民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)誤差分析與優(yōu)化建議

沈?yàn)t

上海東湖機(jī)械廠，上海，200439

0 引言

在現(xiàn)代電子信息技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，民用機(jī)場(chǎng)航班起降及空中狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)不再局限于雷達(dá)等設(shè)備，以光電跟蹤系統(tǒng)為代表的智能光學(xué)跟蹤設(shè)備能夠更好地解決目標(biāo)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定跟蹤的問(wèn)題。雖然，民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，但是，由于安裝基準(zhǔn)、平臺(tái)軸向一致性等問(wèn)題導(dǎo)致的誤差偏離對(duì)航班安全造成了一定的影響，因此，圍繞機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)的誤差優(yōu)化就顯得極其重要，這也是完善民用機(jī)場(chǎng)安全管理系統(tǒng)的必然要求。

1 光電跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)述

區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的雷達(dá)系統(tǒng)，光電跟蹤系統(tǒng)是基于可見(jiàn)光、紅外等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，并通過(guò)目標(biāo)解算軟件獲取目標(biāo)距離、高度、航向等數(shù)據(jù)后發(fā)送至機(jī)場(chǎng)綜合管理平臺(tái)[1]。光電跟蹤系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要穩(wěn)定的基準(zhǔn)單元和準(zhǔn)確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航雷達(dá)為其提供目標(biāo)初始方位，從而保證光電跟蹤系統(tǒng)精度。如圖1所示，光電跟蹤系統(tǒng)包括光電跟蹤單元、穩(wěn)定單元、計(jì)算單元、供電單元、通信單元五個(gè)部分，并關(guān)聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)與綜合管理平臺(tái)。

圖1 光電跟蹤系統(tǒng)組成原理圖

光電跟蹤單元主要由紅外跟蹤器、視頻跟蹤器組成，是光電跟蹤系統(tǒng)的核心硬件，主要負(fù)責(zé)目標(biāo)圖像信息的動(dòng)態(tài)采集與跟蹤；穩(wěn)定單元可根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果完成光電跟蹤平臺(tái)在多個(gè)方向上的位置、角度調(diào)整；計(jì)算單元負(fù)責(zé)通信單元所有數(shù)據(jù)的搜集、存儲(chǔ)和處理工作；供電電源能夠?yàn)楣怆姼櫹到y(tǒng)提供包括直流、交流在內(nèi)的多種供電信號(hào)，并依托DC/AC模塊具備交直流轉(zhuǎn)換的功能；通信單元不僅為系統(tǒng)內(nèi)各單元通信提供保障，且能夠與雷達(dá)系統(tǒng)、綜合管理平臺(tái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)。

2 民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)誤差分析

光電跟蹤系統(tǒng)承擔(dān)著機(jī)場(chǎng)對(duì)包括航班在內(nèi)空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)，其精度將直接影響機(jī)場(chǎng)安全，因此，民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)的誤差分析對(duì)于提升航班安全性就顯得極其重要。根據(jù)光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理可以發(fā)現(xiàn)，其誤差產(chǎn)生的原因主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 機(jī)械安裝誤差

機(jī)械誤差是動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)普遍存在的一種誤差類型，處機(jī)械部件本身設(shè)計(jì)、加工過(guò)程中預(yù)留公差外，在光電跟蹤系統(tǒng)安裝過(guò)程中未能嚴(yán)格遵守多向水平調(diào)節(jié)所導(dǎo)致的傾角、垂度等誤差也將對(duì)跟蹤計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響[2]。所以，機(jī)械安裝誤差屬于人為誤差的范疇，在實(shí)際安裝過(guò)程中可以避免。

2.2 基準(zhǔn)漂移誤差

在光電跟蹤系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用過(guò)程中主要存在兩種基準(zhǔn)漂移誤差，針對(duì)誤差類型的不同，其誤差計(jì)算方式也存在些許區(qū)別。

2.2.1 安裝基準(zhǔn)漂移誤差

由于機(jī)械磨損、地面沉降等原因，安裝臺(tái)面在姿態(tài)角、高度等參數(shù)方面將發(fā)生細(xì)微變化，且該誤差也將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增大，并最終體現(xiàn)為垂直軸的偏角誤差，計(jì)算公式如下：

