715523光学动态靶标跟踪精度测试725524稳态跟踪实验小结7356自动拦截捕获跟踪实验74561自动拦截捕获跟踪控制策略74562实验结果7557本章总结77第六章总结与展望7861总结7862展望79攻读博士学位期间发表的论文80致谢81参考文献82图索引图11光电经纬仪方位跟踪伺服系统框图2图12目标水平直线飞行轨迹3图13角速度曲线4图14角加速度曲线4图15角加加速度曲线5图21单输入单输出伺服系统10图22电视跟踪伺服系统数学仿真框图12图23SIMULINK仿真框图14图24没有速度补偿时的跟踪误差15图25有速度补偿时的跟踪误差15图26靶标与光电经纬仪空间运动关系18图27靶标方位角速度、角加速度19图28等效正弦频谱20图29等效目标频谱20图210动态靶标频谱20图211单轴检测示意图21图31加速度滞后补偿原理框图26图32图31的简化图27图33没有滞后补偿的系统开环BODE图30图34带有速度滞后补偿的系统开环BODE图30图35带有速度、加速度滞后补偿的系统开环BODE图31图36等效正弦运动曲线32图37等效正弦跟踪误差曲线33图38等效目标运动曲线34图39等效目标跟踪误差曲线34图310光学动态靶标运动曲线35图311光学动态靶标跟踪误差曲线36图312速度回路开环BODE图38图313速度回路闭环BODE图38图314速度回路阶跃响应曲线39图315单位阶跃响应40图316不考虑电视跟踪器的单位阶跃响应41图317电视延时滞后与补偿结果43图318电视延时滞后补偿后单位阶跃响应43图319电视采样保持与补偿结果45图320电视延时滞后补偿后单位阶跃响应45图321插值补偿与零阶保持补偿共同补偿结果46图41多模控制结构图51图42目标与视场的位置、运动关系图51图51光电经纬仪物理仿真环境53图52物理仿真光电经纬仪伺服系统硬件关系图54图53跟踪架频率特性测试57图54跟踪架频率特性曲线58图55电视跟踪器滞后时间常数测试结果60图56速度开环的BODE图62图57速度回路闭环BODE图62图58实测速度回路闭环BODE图63图59速度回路阶跃响应64图510程序流程框图67图511电视跟踪器没有补偿的系统阶跃响应68图512电视跟踪器只有插值补偿的系统阶跃响应69图513电视跟踪器只有零阶保持补偿的系统阶跃响应69图514电视跟踪器插值、零阶保持补偿的系统阶跃响应70图515等效正弦稳态跟踪误差71图516等效目标稳态跟踪误差72图517光学动态靶标稳态跟踪误差73图518线性校正2BODE图75图519目标以最大11/S穿越视场过程76图520电视捕获跟踪过程76表索引表11典型光电经纬仪伺服系统技术指标6表21跟踪误差结果比较16表31等效正弦跟踪误差比较33表32等效目标跟踪误差比较33表33动态靶标跟踪误差比较36表51等效正弦稳态跟踪结果71表52等效目标稳态跟踪结果72表53光学动态靶标稳态跟踪结果73表54仿真与实测跟踪误差关系74第一章绪论11光电经纬仪简介靶场用光电经纬仪（简称光电经纬仪）是靶场用来测试外弹道跟踪数据和飞行状态的光学测量仪器，也是校准无线电测控设备的基本设备。与无线电测量设备相比它具有精度高、直观性强（可记录目标图像），不受地面杂波干扰等优点。光电经纬仪一般主要由光学系统（望远镜）、跟踪伺服系统（包括跟踪电视、跟踪架、跟踪处理器和电控）、测角系统（方位、俯仰编码器）、记录系统（摄影机、测量电视）等组成1。光电经纬仪测量是一种跟踪测量，当目标进入光学测量的视场内后，伺服系统捕获锁定目标，然后一直跟踪目标，保证目标一直位于光学测量的视场内，记录系统同时记下目标相对视场中心的偏差脱靶量，测角系统测量出视场中心的方位角和高低角，和脱靶量共同合成目标的实际角位置。因此，经纬仪测量是一种极坐标下的二维角度位置信息测量。由光电经纬仪测量原理过程可以看出，伺服系统在测量中占有极其重要的地位。伺服系统的捕获、跟踪性能决定了经纬仪测量运动目标的能力。光电经纬仪共有方位角、俯仰角两套相互独立的跟踪伺服系统。