數(shù)字化光電經(jīng)緯儀伺服控制技術(shù)第一章光電經(jīng)緯儀光電經(jīng)緯儀在現(xiàn)代化靶場(chǎng)中是獲取外彈道數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的最基本的測(cè)量手段之。其正隨著靶場(chǎng)的發(fā)展而發(fā)展。一九二六年，戈達(dá)德夫人在用錫尼柯達(dá)電影攝影機(jī)對(duì)其丈夫羅伯特戈達(dá)德博士所進(jìn)行的液體火箭研制過程做攝影記錄時(shí)，她并不知道她自己的行為已開創(chuàng)了靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的先例。而德國(guó)的馮布勞恩等人在一九三七年用阿斯卡尼亞經(jīng)緯儀加上16毫米相機(jī)，測(cè)下V2導(dǎo)彈飛行軌道，使人們對(duì)彈道有了數(shù)值的結(jié)果。一九四O年，第一臺(tái)電影經(jīng)緯儀正式裝備靶場(chǎng)，寫下了靶場(chǎng)光測(cè)與彈道測(cè)量史的第一章。DESCRIPTIONTHECINETHEODOLITETRACKINGSYSTEMSWEREBUILTINTHE1950SAND1960STOMEETPRECISIONLAUNCHANDTRACKINGREQUIREMENTSATRANGESTHROUGHOUTTHEWORLDMANYOFTHESYSTEMSARESTILLINDAILYUSE,PROVIDINGACCURATEDATATORANGEOPERATIONSBRASHEARLPREGULARLYREFURBISHESANDUPGRADESTHECINETHEODOLITESFORCUSTOMERSWHODESIRETOCONTINUEUSINGTHEMEQUIPMENTCINETHEODOLITETRACKINGSYSTEMEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTDESCRIPTIONTHEKINETOTRACKINGMOUNTISTHECURRENTWORKHORSEONTHERANGESTHEKTMHASAHIGHPAYLOADUPTO1200POUNDS,ANDCANTRACKFASTMOVINGOBJECTSVERYPRECISELYINEITHERAMANNEDORUNMANNEDCONFIGURATIONTHEUNMANNEDVERSIONOFTHEKTMISSHOWN,WITHSIXDIFFERENTSENSORPACKAGESMOUNTED,TWOONTHECENTERPLATFORMTHATREPLACESTHEOPERATORSPOSITIONDESCRIPTIONAKINETOTRACKINGMOUNTKTMATCOMPLETIONOFFACTORYACCEPTANCETESTATBRASHEARLPSPITTSBURGHFACILITYTHISKTMWASDELIVEREDTOWHITESANDSMISSILERANGEWSMRASPARTOFTHECURRENTREQUIREMENTSCONTRACTBETWEENWSMRANDBRASHEARLPTHISCONTRACTALLOWSGOVERNMENTAGENCIESTOTRANSFERMONEYTOWSMRTOPURCHASEKTMSWITHOUTTHEEXTENDEDPROCESSOFANORMALPROCUREMENTBRASHEARLPSSTANDARDRANGESRSERIESLENSESAREALSOAVAILABLETHROUGHAWSMRREQUIREMENTSCONTRACTEQUIPMENTSR50RANGELENSWITH50INCHFOCALLENGTHDESCRIPTIONBRASHEARLPPRODUCESHIGHPERFORMANCELENSESFORTESTRANGEINSTRUMENTATIONINFOCALLENGTHSFROM50INCHESTO200INCHESTHESELENSESAREEXTREMELYRUGGEDANDMAINTAINTHEIRHIGHLEVELOFOPTICALPERFORMANCEEVENINTHEHARSHESTENVIRONMENTSTHESRLENSESMAYBEUSEDWITHFILMUPTO70MMORVIDEOCAMERASANDAREWIDELYUSEDONUSANDINTERNATIONALTESTRANGESEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTDESCRIPTIONAKTMISPREPAREDTOSUPPORTADEMANDINGTESTMISSIONDESCRIPTIONAMOBILEKTMATADESERTRANGEWITHTHREEBRASHEARLPSRLENSESEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTEQUIPMENTTACTICALHIGHENERGYLASERTHELBEAMDIRECTORATWHITESANDSMISSILERANGEDESCRIPTIONTHEL/ACTDADVANCEDCONCEPTTECHNOLOGYDEMONSTRATORISAGROUNDBASED,SHORTRANGEAIRDEFENSESYSTEMTHATSBEINGDEVELOPEDBYTRWFORTHEUSARMYANDTHEISRAELMINISTRYOFDEFENCEIMODBRASHEARLPPLAYEDAKEYROLEINTHETHEL/ACTD,PRODUCINGTHEPOINTER/TRACKERSBEAMDIRECTORUNITTHATFOCUSESTHEHIGHENERGYLASERBEAMANDKEEPSITACCURATELYPOINTEDATTHEROCKETUNTILITISDESTROYEDBRASHEARLPACCELERATEDTHEDEVELOPMENTOFTHEBEAMDIRECTORTOMEETTHEDEMANDINGSCHEDULEANDPERFORMANCEREQUIREMENTSOFTHETHEL/ACTDPROGRAMTHEL/ACTDWILLUSEAHIGHENERGYCHEMICALLASERTOPROTECTCIVILIANS,FRIENDLYFORCESANDMILITARYASSETSAGAINSTROCKETATTACKSITWILLBEUSEDTODEMONSTRATETHEEFFECTIVENESSOFUSINGHIGHENERGYLASERSTOINTERCEPTANDDEFEATSHORTRANGETERRORISTTHREATSSUCHASKATYUSHAROCKETSFORFURTHERINFORMATIONSEEHTTP/WWWTRWCOM/THEL/11光電經(jīng)緯儀的工作原理在現(xiàn)代航天靶場(chǎng)中，為了鑒定運(yùn)載工具的飛行彈道及保證飛行的安全，就必須要實(shí)時(shí)的測(cè)定和記錄每一時(shí)刻的各項(xiàng)彈道參數(shù)。通常情況下，這一任務(wù)是由無線電雷達(dá)來完成的。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)彈道測(cè)量精度的要求越來越高，無線電雷達(dá)的測(cè)量精度不能滿足要求。因此，光學(xué)測(cè)量設(shè)備就越來越得到了重視，而光學(xué)測(cè)量設(shè)備中用的最普遍的就是光電經(jīng)緯儀。光電經(jīng)緯儀是用攝影測(cè)量或電視測(cè)量等方法來確定空間物體相對(duì)于地球上某一點(diǎn)位置的光學(xué)儀器。在靶場(chǎng)應(yīng)用中，它都具有一種或多種自動(dòng)、半自動(dòng)跟蹤高速飛行目標(biāo)的性能。光電經(jīng)緯儀除了測(cè)量精度比雷達(dá)高外，它還能記錄空間飛行物體的運(yùn)行姿態(tài)，這給事后的飛行狀態(tài)的分析研究提供了極大的方便。但光電經(jīng)緯儀對(duì)觀察測(cè)量的環(huán)境條件要求比較高，不能象無線電雷達(dá)那樣全天候工作。作用距離也遠(yuǎn)不如無線電雷達(dá)那樣遠(yuǎn)。早期的光電經(jīng)緯儀不能實(shí)時(shí)的輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，只能事后用專用膠片判讀儀判讀出空間目標(biāo)的方位和高低角度。由于不能測(cè)量目標(biāo)的距離，所以單臺(tái)光電經(jīng)緯儀還不能確定空間目標(biāo)的實(shí)際位置，需要兩臺(tái)以上的光電經(jīng)緯儀同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)測(cè)量，然后通過計(jì)算求出目標(biāo)的實(shí)際位置?，F(xiàn)代化的光電經(jīng)緯儀，采用數(shù)字化電子技術(shù)，能直接和數(shù)字電子計(jì)算機(jī)聯(lián)接，不但能實(shí)時(shí)的提供方位、高低角度信息，而且還加裝了大功率的激光測(cè)距機(jī)，能實(shí)時(shí)的提供距離信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，單臺(tái)光電經(jīng)緯儀即可確定目標(biāo)位置。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)中使用的光電經(jīng)緯儀型號(hào)繁多。例如蘇聯(lián)的KT50、瑞士的K400、法國(guó)的KTH500等。國(guó)產(chǎn)的有GW211、160F、179、718A、112、331、778、662、260等。除了早期的產(chǎn)品如150、160等性能有較大差異外，其它各型號(hào)電影經(jīng)緯儀除測(cè)量精度和作用距離外其它性能基本上大同小異。