基于光學測量手段實時動態測量船體水平姿態

馬慶坤，喬彥峰 ，王曉明，高慧斌，安雪晶

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學院 研究生院，北京100039; 3.遼寧機電職業技術學院 信息工程系，遼寧，丹東118009)

1 引 言

遠洋航天測量船作為移動式海上測控站，在我國已經具有30 年的應用歷史，期間船載各類設備都經過了多次更新換代。隨著衛星全球導航技術的發展、電視白天測星能力的提高、靜電陀螺監控器的應用及設備綜合標校技術的進步，基于慣性導航技術的船位船姿測量系統作為全船的精度基準，其導航的位置精度、航向精度都已有了很大提高，但是如何為遠洋航天測量船建立動態實時精密的水平測量基準，一直是困擾人們的技術難題。

測量船在運動狀態下主要包括3 個狀態變化:位置平移( 前后、左右、上下) 、姿態旋轉( 航向、縱搖、橫搖) 、結構變形( 艏撓、縱撓、橫扭) ，其中縱搖、橫搖、縱撓、橫扭4 個分量與水平有關。其在塢內靜態情況下，以大地水平作為標?；鶞?，在水上船搖情況下，以慣導水平姿態數據作為水平參考基準。

目前，國內靜態環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″) ，但都只適合于靜態測量環境。動態環境水平測量主要依賴各種慣性測量元件，雖然適合動態環境使用，但其測量精度普遍不高( 誤差≥10.0″) 。

本文參照馮小勇2009 年申請的發明專利［1］，提出了以當地大地水平作為絕對水平參考標準的單測量點水平測量體制。采用“光學編碼精密測角+慣性同步復示平臺+水平誤差檢測工具”的設計方案，用光學編碼精密測角法測量被檢基面與慣性同步復示平臺之間的夾角，用水平誤差檢測工具測量慣性同步復示平臺與大地水平之間的夾角。

2 工作原理與系統設計

本方案以運動載體( 遠望測量船) 慣導系統的50 Hz 船姿數據(R、P) 為引導源，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，通過精密的光機電系統進行實時水平度測量［2］，很好地解決了運動載體實時精密水平測量的相關問題。

2.1 工作原理

在實際工作過程中，探測裝置通過安裝基座與被檢基面( 慣導機座、雷達機座、船體甲板等)連接，水平誤差檢測工具安裝在復示平臺上，在復示平臺縱軸兩端和橫軸兩端分別裝有驅動電機與測角元件。平臺水平誤差檢測工具是保證系統總體測量精度是否滿足要求的關鍵部件。

本方案將實時自準直測微平行光管作為平臺水平誤差檢測工具，并將自準直測微平行光管光軸方向豎直向下安裝在慣性同步復示平臺上。利用從自準直測微平行光管像面處安裝的面陣CCD 采集到的圖像，實時檢測被檢基準平面處安裝的液浮平面反射鏡表面( 絕對大地水平基準)反射得到的光管星點像的偏移情況，從而求得復示平臺相對于絕對大地水平基準的轉角偏移。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 光機系統設計

探測裝置主要由慣性同步復示平臺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

慣性同步復示平臺是系統跟蹤目標的執行機構，主要完成設備視軸指向的精密測量;復示平臺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 位絕對式軸角編碼器和力矩電機，如圖3 所示。

圖3 復式平臺三維布局示意圖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示平臺水平傾斜量的精密檢測機構，主要由自準直測微平行光管［3］、液浮水銀反射鏡和電動置中撥叉等部分組成，整體安裝于慣性同步復示平臺之上，如圖4 所示。

將實時自準直測微平行光管作為平臺水平誤差檢測工具［4］，并將自準直測微平行光管光軸方向豎直向下安裝在慣性同步復示平臺上。利用從自準直測微平行光管像面處安裝的面陣CCD 采集到的圖像，實時檢測被檢基準平面處安裝的液浮水銀反射鏡表面( 絕對大地水平基準) 反射得到的光管星點像的偏移情況，從而求得復示平臺相對于絕對大地水平基準的轉角偏移。

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 電控系統設計

電控系統主要功能為: 實時接收慣導系統船姿數據，以此數據為引導源驅動復式平臺的方位、俯仰電機進行數引跟蹤;同時，圖像處理系統實時(20 Hz) 采集目標圖像、提取脫靶量信息，經濾波等處理后轉化成水平誤差信息，實時發往慣導系統，進行實時船姿數據修正。

電控系統完全采用貨架產品，分系統即不同板卡之間的供電、通訊、同步通過PXI( PCI eXtensions for Instrumentation) 總線來進行［5］，因而電磁兼容性好、結構簡潔緊湊、易擴展、易安裝、易維護［6］。電控系統集成后的外觀如圖5 所示。

圖5 電控系統外觀圖Fig.5 Appearance of electric control system

3 實驗過程及結果分析

3.1 實驗過程

電控系統通過網口接收慣性導航系統的姿態數據( 縱搖ψ、橫搖θ) 作為復示平臺的實時引導信息［7］，通過數據總線發送給運動控制卡，驅動兩軸電機，使復示平臺同步跟蹤慣性平臺。CCD相機實時采集圖像( 10 Hz) ，發往電控機箱的圖像處理卡，通過對圖像的實時判讀，提取脫靶量并將其通過總線傳給綜合控制卡，將數據封包通過網絡向外發送，同時將脫靶量數據量化并與編碼器數據融合后和接收到的慣導數據同時記錄，以便比較。

3.2 結果分析

考慮到測量數據中包含振動、電噪聲等干擾［8］，首先對測量數據進行快速傅里葉變換( FFT)［9］，然后與慣導數據進行比較。橫搖曲線比較如圖6 所示，縱搖曲線比較如圖7 所示。

圖6 橫搖數據曲線比較Fig.6 Comparison of roll data curves

對測量數據分析可知，測量數據與慣導數據高度契合;在去除船姿數據的模型誤差及震動等噪聲誤差后，將測量值與真值進行比較，解算出測量精度為縱搖5.37″，橫搖3.60″，均優于傳統慣導系統水平測量精度。因此，本系統測量數據可作為動態實時精密水平測量基準提供給慣導系統進行實時船姿修正，從而提高測量船的整體測量精度。

圖7 縱搖數據曲線比較Fig.7 Comparison of pitch data curves

4 結 論

本文介紹了通過光學測量手段實時動態測量船體水平姿態的新方法，提出了具體設計方案，并以某型號遠洋測量船為平臺進行了外場試驗。

對實驗數據的分析顯示，本方案作為一種遠洋測量船水平度實時精密測量手段，可以為運動載體( 車載、船載光測設備) 提供高精度實時水平姿態誤差;因其與傳統慣導系統相比具有更高的測量精度( 縱搖5.37″，橫搖3.60″) ，可用于慣導系統水平精度鑒定。

［1］ 馮小勇.運動載體實時精密水平測量方法:中國，200910046330.3［P］. 2010-04-21.FENG X Y. Real-time precision horizontal measurement method for motion carrier: CN，200910046330.3［P］. 2010-04-21.( in Chinese)

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