从控制原理角度来看，除了方位系统有正割补偿环节以外，两套系统的结构基本相同，是一种典型的带有速度内回路的双闭环单输入单输出位置随动系统。图11是光电经纬仪方位跟踪伺服系统框图2。如图11所示，根据跟踪误差产生的方式不同，光电经纬仪跟踪又分为半自动跟踪、电视自动跟踪和数引随动跟踪。半自动跟踪是操作手通过瞄准望远镜检测误差，操纵单杆进行跟踪。电视自动跟踪是电视视频信号通过电视跟踪器处理以后得到位置误差，进行跟踪。数引跟踪是计算机或其他引导设备（如雷达等）给出目标的位置及其速度，引导经纬仪对目标跟踪。早期的光电经纬仪多是半自动跟踪，人作为调节器的频带宽度是很小的，捕获、跟踪能力受到极大限制，目标的运动参数大时，需要以自动跟踪为主1。当具有可靠的数引信息时，数引跟踪具有速度信息，可以构成复合控制，提高跟踪精度。但如果引导信息不够准确或没有引导信息时，便无法采用数引跟踪。因此，电视自动跟踪是最为经常使用的一种跟踪方式。图11光电经纬仪方位跟踪伺服系统框图FIG11DIAGRAMOFEOTHEODOLITEAZIMUTHSERVOSYSTEM12快速运动目标对电视跟踪的影响分析光电经纬仪伺服系统是一个单输入单输出的位置伺服系统，如果忽略外部干扰的影响，在输入端作用一个连续时间的变化量，则指令输入和实际输出之间将存在一个稳态误差。如果已知输入的各次导数，则稳态误差一般表示为3（11）其中、分别称为位置、速度、加速度品质因数，它们的数值取决于伺服系统的结构。由此可以看出系统的稳态误差不仅取决于系统本身的性质还与输入信号的形式有关。考虑到系统的稳定性，光电经纬仪伺服系统一般设计成I型系统，此时。在跟踪时，运动目标的输入角高阶导数若很小，则I型系统的稳态误差近似为3（12）从公式12看出，当目标输入角的高阶导数很小，即目标的机动性很小时，稳态误差的大小与运动目标的角速度、角加速度成正比。当角速度、角加速度电机功率放大速度校正X测速反馈位置反馈校正放大单杆引导信息电视工作方式转换PID正割校正放大X前馈AIVIPIKTTTTPKVAPKAIVITTT及高阶导数很大时，误差远比公式12计算的误差要大。由于跟踪目标的光学视场有限，稳态误差过大将导致目标逃离视场，造成跟踪失败。运动目标角速度、角加速度及高阶导数与目标的运动特性和经纬仪测量时的布站距离存在着函数关系。以目标以等速、等高、直线通过经纬仪时的情况为例进行分析，见图124。实际目标运动特性可能要复杂的多，为了便于分析本论文将等速、等高、直线通过经纬仪的目标称为等效目标。图12目标水平直线飞行轨迹FIG12TRAJECTORYOFHORIZONTALLYFLYINGOBJECT图12中，目标沿水平直线飞行，O点为光电经纬仪系统所在位置，V为目标水平速度，X0为航路捷径。目标方位角、角速度、角加速度、角加加速度分别为（13）（14）（15）（16）图13、图14、图15分别是当X02000米时，目标速度为16MAH所对应的光电经纬仪的角速度、角加速度和角加加速度的变化曲线。从图中可以看出，当目标直线运动的速度为6MAH时，在航捷点附近，目标具AA/0XVTARCGAADT2COST2202CSIN/AAACOSIO/33VDTVTOT0TTR0RAEX0图13角速度曲线FIG13ANGULARVELOCITYCURVES图14角加速度曲线FIG14ANGULARACCELERATIONCURVES407EED282S287EE/88图15角加加速度曲线FIG15ANGULARJERKCURVES有5844/S最大角速度、3872/S2最大角加速度和12161/S3的最大角加加速度，这对I型控制系统将产生巨大的跟踪误差，以至于导致跟踪失败。因此，研制适应大角速度、角加速度乃至大角加加速度的伺服系统，成为光电经纬仪伺服系统的主要研究目标之一。13国内外光电经纬仪伺服系统技术发展现状从六十年代初期，国内有科学院的几个研究所、厂开始研制靶场测试用经纬仪。其中，长春光机所和成都光电所是目前国内靶场用大型光电经纬仪的主要研制单位，代表了国内技术的最高水平。