12光電經(jīng)緯儀主要用途我們知道，飛行目標(biāo)一旦確定后，剩下的是要將它的飛行軌跡和飛行狀態(tài)記錄下來。飛行目標(biāo)的外彈道測(cè)量包括兩方面的內(nèi)容首先是飛行的姿態(tài)，如導(dǎo)彈各級(jí)間的分離、各助推器的脫落、翻滾、故障爆炸以及在落區(qū)部重返大氣層所呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象；二是飛行彈道的數(shù)據(jù)；如飛行目標(biāo)的各瞬間位置、速度、斜距、彈道傾角、偏角、射程和彈著點(diǎn)等等。按以上的任務(wù)，光測(cè)設(shè)備也分為幾種類型一種是只記錄飛行姿態(tài)的，如跟蹤望遠(yuǎn)鏡，它的特點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)，攝影頻率高；另一種是測(cè)量數(shù)據(jù)精度高的彈道照像機(jī)；再一種是兼上述兩種作用的光電經(jīng)緯儀。六十年代中期，我國(guó)自己設(shè)計(jì)制造了第一代光學(xué)電影經(jīng)緯儀，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)外彈道光測(cè)設(shè)備的空白。六十年代末，又生產(chǎn)出了第二代電影經(jīng)緯儀，并具備光電軸角編碼器、實(shí)時(shí)輸出等性能，已有了現(xiàn)代電影經(jīng)緯儀的雛形。在七十年代末我國(guó)所裝備靶場(chǎng)的第三代光電經(jīng)緯儀，便具備了激光測(cè)距，電視、紅外跟蹤測(cè)角等功能。而八五年我國(guó)制造的應(yīng)用于靶場(chǎng)的第四代設(shè)備，采用了集成電路和微處理機(jī)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，光電經(jīng)緯儀形成第四代產(chǎn)品，由微處理機(jī)控制，具有變焦距捕獲電視、紅外、電視、程序引導(dǎo)等跟蹤手段，精度高、作用距離遠(yuǎn)。但是，我們也要看到，在我國(guó)靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，國(guó)外的靶場(chǎng)光測(cè)技術(shù)也在不斷地發(fā)展和更新著，使我們?cè)谥T多方面與國(guó)外尚存在著一定的差距。如美國(guó)所裝備靶場(chǎng)的超級(jí)數(shù)字式光學(xué)自動(dòng)跟蹤記錄儀（SUPERRADOT），能探測(cè)和跟蹤斜距為1000多公里的再入目標(biāo)，且測(cè)角精度為1角秒。而地面電光深空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GEODSS）能探測(cè)到40000公里高度上足球大小的目標(biāo)，且測(cè)角精度為10角秒。從國(guó)外的靶場(chǎng)所應(yīng)用的這些先進(jìn)光測(cè)設(shè)備來看，今后的靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向?yàn)橐韵聝蓚€(gè)方面一是先進(jìn)的高性能的光電器件的應(yīng)用。如SUPERRADOT系統(tǒng)采用了ISIT硅靶增強(qiáng)管，而GEODSS系統(tǒng)則采用了光導(dǎo)攝影管。由于大功率固體激光器的不斷發(fā)展，又為發(fā)展更先進(jìn)的激光雷達(dá)打下了基礎(chǔ)。總之，各種紅外和可見光光電探測(cè)器件的研究成功，才導(dǎo)致了一系列新的光電子設(shè)備的產(chǎn)生。目前，紅外跟蹤、熱成像、紅外雷達(dá)、微光電視、CCD、多光譜遙感和各種影像增強(qiáng)技術(shù)在靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備上的應(yīng)用正方興未艾。二是先進(jìn)的圖像、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用。由于七十代后大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為光測(cè)設(shè)備的高自動(dòng)化、智能化提供了基礎(chǔ)。如DEODSS系統(tǒng)把捕獲的信息經(jīng)PDP11/70計(jì)算機(jī)處理，從而識(shí)別、跟蹤所要測(cè)量的目標(biāo)。又如智能實(shí)時(shí)電視跟蹤系統(tǒng)采用高速微處理器，利用人工智能、圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的測(cè)量和精確跟蹤。目前在跟蹤伺服系統(tǒng)中，已廣泛采用了預(yù)測(cè)濾波技術(shù)和共軸跟蹤技術(shù)，如美國(guó)的CO2激光相干雷達(dá)采用此技術(shù)，能使跟蹤精度達(dá)到02秒。