民用机场光电跟踪系统误差分析与优化建议

沈潇

上海东湖机械厂，上海，200439

0 引言

在现代电子信息技术快速发展的过程中，民用机场航班起降及空中状态监测已经不再局限于雷达等设备，以光电跟踪系统为代表的智能光学跟踪设备能够更好地解决目标动态稳定跟踪的问题。虽然，民用机场光电跟踪系统稳定性较高，但是，由于安装基准、平台轴向一致性等问题导致的误差偏离对航班安全造成了一定的影响，因此，围绕机场光电跟踪系统的误差优化就显得极其重要，这也是完善民用机场安全管理系统的必然要求。

1 光电跟踪系统简述

区别于传统意义上的雷达系统，光电跟踪系统是基于可见光、红外等对目标进行实时跟踪定位，并通过目标解算软件获取目标距离、高度、航向等数据后发送至机场综合管理平台[1]。光电跟踪系统功能的实现需要稳定的基准单元和准确的姿态数据，以及机场导航雷达为其提供目标初始方位，从而保证光电跟踪系统精度。如图1所示，光电跟踪系统包括光电跟踪单元、稳定单元、计算单元、供电单元、通信单元五个部分，并关联雷达系统与综合管理平台。

图1 光电跟踪系统组成原理图

光电跟踪单元主要由红外跟踪器、视频跟踪器组成，是光电跟踪系统的核心硬件，主要负责目标图像信息的动态采集与跟踪；稳定单元可根据实时计算结果完成光电跟踪平台在多个方向上的位置、角度调整；计算单元负责通信单元所有数据的搜集、存储和处理工作；供电电源能够为光电跟踪系统提供包括直流、交流在内的多种供电信号，并依托DC/AC模块具备交直流转换的功能；通信单元不仅为系统内各单元通信提供保障，且能够与雷达系统、综合管理平台进行关联数据通信，实现系统反馈调节。

2 民用机场光电跟踪系统误差分析

光电跟踪系统承担着机场对包括航班在内空间目标监测的重要任务，其精度将直接影响机场安全，因此，民用机场光电跟踪系统的误差分析对于提升航班安全性就显得极其重要。根据光电跟踪系统设计原理可以发现，其误差产生的原因主要包括以下几点。

2.1 机械安装误差

机械误差是动态跟踪系统普遍存在的一种误差类型，处机械部件本身设计、加工过程中预留公差外，在光电跟踪系统安装过程中未能严格遵守多向水平调节所导致的倾角、垂度等误差也将对跟踪计算结果产生影响[2]。所以，机械安装误差属于人为误差的范畴，在实际安装过程中可以避免。

2.2 基准漂移误差

在光电跟踪系统的长期使用过程中主要存在两种基准漂移误差，针对误差类型的不同，其误差计算方式也存在些许区别。

2.2.1 安装基准漂移误差

由于机械磨损、地面沉降等原因，安装台面在姿态角、高度等参数方面将发生细微变化，且该误差也将随着时间的延长而持续增大，并最终体现为垂直轴的偏角误差，计算公式如下：

根据光学跟踪系统实际工作过程中垂直抽偏角误差数据可以看出，与的数据符合正态分布，即：

假设以误差积累周期为单位，基于垂直轴偏角误差数据的安装基准漂移误差将不断增加，最终误差计算结果如下：

2.2.2 组合测量单元漂移误差

为提升跟踪精度，在光电跟踪系统设计时除依靠主姿态测量模块外，还在x、y、z三个轴上增加了倾角测量模块，形成了组合测量单元，从而在主姿态测量系统离线的情况下可以持续工作一段时间[3]。通过对组合测量单元漂移误差进行统计发现，主姿态测量模块的漂移误差积累曲线增长速度要明显小于单轴倾角测量模块，如图2所示。

图2 组合测量单元漂移误差曲线示意图

受惯性导航系统的舒拉周期振荡以及元器件自身误差漂移的影响，主姿态测量误差累积曲线与单轴倾角测量误差累积曲线所表现出明显的周期性，且累积误差不断增加[4]。由于主姿态测量系统单元精度高、稳定性好，因此，其累积误差增长速度较慢，而单轴倾角测量系统的发散性明显偏大。

光电系统在对目标进行动态跟踪时将发生不同程度轴向偏离，如图3所示，为保证目标参数计算的准确度，则需要依托倾角测量单元对不同方向上的偏离角进行计算，X轴向误差偏离公式如下：