长春光机所从事光电工程已近40年，研制生产了大小不同、功能各异光电设备几百套。其中重要组成部分控制系统，如跟踪伺服分系统等，在国内一直处于领先水平5。表11是长春光机所研制的具有代表意义的光电经纬仪跟踪伺服系统技术指标5。000007EED88表11典型光电经纬仪伺服系统技术指标TABLE11TYPICALEOTHEODOLITESERVOSYSTEMTECHNOLOGYPARAMETERS项目代号最大角速度最大角加速度工作角速度工作角加速度跟踪（定位）误差16025/S45/S215/S5/S218718H/Z35/S50/S220/S7/S23GJ2A70/S80/S220/S10/S22GJ14150/S50/S230/S10/S2366235/S45/S220/S7/S2226035/S50/S220/S7/S23G18850/S80/S220/S10/S23沈阳自动化所研制的多功能弹道跟踪检测系统5最大跟踪角速度60/S最大跟踪角加速度120/S2工作角速度002/S45/S工作角加速度0/S225/S2跟踪误差10，随机误差20成都光电所研制的778光电经纬仪系统6，最大角速度30/S最大角加速度60/S2工作角速度00120/S工作角加速度3/S2跟踪误差3由以上国内光电经纬仪伺服跟踪系统技术指标可以看出，国内的光电经纬仪跟踪运动目标的现有能力在保证跟踪误差3的情况下，最大工作速度30/S，最大工作加速度10/S2，最低速度001/S。国外的靶场光电经纬仪，在跟踪运动目标能力的提法上同国内有所不同，一般只有跟踪角速度、角加速度和跟踪精度，不区分工作角速度、工作角加速度与最大角速度、最大角加速度。美国白沙靶场研制的发射区（LAUNCHAREATHEODOLITE）经纬仪系统，跟踪性能角速度120/S，角加速度120/S2，事后测量精度10207。法国SFIM公司的“TROP”光电经纬仪跟踪测量系统，动态性能已达到最大角速度120/S，最大角加速度200/S28。美国新墨西哥州霍洛曼空军基地的滑橇跟踪系统（SLEDTRACKINGSYSTEM）跟踪角速度60/S，角加速度60/S2，跟踪精度129。以上可以看出，由于使用目的的不同，技术指标提法的不同，直接将国外光电经纬仪的伺服系统技术水平与国内技术相比较比较困难。14本论文主要内容及其意义1999年，长春光机所承担了为国内某靶场研制新型光电经纬仪的任务，电视跟踪伺服系统要求目标最大角速度50/S、角加速度30/S2情况下，电视跟踪误差3。而目前我所光电经纬仪电视跟踪伺服系统现有技术水平是在保证跟踪误差3的情况下，最大工作角速度30/S，最大工作角加速度10/S2，显然以目前的技术无法满足新型光电经纬仪跟踪性能要求。本论文正是以该项目为依托，解决其伺服系统在目标大角速度、大角加速度情况下高精度跟踪和快速捕获的技术难点。该技术的实现，将提高我国靶场光电经纬仪的电视跟踪伺服系统技术性能，对于国防建设意义重大。围绕着光电经纬仪电视跟踪系统技术指标的实现，本论文主要研究工作和内容如下第一章是“绪论”，简要介绍了光电经纬仪功能及组成原理；提出了目前光电经纬仪伺服系统主要技术难点；概述了光电经纬仪伺服系统技术现状；最后提出了本论文研究工作的内容和意义。第二章是“光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计跟踪精度评价及室内检测方法的研究”，通过理论分析和仿真验证证明了现在工程上常用的伺服系统精度评价及检测方法无法适应快速运动目标的评价与检测，根据工程需要针对快速运动目标的跟踪精度评价及室内检测提出了几个可行的方案。第三章是“加速度滞后补偿提高光电经纬仪跟踪快速运动目标精度方法的研究”。首先，总结了光电经纬仪伺服系统综合常用方法；提出了加速度滞后补偿提高光电经纬仪电视跟踪系统精度的方法，并且从几个方面分析了加速度滞后补偿提高精度的原因和对伺服系统的影响，通过仿真验证了其对提高跟踪精度的有效性；对影响电视跟踪伺服系统性能的电视跟踪器延时和采样保持造成的相位滞后进行了补偿研究。