而有波前測(cè)量、控制、校正的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可大大提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。而對(duì)校準(zhǔn)誤差模型、對(duì)軸系、動(dòng)態(tài)滯后等誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，又可大大提高設(shè)備的實(shí)時(shí)輸出精度。綜上所述，靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備將進(jìn)一步向全自動(dòng)、智能化、數(shù)字化、高精度、高可靠、遠(yuǎn)距離和全實(shí)時(shí)的0方向發(fā)展。13光電經(jīng)緯儀彈道測(cè)量原理為了確定空間目標(biāo)的相對(duì)位置，就要以測(cè)量點(diǎn)為中心，建立起三軸坐標(biāo)系。如圖21所示。該坐標(biāo)系的定義為原點(diǎn)O在地面上，由大地坐標(biāo)經(jīng)度、緯度、高程給出。Y軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫?，XZ平面與地面相切，X軸具有大地方位角，Z軸按右手坐標(biāo)系給出。上述坐標(biāo)系通常稱之為地面坐標(biāo)系。圖11如有一空間目標(biāo)某一時(shí)刻的位置在M點(diǎn)，其在水平面投影為M點(diǎn)，連接OM、OM。欲確定M點(diǎn)的空間位置，則需測(cè)得OM與X軸的夾角即方位角A，OM與XZ平面的夾角即高低角E，O點(diǎn)到M點(diǎn)的距離R，即可將M點(diǎn)的三分量X、Y、Z表示出來XRCOSECOSA（1）YRSINE（2）ZRCOSESINA（3）由于地面坐標(biāo)系的O點(diǎn)具有大地坐標(biāo)、B、H，所以經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可計(jì)算出M點(diǎn)相對(duì)于地球上任一點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。上述測(cè)量方法通常稱為綜合定向法。它是假定距離R是可測(cè)的。如果距離R是不可測(cè)的，就得使用另一種稱之為交會(huì)法的方法。交會(huì)法是利用兩上相距較遠(yuǎn)的測(cè)站同時(shí)測(cè)量飛行目標(biāo)的方位角A、高低角E，得到兩條方向線，加上已知兩測(cè)站中心的直線距離L，即可計(jì)算出飛行目標(biāo)的地面坐標(biāo)位置。交會(huì)法又可分為前方交會(huì)法，后方交會(huì)法和側(cè)方交會(huì)法。在首區(qū)靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備中，常采用前方交會(huì)法。在圖12中，O1、O2分別為兩個(gè)測(cè)站，為簡(jiǎn)便起見，我們?cè)O(shè)O1、O2位于OX軸上，它們之間的距離為L(zhǎng)。若某時(shí)刻飛行目標(biāo)位于M點(diǎn)，在水平面的投影點(diǎn)為M。A1、A2、E1、E2分別為兩個(gè)測(cè)站同時(shí)測(cè)出的飛行目標(biāo)的方位角和高低角。圖22根據(jù)三角形的正弦定理，我們有（4）2112201SINI8SINOMAOM而O1MO2180（180A2）A1A2A1（5）O1O2L（6）所以（7）SIN121L（8）I122AM故可求出M點(diǎn)在坐標(biāo)系O1XYZ中的坐標(biāo)（9）SINCO12LX（10）TGEAYI12（11）SIN12LZ交會(huì)法的特點(diǎn)是可靠性高，省去了測(cè)距系統(tǒng)。對(duì)多站同時(shí)測(cè)量有利。根據(jù)以上所述，作為測(cè)量設(shè)備的經(jīng)緯儀，必須至少給出A、E兩組數(shù)據(jù)，若要求能單臺(tái)定位時(shí)，則必須要同時(shí)給出距離數(shù)據(jù)R0。因此，經(jīng)緯儀也必須要有表征上述三組數(shù)據(jù)的測(cè)量機(jī)構(gòu)，亦即通常所謂的三軸系統(tǒng)。如圖23所示。圖13圖中L為經(jīng)緯儀的垂直軸，它是整機(jī)的支撐架，其下端通過調(diào)平機(jī)構(gòu)固定在地面（圖中未畫出），且與當(dāng)?shù)厮矫姹３执怪薄為水平軸，它垂直于垂直軸且可以繞垂直軸在水平方向旋轉(zhuǎn)，也可自旋。C為視軸，也叫瞄準(zhǔn)軸，實(shí)際上它就是經(jīng)緯儀主光學(xué)系統(tǒng)的中心軸。