根據(jù)光學(xué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程中垂直抽偏角誤差數(shù)據(jù)可以看出，與的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，即：

假設(shè)以誤差積累周期為單位，基于垂直軸偏角誤差數(shù)據(jù)的安裝基準(zhǔn)漂移誤差將不斷增加，最終誤差計(jì)算結(jié)果如下：

2.2.2 組合測(cè)量單元漂移誤差

為提升跟蹤精度，在光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除依靠主姿態(tài)測(cè)量模塊外，還在x、y、z三個(gè)軸上增加了傾角測(cè)量模塊，形成了組合測(cè)量單元，從而在主姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)離線的情況下可以持續(xù)工作一段時(shí)間[3]。通過(guò)對(duì)組合測(cè)量單元漂移誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，主姿態(tài)測(cè)量模塊的漂移誤差積累曲線增長(zhǎng)速度要明顯小于單軸傾角測(cè)量模塊，如圖2所示。

圖2 組合測(cè)量單元漂移誤差曲線示意圖

受慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的舒拉周期振蕩以及元器件自身誤差漂移的影響，主姿態(tài)測(cè)量誤差累積曲線與單軸傾角測(cè)量誤差累積曲線所表現(xiàn)出明顯的周期性，且累積誤差不斷增加[4]。由于主姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)單元精度高、穩(wěn)定性好，因此，其累積誤差增長(zhǎng)速度較慢，而單軸傾角測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)散性明顯偏大。

光電系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)將發(fā)生不同程度軸向偏離，如圖3所示，為保證目標(biāo)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確度，則需要依托傾角測(cè)量單元對(duì)不同方向上的偏離角進(jìn)行計(jì)算，X軸向誤差偏離公式如下：

圖3 主軸偏離坐標(biāo)系分解示意圖

因此，單軸偏離誤差周期累積公式如下：

主姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的捷聯(lián)度較高，這使得其周期補(bǔ)償效果要明顯優(yōu)于單軸傾角測(cè)量模塊，因此，這也在一定程度上解釋了主姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)誤差累積曲線增長(zhǎng)較慢的原因。

2.3 系統(tǒng)干擾噪聲誤差

在對(duì)機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)伺服電機(jī)工作時(shí)，信息處理電路中將疊加大量的白噪聲，從而導(dǎo)致噪聲對(duì)后期目標(biāo)參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生影響，而光電跟蹤系統(tǒng)的這一誤差也被稱為干擾噪聲誤差。

如圖4所示，在伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，信息處理電路中所疊加的干擾信號(hào)將呈現(xiàn)出明顯的交變特征，由于目標(biāo)跟蹤過(guò)程中信息處理電路的整體功率增加，干擾噪聲疊加后的信號(hào)處理難度顯著增大。

圖4 光電跟蹤系統(tǒng)信息處理電路輸入端干擾

3 民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)優(yōu)化建議

在民用航空運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，民用機(jī)場(chǎng)航班管理工作壓力增大，作為航班管理信息來(lái)源的光電跟蹤系統(tǒng)所提供的信息精度將直接關(guān)系到航班和機(jī)場(chǎng)安全。因此，根據(jù)對(duì)民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)誤差分析結(jié)果，可提出以下幾個(gè)優(yōu)化建議。

3.1 控制安裝基準(zhǔn)誤差

為減少因安裝導(dǎo)致的光電跟蹤系統(tǒng)基準(zhǔn)誤差，應(yīng)當(dāng)在光電跟蹤系統(tǒng)安裝之前應(yīng)采取交叉水平測(cè)方法，將基準(zhǔn)誤差精度控制在2″以內(nèi)。同時(shí)，針對(duì)長(zhǎng)期使用過(guò)程中因地質(zhì)沉降等原因?qū)е碌墓怆姼櫹到y(tǒng)基準(zhǔn)變化情況，應(yīng)當(dāng)為其增加基座高度調(diào)節(jié)裝置，且高度調(diào)節(jié)線性度≤0.5%。