第四章是“电视跟踪伺服系统快速自动捕获跟踪方法的研究”。对影响自动捕获跟踪的主要因素进行了分析，提出了提高光电经纬仪自动捕获跟踪的几种有效方法。第五章是“光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计及实验结果”。通过一个实际系统的设计和实际跟踪测试，对本论文提出的理论和方法进行了实验验证，给出了实际实验结果。第六章是“结论与展望”。对论文的创新工作进行了总结，并且就光电经纬仪电视跟踪伺服系统的发展阐述了自己的想法。第二章光电经纬仪电视跟踪伺服系统设计跟踪精度评价及室内检测方法的研究21引言光电经纬仪电视跟踪伺服系统是一个单输入、单输出位置随动系统，对于该系统有多种设计方法，其中对数频域法是一种极为成熟有效的方法10。工程上，对于采用对数频域法设计的伺服系统，其设计跟踪精度评价方法一般采用动态误差系数法。本节通过分析动态误差系数法的来源，以及建立仿真模型仿真验证等手段，分析和验证了动态误差系数法评价方法在跟踪快速运动目标情况下存在较大的原理误差，提出应采用等效目标作为输入，采用数学仿真手段评价跟踪精度。目前工程上，现有的等效正弦和动态光学靶标等电视跟踪伺服系统的室内检测方法，无法提供满足外场实际快速运动目标运动状态的模拟目标。本节对此问题进行了探讨，提出了几种电视跟踪伺服系统室内检测方法。22电视跟踪伺服系统设计跟踪精度评价方法的研究工程上往往只提出目标最大工作角速度、角加速度下的伺服系统的最大跟踪误差611。因此，常常用公式21衡量电视跟踪伺服系统设计跟踪精度4。21一般，只要设计的伺服系统的速度品质因数、加速度品质因数满足VKAK公式22，即认为满足设计跟踪精度要求。22AIVIKTTTMAX22AVK这种用速度、加速度品质因数衡量伺服系统稳态跟踪精度的方法基础是伺服系统稳态误差动态系数分析方法。通过稳态误差动态系数的分析将会发现，如果对于加速度比较大，机动性比较强的运动目标采用该方法计算跟踪精度，存在很大误差。221评价电视跟踪伺服系统设计跟踪精度的动态误差法光电经纬仪电视跟踪伺服系统是一个单输入单输出的位置伺服系统，如图21所示。图21单输入单输出伺服系统FIG21SISOSERVOSYSTEM按照控制原理12，不含有积分环节的系统为0型系统，含有1个积SW分环节的系统为I型系统，以此类推，含有几个积分环节，就是几型系统。0型系统对恒定位置输入会产生一个固定稳态误差，对等速度、加速度输入误差为无穷大。I型系统对恒定位置输入的稳态误差为零，对等速度输入的稳态误差为一个固定值、对等加速度输入误差无穷大。II型系统对恒定位置输入、等速度输入的的稳态误差为零，等加速度输入误差为一固定值。一般来说，II型以上的系统稳定性差，光电经纬仪电视跟踪伺服系统通常设计成I型系统。由绪论分析知道，光电经纬仪伺服系统的输入不是一个等速度或等加速度信号，因此分析其稳态跟踪误差不能采用理想输入信号分析，通常采用动态误差法。如图21所示，伺服系统误差信号的拉氏变换式是23通常，在坐标原点无极点，则可在邻域内展成泰勒级数SESE01SRWSREESXTRTYT形式1024将变换成原函数，得25式中、是误差系数。0C1NC也可以将上式写成26，01CKP1V21CKA、，分别称为位置、速度、加速度品质因数。对于I型系统VA，通常在运动目标的输入角的高阶导数很小时，I型系统的稳态误PTR差近似为27公式27就是工程上用来评价伺服系统设计跟踪精度的依据。由以上公式推导过程来看，公式27能成立的前提是，在频域来说相当于，0S0就是说输入信号的频谱应处于低频段，至少大部分是在低频段10，也就是目标的机动性不能太大，高阶导数应很小。同时，可以看出跟踪误差的大小同目标运动状态有直接关系。即使目标运动过程中，有相同的最大速度和最大加速度，因高阶导数的差异，跟踪精度也不会相同。从绪论中对光电经纬仪跟踪目标的角位置运动特性分析得知，当经纬仪布站航捷距离一定时，经纬仪跟踪目标的角速度角、角加速度与目标运动特性有关。