它的一端固定在水平軸上并且與水平軸正交，另一端無限延伸，直到目標(biāo)。如欲測(cè)量某一空間目標(biāo)時(shí)，先使水平軸繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)水平軸，使其帶動(dòng)視軸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)視軸指向目標(biāo)時(shí)，則此時(shí)水平軸相對(duì)垂直軸從規(guī)定的零位起所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為方位角AC；水平軸從水平起所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為高低角EC。AC、EC是分別由裝在垂直軸和水平軸上的測(cè)角裝置來測(cè)出的。視軸從O點(diǎn)延伸到目標(biāo)的長(zhǎng)度為距離R。但R的值不能直接測(cè)量，只能通過加裝激光測(cè)距機(jī)來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)緯儀是以攝影記錄的方式來精確確定目標(biāo)位置的。這是因?yàn)楫?dāng)操作儀器使視軸指向目標(biāo)時(shí)，由于人眼瞄準(zhǔn)有一定誤差，儀器的跟蹤快速飛行目標(biāo)時(shí)也有輕微的抖動(dòng)，所以很難使視軸準(zhǔn)確的指向目標(biāo)，此時(shí)測(cè)角裝置指示出來的角度也不是目標(biāo)的真實(shí)角度，而存在著一個(gè)偏差A(yù)、，如圖24所示，A、，習(xí)慣上稱其為脫靶量。圖14為了消除脫靶量的影響，經(jīng)緯儀上都帶有可以連續(xù)拍攝膠片的攝影機(jī)，通過光學(xué)系統(tǒng)把目標(biāo)像連續(xù)的記錄下來，同時(shí)在膠片上還記有表征視軸C的十字絲，測(cè)角裝置的指示值以及測(cè)量時(shí)的時(shí)間和儀器的各種工作狀態(tài)等。這樣的膠片經(jīng)沖洗后，便可用判讀裝置測(cè)量出目標(biāo)相對(duì)于十字絲中心的縱向、橫向偏差、，由于光學(xué)系統(tǒng)的焦距F是已知的，則可依據(jù)成像公式計(jì)算出脫靶量A、。把脫靶量分別與角度值A(chǔ)C、EC相加，即可得出準(zhǔn)確的A、E值。FCCOS/由于火箭是高速運(yùn)行的目標(biāo)，因此，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，AC、EC、A、必須是同一時(shí)刻所測(cè)量的數(shù)據(jù)，這就要求測(cè)角裝置和拍攝膠片同步進(jìn)行，亦即整個(gè)經(jīng)緯儀的測(cè)量工作在時(shí)間上是間隔進(jìn)行的連續(xù)采樣系統(tǒng)。經(jīng)緯儀在每一個(gè)采樣的周期內(nèi)，把目標(biāo)像連同其它所有的信息也都記錄在膠片上，這樣不僅方便了數(shù)據(jù)處理，也可以方便的與測(cè)控系統(tǒng)中其它測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析或交換?，F(xiàn)代化的經(jīng)緯儀都可以把它測(cè)量到數(shù)據(jù)及自身的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳遞給飛行指揮控制中心的大型計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，直觀地顯示出飛行彈道曲線數(shù)據(jù)。以供飛行指揮員嚴(yán)密的監(jiān)視飛行狀態(tài)。一旦飛行不正常時(shí)，及時(shí)下令采取安全措施。這一過程，稱其為安控。另一方面，計(jì)算機(jī)也可以把經(jīng)緯儀的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后送給其它暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的測(cè)量設(shè)備，以便使它們?cè)谀繕?biāo)一旦出現(xiàn)時(shí)，可立即發(fā)現(xiàn)并跟蹤之。這一過程稱其為引導(dǎo)。當(dāng)然，在實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)中，為了保證精度，也必須要有脫靶量，而經(jīng)膠片判讀計(jì)算脫靶量是不可能的，這就必須采用另外一種方法即電視測(cè)量取脫靶量。14光電經(jīng)緯儀伺服控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀從六十年代初期，國(guó)內(nèi)有科學(xué)院的幾個(gè)研究所、廠開始研制靶場(chǎng)測(cè)試用經(jīng)緯儀。