缩短舰载光电跟踪仪调舷时间的研究
2015-01-17宋晓明刘小强寿少峻柳井莉
宋晓明，刘小强，寿少峻，柳井莉
（西安应用光学研究所 陕西 西安 710065）
舰载光电跟踪仪作为对敌目标的一种探测设备，以其探测目标时跟踪精度高、抗干扰能力强和作战时可直接获得目标的图像等特点，在现役各种武器系统中大量装备，在现代国防中受到越来越多的重视[1]。光电跟踪仪调舷时间的缩短意味着武器系统反应时间的减小，给后续火控、武器攻击争取了先发的时间，相应提升了我方装备、人员的战场生存能力[2]。
1 研究课题提出
1.1 调舷简介
光电跟踪仪接收到以大地球坐标系表示的目标方位指示数据Bc及距离指示数据Rc后，根据光电跟踪仪当前在大地球坐标系中所处的角位置B0，方位伺服系统自动以最快的时间从任意的当前位置B0用最佳运动方式靠向Bc位置，同时仰角伺服系统也从任意的当前位置E0快速运动到所需定位的位置Ec，完成调舷，以便对目标进行空域搜索、捕获与跟踪。
对动态系统来说，一个重要的指标就是完成给定任务所需的时间，特别对于光电跟踪仪这种跟踪系统来说，快速反应是它们的致命点，而大角度调舷时间占武器反应时间的一大部分，因此，如何快速调舷在工程上是个很有意义的课题[3]。
1.2 常用调舷速度曲线
目前常用的调舷速度曲线主要有以下3种：
1）直线型加减速速度曲线。此种加减速控制方法加减速过程快速，计算简单，节省资源[4]。
2）指数型加减速速度曲线。此种方法符合系统固有频率，加减速过程快速而平稳适用于控制系统处理速度快且对加减速过程要求高的场合[5]。
3）S型加减速曲线。其运动过程依次为加加速运动阶段，加速运动阶段，减加速运动阶段，匀速运动阶段，加减速运动阶段，加减速运动阶段，减速运动阶段，减减速运动阶段。主要适用于对加减速平稳性要求较高的场合[6]。
1.3 调舷速度曲线的选取
某舰载光电系统在初样机设计中，采用的加减速曲线为：直线升速，指数曲线减速。在实验中，我们发现，指数曲线减速收敛比较慢，调舷耗时较长，且计算量偏大，占用资源较大。
由于该光电系统跟踪的目标为快速目标，对速度要求较高，并且控制计算机任务繁重，要求调舷占用尽量少的资源，因此，在改进中采用了直线型加减速曲线进行调舷。
一般情况下最佳快速调舷的速度曲线由最大加速度、最大恒速保持段和最大减速段三部分组成，呈等腰梯形。当调舷行程比较短时，没有最大恒速保持段，因而呈等腰三角形。最佳快速调舷速度曲线采用等腰梯形模型，但实际编程时最好采用非等腰梯形模型，即速度上升段的加速度取得大一些，而速度下降段的加速度则取得小一些。这样做主要是考虑到若速度下降段的加速度取得过大，容易使角度位置冲过头，而不利于最终的位置锁定。
2 实验验证
为验证调舷改进设计的可行性，本研究以某型光电系统为硬件平台，采用了直线型加减速曲线与现有的指数型加减速曲线对比，以调舷期望性能参数为指标规划了调舷运动过程，最后在某型光电系统硬件平台上进行调舷操作，并录取数据，与现有系统调舷数据进行对比并对之进行评估。
2.1 调舷方式规划及指标
通过某型光电系统平台核算，其调舷可按如下方式及性能进行规划：
1）方位机构
方位机构调舷时采用“不等腰梯形”模型进行调舷。
方位大角度调舷期望模型如下图所示，方位最大调舷速度≥250°/s；速度上升段最大调舷加速度≥900°/s2，速度下降段最大调舷加速度≥700°/s2；
图1 方位调舷速度理论上曲线模型（0°－90°）Fig.1 Azimuth Adjust side speed curve model on theory（0°－90°）
90°典型调舷速度曲线为一不等腰三角形，过程分为两部分，加速段，减速段。可计算出：
加速段时间：t1=0.295 8 s；加速段行程：S1=39.38°。
减速段时间：t2=0.380 3 s；减速段行程：S2=50.62°。
0°—90°方位调舷时间为 t=t1+t2+0.676 s。
2）俯仰机构
俯仰机构调舷时采用“等腰梯形”模型进行。
俯仰大角度调舷期望模型如图2所示，俯仰最大调舷速度≥200°/s；俯仰最大调舷加速度≥500°/s2；
图2 俯仰调舷速度曲线模型（0°-85°）Fig.2 Elevation Adjust side speed curve model on theory（0°-85°）
85°典型调舷速度曲线为一等腰梯形，过程分为3部分，加速段，减速段，恒速段。可计算出：
加速段时间：t1=0.4；加速段行程：S1=40°。
恒速段时间：t2=0.025 s；恒速段行程：S2=5°。
减速段时间：t3=0.4 s；减速段行程：S3=40°。
0°—85°俯仰调舷时间为 t=t1+t2+t3+0.825 s。
2.2 实验结果
经台架测试，并通过操控系统记录典型调转过程的速度、位置数据，测试结果与改进前光电平台调舷性能对比。
1）方位 90°调舷
现有系统以加速段以700°/s2加速度加速，减速段使用指数曲线收敛，最后闭位置环。位置曲线和速度曲线见下图。
图3 现有系统方位90°调舷位置曲线Fig.3 Azimuth90°Adjust side position curve
图4 现有系统方位90°调舷速度曲线Fig.4 Azimuth90°Adjust side speed curve
改进后系统以加速段以900°/s2加速度加速，减速段以700°/s2加速度减速，最后闭位置环。位置曲线和速度曲线见下图。
图5 改进后系统方位90°调舷位置曲线Fig.5 Improved azimuth90°adjust side position curve
图6 改进后系统方位90°调舷速度曲线Fig.6 Improved azimuth 90°djust side speed curve
2）俯仰 85°调舷
现有系统以加速段以336°/s2加速度加速，减速段使用指数曲线收敛，最后闭位置环。位置曲线和速度曲线见下图。
图7 现有系统俯仰85°调舷位置曲线Fig.7 Elevation85°Adjust side position curve
图8 现有系统俯仰85°调舷速度曲线Fig.8 Elevation85°Adjust side speed curve
改进后系统以加速段以500°/s2加速度加速，减速段以500°/s2加速度减速，最后闭位置环。位置曲线和速度曲线见下图。
图9 改进后系统俯仰85°调舷位置曲线Fig.9 Improved Elevation85°Adjust side position curve
图10 改进后系统俯仰85°调舷速度曲线Fig.10 Improved Elevation85°Adjust side speed curve
通过上述曲线，系统改进前后速度、加速度和调舷时间等参数对比如下表。
表1 系统改进前后参数对照表Tab.1 Pre-and post-parameter system improvements table
3 结束语
实验证明，对比了目前系统的调舷性能和调舷改进后通过专题试验测试的性能，从表1可以看出，改进设计可行，且改进后大大缩短了调舷时间，改进后方位90°典型调舷时间由原系统的1.08 s缩短到0.66 s，俯仰85°典型调舷时间由原系统的3.04 s缩短到0.76 s。由此可见选择合理的调舷曲线，在保证调舷精度的前提下，可以有效缩短调舷时间。
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