当目标运动的速度较低时，角速度、角加速度及其高阶导数很小，因此可以采用公式27计算的跟踪误差。当目标运动的速度很快时，目标角速度、角SRSEENVPDTRCDTTRDTTRTE3221DTKTDTEAVNESCSC210NDTRCDTRTTT210加速度及其高阶导数急剧增大，用该公式计算分析设计系统的跟踪精度将导致很大的误差。即工程上只采用速度、加速度品质因数评价伺服系统设计跟踪精度的方法不尽合理。当然，不是说，速度、加速度品质因数评价伺服系统跟踪精度的方法是错误的，它还是一定程度上反映了设计系统的跟踪目标运动速度、加速度的能力。仿真技术的发展，为如何合理评价光电经纬仪伺服系统的设计跟踪精度带来了方便。只要建立完善的伺服系统仿真模型和实际输入目标信息，就可以方便地评价伺服系统设计跟踪精度，而不必只依赖并不精确的速度品质因数、加速度品质因数方法。222光电经纬仪电视跟踪伺服系统数学仿真模型图22电视跟踪伺服系统数学仿真框图FIG22SIMULATIONDIAGRAMFORTVTRACKSYSTEM图22是电视跟踪伺服系统的数学仿真框图13。它由输入目标、电视跟踪器、位置回路校正放大以及速度回路和速度滞后补偿环节组成。输入目标是模拟实际目标运行轨迹的信号发生器，可以是正弦信号、等速运动目标信号及旋转靶标等各种需要模拟的目标信号。电视跟踪器是由摄象机和信号处理电路组成，是一个误差检测元件。SGTV其数学模型包括一个具有有限视场范围的比例环节、延时环节和采样TVKSESGPCXSIGNALXSVCSGPHMTVSVFDI保持环节。为图像信号建立、扫描以及传输等多种原因形成的滞后SE10时间。为跟踪器一帧图像保持时间。0是位置回路校正放大环节，电视跟踪伺服系统位置回路的设计主要SGPC就是确定其结构和参数。是速度回路校正放大环节，其参数和结构在速度回路设计时确定。VC数字脉冲调宽环节是一个采样保持环节，当PWM执行频率很高时SGH可以等效为一个惯性环节14。PWM功率放大环节是一个比例环节。SPPK控制对象是跟踪架，为了提高机械谐振频率，一般采用力矩电机和跟踪架直接耦合传动方式，在不考虑高频谐振时，其传递函数为，是机SGMT电时间常数，是电气时间常数，是电机反电势系数。ETEK是用编码器位置差分测速方法的测速环节传递函数，速度回路SGVFST的采样周期。是速度到位置的积分环节。SI1是速度滞后补偿环节3，其传递函数为，是滞后GVDSTSGVDVD1补偿系数，是低通滤波时间常数。TSTSGVF5011/SSEM1501STEWMSTPWM223基于MATLAB/SIMULINK的电视跟踪伺服系统仿真近年来，MATHWORKS公司的仿真工具软件MATLAB/SIMULINK以其方便的图形化系统模型输入和仿真结果显示，在控制系统仿真中得到了广泛应用15。本节基于MATLAB/SIMULINK仿真软件，以某一实际光电经纬仪伺服系统参数，进行了针对有相同最大角速度50/S、最大角加速度30/S2的正弦运动目标（称作等效正弦4）和在航捷点具有最大角速度50/S、最大角加速度30/S2等速直线运动目标（称作等效目标）的跟踪精度进行了对比仿真实验。图23是SIMULINK仿真框图。为了确保仿真模型可靠，控制对象的传递函数参数和其他参数取实际测试的数值或实际使用的值。控制对象包括功率放大器环节的实测传递函数是10379SSG速度回路的采样频率和PWM执行频率取400HZ；电视采样频率为50HZ，信号处理延时002MS。速度回路和位置回路的校正参数如图23中所示。仿真采用速度滞后补偿方法3，提高稳态跟踪精度。图23SIMULINK仿真框图FIG23SIMULINKSIMULATIONDIAGRAM图24是没有速度滞后补偿时的等效正弦和等效目标的稳态跟踪误差仿真曲线。图25是加入速度滞后补偿时的等效正弦和等效目标的稳态跟踪误差仿真曲线。表21是有速度滞后补偿、和没有速度滞后补偿时的计算与仿真跟踪误差比较。