混联自稳跟踪平台跟踪误差建模与补偿∗

2020-05-25陈立坡

舰船电子工程 2020年2期

陈立坡

（92785部队秦皇岛 066200）

1 引言

自稳跟踪平台能够消除外界不确定因素带来的横摇、纵摇的影响，保证平台上的电视跟踪仪等设备精准的对准目标。当目标运动时，通过解算，实时计算出自稳跟踪平台跟踪角度，确保搭载设备的跟踪精度。因此，自稳跟踪平台可放置于舰船、汽车等移动的载体，实现对空中、海上及陆地上目标的稳定跟踪。

目前，自稳跟踪平台在军事领域和民用方面得到了广泛的应用，跟踪方式多种多样。为了解决跟踪移动目标准确性和实时性的问题，李鹏［1］提出了基于两维度电视跟踪的控制系统，具有良好的抗外界因素干扰的能力；韩立强等［2］提出了一种基于ATP技术的新型混合自适应的控制算法，能够缩短系统的调整时间，大幅度提高跟踪精度；夏侯凯顺等［3］设计了一套基于双目云台相机的目标跟踪系统，在Matlab/Simulink 环境下模拟仿真，证实了方案的有效性，并且具备较高响应特性；董小萌，张平［4］阐述了极坐标结构捷联式视觉导引平台系统，具有良好的大离轴角跟踪能力；伴随着GPS全球定位系统精度的进一步提高，具有使用环境的优势，越来越多的领域和行业在使用GPS 技术来实现目标的稳定跟踪［5］。自动控制领域，在建立整个系统的数学模型的基础上，利用相关理论推导出误差数学模型［6～18］，可为系统精度提高提供可靠的理论支撑。利用误差数学模型实时解算出瞬时误差，并对系统的输入进行修正补偿［19～20］，通过前后对比，误差有了大幅度降低。

2 自稳跟踪平台和GPS 自主引导方式简介

2.1 自稳跟踪平台

自稳跟踪平台结构上分为两层，下层为自稳平台，主要是用来消除舰船摇摆所带来的影响，采用并联式3UPS结构，具有三个自由度；上层为跟踪平台，主要通过接收跟踪目标GPS 信息，实现准确对准目标的能力，采用串联式PU结构，具有两个自由度。

图1 自稳跟踪平台样机

2.2 GPS自主引导方式

在跟踪平台上固连一套测姿测向系统，可以直接获得该装备的经纬度值及跟踪平台“零点”与真北之间的夹角，利用无线或者有线网络将目标位置信息传输到控制系统，通过数据解算，得出跟踪平台需转动的角度，然后由控制系统精准的控制转动，达到稳定跟踪目标的目的。依据跟踪方式，推导数学模型:

其中ξ为跟踪转台方位瞬时转角。

3 GPS自主引导误差模型与精度补偿

3.1 误差模型的建立

根据上面推导的跟踪数学模型，对式进行全微分可得:

可简化为

依据式（1）中的坐标变换，对坐标点Bi(i=1，2)进行全微分运算:

由于运动目标和跟踪转台的位置信息采用同一型号的GPS设备测得，因此有:

可得跟踪误差数学模型:

其中:δξ为跟踪转台精度，δφ为测姿测向系统精度。

3.2 GPS自主引导精度补偿

式（15）为自主引导系统的跟踪误差数学模型，在实际使用过程中，要求δα的数值越小越好，因此需要跟踪转台对跟踪误差数学模型进行补偿。

令δα=0，则得:

变换后有:

式（17）为推导的跟踪误差补偿数学模型，δζ为跟踪平台名义补偿量。

4 算法应用实例

为了验证跟踪误差补偿数学模型的准确性，是自稳跟踪平台具有更高的定位精度，对跟踪系统进行了精度补偿实验。基本思想是:根据跟踪误差数学模型计算出跟踪平台理想跟踪误差，然后将误差与理想跟踪方位转角相加得到实际转角。

实验一:自稳跟踪平台的坐标信息（39.922978，119.511807，28.63），跟踪目标沿直线运动从M 点（39.853，119.541829，25.67）运动到N点（39.997976，119.711177，28.65）；实验二:自稳跟踪平台的坐标信息（39.922978，119.511807，28.63），跟踪目标沿直线运动从M 点（39.803，119.483423，23.56）运动到 N 点（40.047976，119.769583，26.78），并将误差修正前和修正后进行比较。两次实验结果数据分析可得，通过建立跟踪误差补偿数学模型，可以大幅度提高混联自稳跟踪平台的跟踪精度，分别降低了28.3%～36.8%和23.7%～40.3%，能够保证跟踪平台搭载的设备更精准的对准目标。