基于导航系统的光电吊舱补漂方法

张兰兰，郭新胜，寿少峻，赵创社，韩 伟，刘 虎

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

光电吊舱的稳定控制是一种闭环控制回路，惯性元件是控制回路中的反馈器件，其精度直接决定了最终的稳定效果。在光电吊舱中，通常使用陀螺来测量稳定平台的角速度，并通过执行机构使光电吊舱处于稳定状态[1-2]。考虑到陀螺本身的测量和误差特性，在吊舱实际稳定过程中，需要适时测量陀螺的误差才能保证光电吊舱的瞄准线不漂移。陀螺在静止时的输出值，首先有陀螺漂移、游走和噪声等误差；其次还有敏感到的地球自转分量[3-4]。常用的补偿方式是在载体静止时直接测量陀螺输出值，并以该值作为陀螺的漂移误差。这种方式从数学模型上分析，可以看出是将陀螺漂移和地球自转分量统一在一起了。当光电吊舱进入稳定状态时可以有效补偿陀螺误差，使光电吊舱稳定。但是一旦载体移动，尤其是转动后，就必须重新测量才能再一次使吊舱稳定[5-6]。

本文设计了一种基于载体导航系统的光电吊舱补漂方法，原理如图1所示。该方法的思路是，在载体静止时分析陀螺输出值，包含陀螺本身的器件误差和地球自转在吊舱平台上的分量。通过获取载体导航设备提供的姿态信息和吊舱的各种框架旋转角度，将地球自转从惯性系分解到平台系，最终将陀螺本身的误差和地球自转分量分离，并用相应的补漂算法重新稳定平台，使光电吊舱在经过一次测漂后，不需要因载体运动或转动而重新测漂。

图1 基于导航系统的补漂方法Fig.1 Compensation drift method based on navigation system

1 光电吊舱稳定的数学模型

常规光电吊舱稳定控制是通过光电吊舱框架结构的旋转，补偿载体运动时的角运动，使光电吊舱的有效载荷在某一个空间中保持稳定[7-8]。即无论载体如何运动，光电吊舱的瞄准线都应该保持稳定。光电吊舱稳瞄系统的工作原理是通过其内部的惯性敏感组件，测量光电系统的角运动数据，并通过执行机构施以反向运动实现稳定控制。

在数学建模前，需要明确光电吊舱系统设计中的常用坐标系。定义i为惯性系，惯性系是惯性空间的坐标系；e为地球系，地球系与地球固联，在惯性空间中以地球自转速度转动；t为地理系，地理系是载体在地球表面的坐标系；b为载体系，载体系与载体固联；p为平台系，平台系与光电吊舱的有效载荷固联，在载体系空间中通过框架转动[9-10]。

1.1 稳定的数学模型

稳定控制的基本原理是使载体的有效载荷保持地理系静止。由欧拉变换公式可知：

式中：W表示角速度向量；Wtp表示p系相对于t系的角速度。（1）式表示平台相对于地理系保持静止。

由于陀螺测量的是平台在惯性空间坐标系中的角速度，故实际的稳定控制表达式为

其中，

即：

式中：Wtb表示载体相对于地理系的角速度，由载体运动产生；Wbp表示光电吊舱平台相对于载体的运动，由光电吊舱的旋转机构产生；Wip表示平台在惯性空间中的运动，可由陀螺测量得到；Wit表示载体所在位置在惯性空间中的运动；Wie表示地球自转角速度，为常量；Wet表示地理系在地球系中的角速度，和载体的运动相关。

（4）式表示一般情况下不同坐标系的角速度关系。由于向量在不同坐标系的投影不同，需定义每个向量所在的坐标系。定义（4）式的坐标系为平台系（p），则有：

式中，各变量的上标“p”表示该向量的各个值是在平台系的投影值。

2 常规补漂方法及缺陷

3 基于导航系统的补漂方法

4 试验对比分析

将常规补漂和基于导航系统的补漂两种方法分别应用于同一种两轴两框架光电吊舱稳瞄系统上，对补漂后的效果进行试验对比。惯性导航系统各参数如表1所示，试验过程框图如图2所示。用常规方法测漂，随后将光电吊舱绕天向轴转180°，使其激发测漂误差，保持稳定控制10 min，得到常规测漂补漂的结果。同理，用相同的流程执行基于导航的测漂补漂试验，得到基于导航系统的测漂补漂结果，2 种补漂结果对比如图3所示。常规方式和基于导航系统方式的试验数据对比结果如表2所示。实验结果截图如图4 和图5所示。

图4 常规方式的结果截图Fig.4 Screenshot of results by traditional way

图5 基于导航方式的结果截图Fig.5 Screenshot of results based on navigation way

表2 试验结果数据对比Table 2 Comparison of test results data

图3 试验结果对比Fig.3 Comparison of test results

表1 试验参数Table 1 Test parameters

图2 试验框图Fig.2 Block diagram of test

由以上对比试验可以看出，采用基于导航的测漂方法有效地分离了惯性器件误差和地球自转分量，因此瞄准线的漂移非常小。采用常规测漂方法稳定控制10 min 后，俯仰角误差为1.80°，航向角误差为0.77°；而采用基于导航系统的测漂补漂方式，稳定控制10 min 后，俯仰角误差为0.04°，航向角误差为0.04°，瞄准线稳定性明显得到提高。

5 结论

本文提出一种利用导航系统参数，在光电吊舱稳定平台测漂阶段分离惯性器件误差和地球自转分量的方法。基于此方法，优化了光电吊舱稳定平台的补漂算法。这种测漂补漂方法在载体高动态情况下，可有效消除地球自转分量在光电吊舱稳定平台上的变化导致的瞄准线漂移。该方法可以有效补偿陀螺漂移，并且在补漂过程中只需一次测漂，大大减少了测漂频率，在光电吊舱实际使用中具有很好的工程应用价值。