图24没有速度补偿时的跟踪误差FIG24TRACKINGERRORWITHOUTVELOCITYCOMPENSATION图25有速度补偿时的跟踪误差FIG24TRACKINGERRORWITHVELOCITYCOMPENSATION02002468/18F/802002468/18F/8表21跟踪误差结果比较TABLE21COMPARISITIONOFTRACKINGERRORS通过比较可以发现，对于等效正弦目标，利用速度、加速度品质因数求得的跟踪误差与仿真跟踪误差差别不是很大，而等效目标的计算跟踪误差和仿真跟踪误差则相差极大。主要原因是二者虽然最大角速度、角加速度相同，但等效目标的加加速度乃至更高阶导数远远大于等效正弦。这充分证明了对于快速运动目标采用传统的速度、加速度品质因数评价跟踪精度存在极大的原理误差。对于小角加速度及高阶导数很小的运动目标，可以采用速度、加速度品质因数进行评价；对于大角速度、角加速度乃至更大高阶导数的目标稳态跟踪精度评价，采用仿真技术进行评价不失为一种有效方法。通过比较还可以发现，虽然对快速运动目标，利用速度、加速度品质因数计算跟踪误差并不准确，但速度、加速度品质因数还是从一定程度上反应了系统的跟踪性能，即速度、加速度品质因数越大，系统跟踪精度越高。23光电经纬仪电视跟踪伺服系统室内检测方法的研究在光电经纬仪装校过程中，对设备的动态性能检测是非常必要的。目前工程上，光电经纬仪电视跟踪伺服系统室内检测方法主要有等效正弦、旋转光学靶标检测等方法611。对于大角速度、角加速度实际运动目标，这两种室内检测方法，均无法检测。因此，需要解决工程上急需的光电经纬仪电视跟踪伺服系统室内检测方法。231等效正弦检测方法对于任何运动轨迹都可以用傅立叶分析分解成若干个正弦曲线，所以可以用一个或几个正弦运动代替目标运动。用一个与运动目标具有相同角速度和角目标特性等效正弦等效目标VKA伺服系统没有速度滞后补偿有速度滞后补偿等效目标等效正弦计算跟踪误差仿真跟踪误差1598636911598636915252797021437310758131379702143731668加速度的正弦代替目标的运动，该正弦信号就称为等效正弦4。当只已知目标运动最大角速度、最大角加速度时，则可以求出一MAXMAX个等效正弦，用来检测伺服系统跟踪精度。1T28等效正弦振幅为29等效正弦的角频率为210周期为211显然，的最大角速度、最大角加速度分别为和。1TMAXA等效正弦检测伺服系统跟踪精度的方法大大简化了实际运动目标模型，是一种完全理想的状态。如前面所述，当实际运动目标快速运动时，等效正弦的跟踪误差将会与实际运动目标的跟踪误差有很大出入。同时，等效正弦是通过计算机模拟产生引导光电经纬仪进行跟踪检测，并不经过电视跟踪器，无法检测电视跟踪器的性能。所以，等效正弦检测方法不适合检测光电经纬仪电视伺服系统跟踪大角速度、角加速度运动目标时的跟踪精度。232光学动态靶标检测方法光学动态靶标是一个室内模拟外场运动目标的装置。它是一个旋转电机带动的平行光管，平行光管发出的平行光模拟外场飞行的目标。通过改变电机的转速，可以改变目标在方位和高低方向上的角速度以及角加速度，实现对不同运动目标的模拟，引导光电经纬仪运动，从而实现光电经纬仪方位、高低电视SIN1MAX1TTMAX2AMAX112T跟踪伺服系统跟踪精度的检测1617。图26是靶标与光电经纬仪空间运动关系图。O点是光电经纬仪水平轴和垂直轴的交点，S点是靶标上模拟目标的光点，直线OR是靶标旋转的轴图26靶标与光电经纬仪空间运动关系FIG26THESPACERELATIONBETWEENTARGETANDTHEODOLITE线。检测时，靶标在垂直于OR轴线的平面内作圆周运动。假定目标在最高位置点S0开始运动到S点，经纬仪的视轴也由OS0运动到OS，A为目标S点出射光与靶标旋转轴线OR的夹角，也是跟踪时经纬仪视轴与靶标旋转轴线的夹角，B为旋转轴线OR与水平面的倾角，A为经纬仪方位运动角，E为经纬仪高低角。一但确定了靶标与经纬仪的相互位置关系，A和B值也就确定。目标从S0运动到S点时，相对于旋转轴线的转角为WT。