安裝基準(zhǔn)誤差的減小，將有利于控制垂度偏離所導(dǎo)致的高度誤差，尤其是在目標(biāo)距離較遠(yuǎn)的情況下，精度控制效果將更加明顯。

3.2 捷聯(lián)姿態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)需要保持較高的基準(zhǔn)精度，而自有單軸傾角檢測(cè)模塊自身精度低，且上時(shí)間工作后的累積誤差也將明顯增加，為解決這一問(wèn)題，則需要在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將主姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)與單軸傾角檢測(cè)模塊進(jìn)行捷聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)精度校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能。

3.2.1 精度校準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)單軸角測(cè)量數(shù)據(jù)與主姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間誤差超過(guò)15′時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定度將下降10%，且距離（L）、速度（V）、高度（H）等測(cè)量誤差也將隨之等比例增加[5]。而精度校準(zhǔn)則是由主姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在光電跟蹤系統(tǒng)歸零時(shí)，應(yīng)通過(guò)主軸偏離坐標(biāo)系對(duì)單軸傾角檢測(cè)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，保證校準(zhǔn)后單軸偏離誤差控制在以1′內(nèi)，為提升光電跟蹤系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)跟蹤精度，Z軸校準(zhǔn)誤差偏離應(yīng)控制在30″以內(nèi)。

3.2.2 姿態(tài)補(bǔ)償

姿態(tài)補(bǔ)償是高精度導(dǎo)航系統(tǒng)普遍使用的一種技術(shù)手段，主姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)與光電跟蹤系統(tǒng)位于同一坐標(biāo)系中，并安裝在光電平臺(tái)之上，其系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 姿態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該姿態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)能夠?qū)怆姼櫰脚_(tái)的姿態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸出，并通過(guò)數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)完成姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，以及通過(guò)姿態(tài)融合算法實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)姿態(tài)補(bǔ)償，并能夠動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)單軸傾角模塊。

3.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

信息處理電路的噪聲干擾是民用機(jī)場(chǎng)光電跟蹤系統(tǒng)誤差的重要影響因素之一，在光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取磁屏蔽技術(shù)和電路優(yōu)化技術(shù)降低外部干擾導(dǎo)致的誤差。

3.3.1 磁屏蔽技術(shù)

交流伺服電機(jī)與直流電機(jī)所產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)雖然在頻譜分布上存在差異，但卻能通過(guò)空間電磁輻射對(duì)信息處理電路產(chǎn)生影響，所以，針對(duì)驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)采取磁屏蔽技術(shù)控制磁通量，如增加電纜隔離層、驅(qū)動(dòng)電機(jī)表面覆膜等。需要注意的是，由于光電跟蹤系統(tǒng)連續(xù)工作周期較長(zhǎng)，從系統(tǒng)散熱等方面考慮，建議對(duì)干擾信號(hào)頻譜進(jìn)行分析，選擇小于其最高頻干擾信號(hào)波長(zhǎng)的孔徑作為網(wǎng)狀覆膜的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抑制磁通量的效果。

3.3.2 電路優(yōu)化技術(shù)

信息處理電路對(duì)干擾較為敏感，在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)做到以下兩點(diǎn)。①保證良好的接地設(shè)計(jì)，區(qū)分?jǐn)?shù)字地、模擬地，并對(duì)高功、低功接地之間設(shè)置有效隔離措施；②對(duì)電路中不同信號(hào)類型的相互干擾設(shè)計(jì)，小信號(hào)敷銅走線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離干擾源，并且對(duì)于高功信號(hào)來(lái)說(shuō)，不僅要增加其走線寬度，還需要采取多層網(wǎng)狀覆板的設(shè)計(jì)，使其能夠達(dá)到抵消磁通量的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

光電跟蹤系統(tǒng)是保證民用機(jī)場(chǎng)航班起降安全的重要設(shè)備之一，通過(guò)對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)誤差分析，以及從多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠顯著提升光電跟蹤系統(tǒng)精度，使其滿足差異化目標(biāo)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)高精度跟蹤的要求。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，光電跟蹤系統(tǒng)將朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，集成化的姿態(tài)檢測(cè)、解算單元與電路設(shè)計(jì)也將使民用機(jī)場(chǎng)航班管理安全水平得到進(jìn)一步改善。