其中，長(zhǎng)春光機(jī)所和成都光電所是目前國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)用大型光電經(jīng)緯儀的主要研制單位，代表了國(guó)內(nèi)技術(shù)的最高水平。長(zhǎng)春光機(jī)所從事光電工程已近40年，研制生產(chǎn)了大小不同、功能各異光電設(shè)備幾百套。其中重要組成部分控制系統(tǒng)，如跟蹤伺服分系統(tǒng)等，在國(guó)內(nèi)一直處于領(lǐng)先水平5。表11是長(zhǎng)春光機(jī)所研制的具有代表意義的光電經(jīng)緯儀跟蹤伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)5。表11典型光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)TABLE11TYPICALEOTHEODOLITESERVOSYSTEMTECHNOLOGYPARAMETERS項(xiàng)目代號(hào)最大角速度最大角加速度工作角速度工作角加速度跟蹤（定位）誤差16025/S45/S215/S5/S218718H/Z35/S50/S220/S7/S23GJ2A70/S80/S220/S10/S22GJ14150/S50/S230/S10/S2366235/S45/S220/S7/S2226035/S50/S220/S7/S23G18850/S80/S220/S10/S23沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的多功能彈道跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)5最大跟蹤角速度60/S最大跟蹤角加速度120/S2工作角速度002/S45/S工作角加速度0/S225/S2跟蹤誤差10，隨機(jī)誤差20成都光電所研制的778光電經(jīng)緯儀系統(tǒng)6，最大角速度30/S最大角加速度60/S2工作角速度00120/S工作角加速度3/S2跟蹤誤差3由以上國(guó)內(nèi)光電經(jīng)緯儀伺服跟蹤系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)可以看出，國(guó)內(nèi)的光電經(jīng)緯儀跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的現(xiàn)有能力在保證跟蹤誤差3的情況下，最大工作速度30/S，最大工作加速度10/S2，最低速度001/S。國(guó)外的靶場(chǎng)光電經(jīng)緯儀，在跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的提法上同國(guó)內(nèi)有所不同，一般只有跟蹤角速度、角加速度和跟蹤精度，不區(qū)分工作角速度、工作角加速度與最大角速度、最大角加速度。美國(guó)白沙靶場(chǎng)研制的發(fā)射區(qū)（LAUNCHAREATHEODOLITE）經(jīng)緯儀系統(tǒng)，跟蹤性能角速度120/S，角加速度120/S2，事后測(cè)量精度10207。法國(guó)SFIM公司的“TROP”光電經(jīng)緯儀跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能已達(dá)到最大角速度120/S，最大角加速度200/S28。美國(guó)新墨西哥州霍洛曼空軍基地的滑橇跟蹤系統(tǒng)（SLEDTRACKINGSYSTEM）跟蹤角速度60/S，角加速度60/S2，跟蹤精度129。以上可以看出，由于使用目的的不同，技術(shù)指標(biāo)提法的不同，直接將國(guó)外光電經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)技術(shù)水平與國(guó)內(nèi)技術(shù)相比較比較困難。第二章光電經(jīng)緯儀捕獲跟蹤基本問題1概述11作用在靶場(chǎng)光電測(cè)量設(shè)備、天文觀測(cè)設(shè)備、武器控制系統(tǒng)以及激光通訊系統(tǒng)中，都需要有光電捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)裝置，以便迅速發(fā)現(xiàn)并精確跟蹤目標(biāo)。由于測(cè)量精度等技術(shù)指標(biāo)逐漸提高，因此對(duì)捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)的要求也越來越高。例如在通訊衛(wèi)星的激光通訊系統(tǒng)中，兩衛(wèi)星之間距離約為84000KM，激光波束為幾角秒，要求的跟蹤精度為1微弧度（02角秒）。在強(qiáng)激光武器系統(tǒng)中，為了使激光能摧毀數(shù)十、數(shù)百乃至上千公里以外的目標(biāo)，必須使能量高度集中，波束窄而且要穩(wěn)定照射在目標(biāo)固定點(diǎn)上。