根据球面三角定理，方位角A、高低角E都将随角的变化按下述公式改变（212）（213）由此可得A、E值为（214）（215）由此，可以求出、，、。E光学动态靶标可以同时为经纬仪的方位和高低电视跟踪伺服系统提供模拟XZYABAEORS0SWTCOSSINCOSSINBABAC/IOS/INARCSICOSIBAB目标，在工程中得到了广泛应用。但是，随着目标角速度、角加速度的提高，光学动态靶标的局限性也越来越明显，主要是不能满足模拟实际运动目标运动状态的要求。图27靶标方位角速度、角加速度FIG27TARGETAZIMUTHANGULARVELOCITYANDACCELERATION光电经纬仪的方位伺服系统要求跟踪最大角速度50/S、最大角加速度30/S2的目标，而光学动态靶标无法给出同时满足最大速度、最大加速度要求的模拟目标。图27是A158，B221，靶标旋转周期为48秒时的方位引导角速度、角加速度曲线。从图中可以看出当满足最大角加速度时30/S2，最大角速度才为26/S。233等效正弦、等效目标与动态靶标运动轨迹频谱比较我们也可以从等效正弦、等效目标和光学动态靶标的运动轨迹频谱角度分析等效正弦和动态靶标检测快速运动目标的不合理性。图28、图29是最大速度都为50/S，最大加速度都为30/S2的等效正弦和等效目标的运动轨迹频谱。图210是动态靶标旋转周期为44秒，方位引导最大速度为30/S，最大加速度为38/S2时的方位角轨迹频谱。比较三者，动态靶标方位引导角轨迹频谱峰值频率最大，说明机动性最强；088F/8F20051015202468102FREQUNCYHZAMPLITUDE等效正弦与等效目标的频谱峰值频率虽然基本相同，但等效正弦的频谱范围要比等效目标窄得多。因此，对于快速运动目标的检测，等效正弦和动态靶标都不适合。图28等效正弦频谱FIG28FREQUENCYSPECTRUMOFEQUIVALENTSINE图29等效目标频谱FIG29FREQUENCYSPECTRUMOFEQUIVALENTTARGET图210动态靶标频谱FIG210FREQUENCYSPECTRUMOFDYNAMICTARGET00510152020460810FREQUNCYHZAMPLITUDE005101520204608FREQUNCYHZAMPLITUDE234快速运动目标的室内检测方法的探讨2341单轴检测方法通过前面的分析知道，传统的光电经纬仪室内检测方法无法实现对快速运动目标的室内检测，主要是无法提供与实际运动目标运动状态相一致的模拟目标。文献17提出的一种利用光学旋转靶标进行单轴检测的方法值得借鉴。图211是光电经纬仪电视跟踪伺服系统单轴检测示意图。平行光管安装在可以旋转的支架上，旋转轴与被检测的光电经纬仪垂直轴同轴。旋转轴由精密轴系、编码器和伺服电机等组成，通过控制微机构成一个位置伺服系统，支架在控制微机的引导下可以模拟实际目标的角运动状态。当引导规律采用等效目标运动轨迹时，可以提供要求的按最大角速度、角加速度运动的目标。虽然单轴检测的方法只能对光电经纬仪的方位伺服系统进行检测，但考虑到光电经纬仪一般方位伺服系统跟踪指标要高于高低伺服系统，而且高低伺服系统的转动惯量远低于方位系统，只要方位系统的精度指标达到，高低系统一般也能达到。图211单轴检测示意图FIG211DIAGRAMOFSINGLEAXISTEST单轴检测方法需要回转精度较高的旋转支架，而且要求与经纬仪的垂直轴系同轴。对于大型光电经纬仪，需要能作很大的旋转半径运动的旋转支架，检测设备庞大，且不易调试。平行光管经纬仪支架2342等效目标引导检测方法如果已经测出电视跟踪器的传递函数（主要是滞后时间常数），可以采用等效目标引导检测的方法检测伺服系统跟踪精度。如同等效正弦检测伺服系统精度一样，由计算机产生所要求的最大角速度、最大角加速度等效目标引导信息，与编码器反馈值相减产生同电视跟踪器采样频率和滞后时间一样的跟踪误差，引导经纬仪运动，只要最大跟踪误差小于伺服系统精度指标，即说明伺服系统满足指标要求。