图3 主轴偏离坐标系分解示意图

因此，单轴偏离误差周期累积公式如下：

主姿态测量系统的捷联度较高，这使得其周期补偿效果要明显优于单轴倾角测量模块，因此，这也在一定程度上解释了主姿态测量系统误差累积曲线增长较慢的原因。

2.3 系统干扰噪声误差

在对机场光电跟踪系统工作状态进行检测时发现，当伺服电机工作时，信息处理电路中将叠加大量的白噪声，从而导致噪声对后期目标参数计算产生影响，而光电跟踪系统的这一误差也被称为干扰噪声误差。

如图4所示，在伺服电机启动时，信息处理电路中所叠加的干扰信号将呈现出明显的交变特征，由于目标跟踪过程中信息处理电路的整体功率增加，干扰噪声叠加后的信号处理难度显著增大。

图4 光电跟踪系统信息处理电路输入端干扰

3 民用机场光电跟踪系统优化建议

在民用航空运输行业快速发展的过程中，民用机场航班管理工作压力增大，作为航班管理信息来源的光电跟踪系统所提供的信息精度将直接关系到航班和机场安全。因此，根据对民用机场光电跟踪系统误差分析结果，可提出以下几个优化建议。

3.1 控制安装基准误差

为减少因安装导致的光电跟踪系统基准误差，应当在光电跟踪系统安装之前应采取交叉水平测方法，将基准误差精度控制在2″以内。同时，针对长期使用过程中因地质沉降等原因导致的光电跟踪系统基准变化情况，应当为其增加基座高度调节装置，且高度调节线性度≤0.5%。

安装基准误差的减小，将有利于控制垂度偏离所导致的高度误差，尤其是在目标距离较远的情况下，精度控制效果将更加明显。

3.2 捷联姿态补偿设计

民用机场光电跟踪系统需要保持较高的基准精度，而自有单轴倾角检测模块自身精度低，且上时间工作后的累积误差也将明显增加，为解决这一问题，则需要在现有系统基础上，将主姿态检测系统与单轴倾角检测模块进行捷联，以实现精度校准和动态补偿功能。

3.2.1 精度校准

通过对民用机场光电跟踪系统单轴角测量数据与主姿态检测系统数据之间误差超过15′时，该系统对目标跟踪的稳定度将下降10%，且距离（L）、速度（V）、高度（H）等测量误差也将随之等比例增加[5]。而精度校准则是由主姿态检测系统在光电跟踪系统归零时，应通过主轴偏离坐标系对单轴倾角检测模块进行校准，保证校准后单轴偏离误差控制在以1′内，为提升光电跟踪系统对远距离目标跟踪精度，Z轴校准误差偏离应控制在30″以内。

3.2.2 姿态补偿

姿态补偿是高精度导航系统普遍使用的一种技术手段，主姿态检测系统与光电跟踪系统位于同一坐标系中，并安装在光电平台之上，其系统组成如图5所示。

图5 姿态补偿系统设计框图

该姿态补偿系统能够对光电跟踪平台的姿态变化进行动态数据输出，并通过数据综合管理平台完成姿态数据对比分析，以及通过姿态融合算法实现机场光电跟踪系统姿态补偿，并能够动态校准单轴倾角模块。

3.3 系统抗干扰设计

信息处理电路的噪声干扰是民用机场光电跟踪系统误差的重要影响因素之一，在光电跟踪系统设计中，应采取磁屏蔽技术和电路优化技术降低外部干扰导致的误差。

3.3.1 磁屏蔽技术

交流伺服电机与直流电机所产生的干扰磁场虽然在频谱分布上存在差异，但却能通过空间电磁辐射对信息处理电路产生影响，所以，针对驱动单元应采取磁屏蔽技术控制磁通量，如增加电缆隔离层、驱动电机表面覆膜等。需要注意的是，由于光电跟踪系统连续工作周期较长，从系统散热等方面考虑，建议对干扰信号频谱进行分析，选择小于其最高频干扰信号波长的孔径作为网状覆膜的参数，实现抑制磁通量的效果。

3.3.2 电路优化技术

信息处理电路对干扰较为敏感，在电路设计中，应做到以下两点。①保证良好的接地设计，区分数字地、模拟地，并对高功、低功接地之间设置有效隔离措施；②对电路中不同信号类型的相互干扰设计，小信号敷铜走线应尽量远离干扰源，并且对于高功信号来说，不仅要增加其走线宽度，还需要采取多层网状覆板的设计，使其能够达到抵消磁通量的效果。

4 结语

光电跟踪系统是保证民用机场航班起降安全的重要设备之一，通过对光电跟踪系统误差分析，以及从多个方面对其进行优化设计，能够显著提升光电跟踪系统精度，使其满足差异化目标动态实时高精度跟踪的要求。随着电子信息技术的发展，光电跟踪系统将朝着小型化、智能化的方向发展，集成化的姿态检测、解算单元与电路设计也将使民用机场航班管理安全水平得到进一步改善。