新型光电实时水平基准测量系统

王晓明，王 涛

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引言

一直以来，天文导航系统的导航精度都受到提供水平基准测量数据的惯性系统实时测量精度的限制。目前，国外最先进的惯性系统对水平基准实时测量的最高精度相比国内相关系统的测量精度提高了接近一倍，实时测量精度可达到10 角秒（均方根值）。天文导航系统要解决水平基准的自主测量问题才能够实现自主定位定向，发展全新的自主水平基准实时测量技术成为当前天文导航技术研究的热点之一[1~5]。光电实时水平基准测量系统是新近发展的解决水平基准自主实时测量的新技术。

1 系统测量原理

光电实时水平基准测量系统的工作原理： 以低精度的惯性导航水平姿态信息作为系统测量的基础支撑信息，以测量点当地大地地理水平参考面作为水平测量的参考基准，利用与惯导地平坐标系保持相对稳定的二维复示平台作为过渡基准对惯导数据进行跟踪测量，以基于自准直—液浮平面反射镜测量模型来精密测量惯性同步复示平台的水平基准偏差，通过对两级精密测量数据进行实时耦合，实现动载体被测面相对绝对大地水平参考基准的实时测量。目前该方法仅仅适于应用在地面设备的情况。

2 系统组成

光电实时水平基准测量系统的组成如图1 所示，主要由机下显控子系统、机上电控与数据采集子系统和机上跟踪测量子系统三部分组成。机下显控子系统接收惯导系统提供的水平姿态角度信息并传输给机上电控系统，机上电控系统完成对机上跟踪测量子系统的实时测量信息接收、处理、记录并对外实时输出水平基准姿态角度测量信息。

图1 光电实时水平基准测量系统组成示意图Fig.1 Consisting of optical real-time horizontal reference measurement system

机上跟踪测量子系统由惯性同步复示平台和平台水平偏差检测工具两部分组成，这两部分构成系统的两级测量端实现水平基准测量。惯性同步复示平台的机械结构由纵摇轴系和横摇轴系两个精密轴系组成，纵摇基座和横摇转轴固联在一起共同形成系统的纵摇轴线和横摇轴线，纵摇轴和横摇轴上分别安装力矩电机和轴角编码器，实现角度测量、跟踪驱动和位置反馈等功能。惯性同步复示平台的伺服跟踪模块作为一个位置随动系统采用位置闭环和速度闭环的双闭环的串级控制结构来对粗略惯导的水平姿态进行跟踪并实现系统的一级精密测量。惯性同步复示平台分系统三维模型图如图2 所示[6~12]。

平台水平偏差检测工具的分析设计是研究的重点内容，液浮平面反射镜的稳定性设计是保证系统总体测量精度是否满足要求的关键技术。水平偏差检测分系统光机结构主要由自准直平行光管、液浮平面反射镜组件等部分组成，如图3 所示。自准直平行光管作为平台水平偏差的检测工具，通过与液浮平面反射镜准直测量得到惯性同步复示平台与绝对大地水平面的精密角度误差。平台水平偏差检测工具通过对光电自准直平行光管的面阵CCD 采集到的星点反射图像进行偏差量提取，实时检测复示平台相对于绝对大地水平基准的二维角度偏差量，实现系统的第二级精密测量。

图2 惯性同步复示平台三维结构图Fig.2 Consisting of inertial synchronized platform

图3 水平偏差检测工具三维结构图Fig.3 Consisting of horizontal deviation detection tool

3 测量精度估算

依据推导出的光电水平基准测量系统的测量方程，并对上述方程应用全微分法给出系统误差传递公式，详细分析惯性同步复示平台和水平偏差检测工具两部分的测角误差对系统总体精度的影响并估算测量系统的总体测量精度[6~12]。光电测量系统的测量原理如图4 所示。

光电测量系统输出的载体横摇角度α 和纵摇角度β 是通过水平偏差检测工具上安装的光电传感器像面坐标系中的偏差量p1和p2以及分别安装在横摇轴和纵摇轴上的角位移编码器的测量值θx和θy进行耦合计算而得。即光电水平基准测量系统的测量方程为：

图4 系统测量原理图Fig.4 Schematic of the measurement system

根据误差独立作用原理，对各测量求偏导数，根据误差合成定律推出系统误差的传递公式为：

式（3）、式（4）即为光电水平基准测量系统误差的传递公式。经计算惯性同步复示平台的动态测角误差为：

横摇轴动态测角误差： σθx=1.9″

纵摇轴动态测角误差： σθy=1.5″

系统设计的液浮平面反射镜对不同海况的适应能力较强。针对不同海况条件下（四级海况、五级海况、六级海况）进行分析发现：其横摇、纵摇扰动角度振幅均十分接近且小于0.8″，考虑数值分析时的一些简化处理对测量结果有影响，计算反射镜的随机晃动误差时乘以扩大系数。即液浮平面反射镜的随机晃动误差σθmx=1.6″，σθmy=1.6″。

自准直平行光管偏差量提取误差受像元分辨率误差、空间量化误差、信号处理误差、视轴调整误差和目标运动引起的误差等因素影响，经计算：

σD=（σJ2+σY2）1/2=1.5″，由上述分析得：

计算得到系统的总体测量精度结果，两个角度方向上的测量误差均不大于3.5″。

4 结论

在详细分析光电实时水平基准测量系统的用途、技术指标、工作环境的基础上，提出了二维伺服跟踪转台与自准直——液浮平面反射镜耦合测量的技术方案；阐述了光电实时水平基准测量系统的工作原理、工作方式、工作流程及各部分的组成原理。光电实时水平基准测量系统的应用范围不仅仅局限在船载测量设备的水平基准测量上，还可以扩展到车载测量设备、机载测量设备和球载测量设备上面，故本文测量模型分析中用到的相关问题处理方法是否适用于其它应用环境需要进一步验证。光电实时水平基准测量方法为实现光电自主定位定向提供了理论上的可能性。

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