等效目标引导检测方法，可以提供与实际目标相一致的模拟目标，但无法直接检测电视跟踪器的性能。2343光学动态靶标检测与仿真相结合光学动态靶标检测方法，简单实用，只不过不能产生与实际目标运动状态一致的模拟目标。我们可以将光学动态靶标检测与仿真技术相结合的方法，实现对快速运动目标的检测。具体方法是建立光电经纬仪伺服系统、光学动态靶标和等效目标的数学仿真模型，然后仿真靶标作为输入时的伺服系统跟踪精度，接着测试与仿真条件相同跟踪靶标时的跟踪精度。通过对比仿真结果与实际测试结果，验证伺服系统仿真模型的准确性。如果仿真跟踪精度与实际测试跟踪精度在误差的允许范围内，说明伺服系统模型准确可靠。然后，将满足角速度、角加速度要求的等效目标作为仿真输入，如果此时仿真跟踪精度满足指标要求，说明光电经纬仪电视跟踪伺服系统满足指标技术要求。24本章总结本章在分析传统的伺服跟踪系统设计精度评价和室内检测方法的基础上，论证了传统方法无法实现对快速运动目标的评价与检测，从工程实用角度提出了伺服系统设计精度评价和室内检测方法，对于指导电视跟踪伺服系统工程设计和检测有重要参考价值。第三章加速度滞后补偿提高光电经纬仪跟踪快速运动目标精度方法的研究31引言从第一章和第二章分析知道，目前的光电经纬仪电视跟踪伺服系统无法满足光电经纬仪提出的对最大角速度50/S、角加速度30/S2运动目标跟踪误差小于3指标要求。为了实现光电经纬仪伺服系统跟踪快速运动目标精度指标，需要寻找提高光电经纬仪快速运动目标跟踪精度的方法。32提高光电经纬仪伺服系统跟踪精度的现有途径按照控制原理，在一般的闭环控制系统中，提高精度必须提高增益或增加积分环节以提高无静差度。但提高增益会增大系统带宽，受到机械性能和传感器采样频率的限制，带宽不能随意增大。增加积分环节将影响甚至破坏系统的稳定性12。因此，必须探求提高光电经纬仪伺服系统跟踪快速运动目标精度的新方法。321前馈控制前馈控制是在闭环控制系统增加一开环控制支路,用来提供输入信号的一阶、二阶导数，使系统静差度提高，较好地解决了精度与稳定性之间的矛盾问题。这种系统称为前馈控制或复合控制系统12。构成复合控制的关键在于得到目标的角速度、角加速度信号，但电视跟踪系统中无法直接得到。文献（19）（20）探讨了采用电视跟踪脱靶量与编码器合成目标位置，然后再对位置进行微分滤波的方法求取目标速度的方法。由于电视与编码器采样时间的不同步，经微分运算，将产生更大的干扰，该方法并没有获得很好的实际使用效果。322速度滞后补偿文献（3）提出通过采用低通滤波后的仪器的速度，作为目标速度构成一种等效的复合控制（常称作速度滞后补偿方法），来提高系统的跟踪精度。该方法因简单实用在国内光电跟踪设备中获得了广泛应用3610。但是即使在使用该方法后，对I型系统跟踪伺服系统保精度速度只能提高到30/S，保精度加速度可以提高到12/S221，提高跟踪精度能力有限。323共轴跟踪技术传统跟踪方式存在一个基本问题从降低传感器噪声的角度考虑，应减小系统带宽；而为了降低系统动态滞后误差，提高快速性，又必须加大系统带宽。由于传感器与伺服系统在一个回路中，设计中只能做作折中处理，使系统误差和随机误差都无法降至最低，跟踪精度受到限制。共轴跟踪是计算机技术与复合控制技术结合产生的一种新思想42223。它分成两部分，一部分由计算机接收传感器的测量数据，进行滤波、预测，提供准确的角位置、角速度等信息；另一部分完成伺服驱动任务，以第一部分输出的角位置信号为输入，以角速度及高阶导数信号为辅助输入，构成复合控制系统，引导光电跟踪设备跟踪目标。两个部分各自独立，互不影响。数据处理部分的带宽可以很窄，以最大限度抑制跟踪噪声和干扰，尽可能减小随机误差；伺服驱动部分可有很宽的频带，大幅度地降低系统误差，保证跟踪的快速性和准确性。共轴跟踪的关键是滤波预测技术，预测目标位置、速度和加速度等运动状态量。常用的滤波技术有多种,有限记忆最小平方滤波、滤波、自适应滤波和KALMAN滤波等。以上跟踪滤波方法，对快速运动目标的跟踪，以KALMAN滤波