所以，除應(yīng)具備功率強(qiáng)大的激光源外，還必須具備一個(gè)功能完善，精度極高的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以便使激光武器迅速捕獲,并對(duì)其進(jìn)行精密跟蹤瞄準(zhǔn)及時(shí)攻擊。據(jù)初步分析，在戰(zhàn)術(shù)激光武器中，要求跟蹤瞄準(zhǔn)精度約為幾角秒，在戰(zhàn)略激光武器系統(tǒng)中，要求的精度在1微弧度以下，甚至是01微弧度。嚴(yán)格地證明，要實(shí)現(xiàn)上述要求，不僅要提高單臺(tái)武器的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)性能，而且要有一個(gè)監(jiān)視跟蹤引導(dǎo)網(wǎng)。本文不討論后一問題，只研究單臺(tái)設(shè)備自身的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，分析基本問題及關(guān)鍵技術(shù)，找出提高性能的途徑。12概念圖1捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)框圖圖1是捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)框圖。它是以跟蹤回路為中心的，跟蹤傳感器測(cè)出目標(biāo)位置信息（跟蹤誤差），送入跟蹤控制器進(jìn)行回路補(bǔ)償，再經(jīng)速度回路由電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)架跟蹤目標(biāo)。在捕獲時(shí)則是先由大視場(chǎng)捕獲傳感器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，將信息送至跟蹤回路并轉(zhuǎn)入跟蹤，也可以由其它設(shè)備或目標(biāo)理論軌跡引導(dǎo)捕獲目標(biāo)。瞄準(zhǔn)則是根據(jù)各種傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)跟蹤系統(tǒng)機(jī)架進(jìn)行修正控制，也可以直接控制測(cè)量軸或發(fā)射軸，以便對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。國(guó)外將計(jì)算引導(dǎo)跟蹤目標(biāo)也稱瞄準(zhǔn)。根據(jù)上述介紹，可以對(duì)捕獲跟蹤和瞄準(zhǔn)的概念予以定義。捕獲對(duì)所觀測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。它應(yīng)當(dāng)把目標(biāo)從背景和假目標(biāo)中區(qū)分出來，并探測(cè)出目標(biāo)的粗略方向、波長(zhǎng)或頻譜、通量密度、角度尺寸等。用大視場(chǎng)的激光、紅外或電視探測(cè)器均可作為光電捕獲手段，其中以紅外探測(cè)器最為普遍，如紅外線列或面陣器件等。當(dāng)然一種捕獲方式不一定能測(cè)出上述目標(biāo)的各種參數(shù)，所以往往有多種方式相互配合，其中也包括雷達(dá)和計(jì)算機(jī)引導(dǎo)等。跟蹤使跟蹤儀器的視軸追隨目標(biāo)的視線。儀器視軸與目標(biāo)視線之間的偏差為跟蹤誤差，一般以均方根值計(jì)算。瞄準(zhǔn)指儀器視軸的平均取向。瞄準(zhǔn)誤差為儀器視軸與目標(biāo)視線之間偏差的平均值。但這里的視軸可能是跟蹤系統(tǒng)的視軸，也可能不是，這要依設(shè)備功能而定。例如具有光電跟蹤系統(tǒng)的強(qiáng)激光發(fā)射系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)是指發(fā)射主光軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)跟蹤軸與主光軸不重合時(shí)，必須對(duì)主光軸進(jìn)行修正。目前并沒有一個(gè)公認(rèn)的跟蹤瞄準(zhǔn)定義，我們是參考國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)提出來的。2捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的基本技術(shù)問題21目標(biāo)特性是確定捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)要求的主要依據(jù)捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的技術(shù)要求，除使用因素外主要是根據(jù)目標(biāo)下述特性提出來的。運(yùn)動(dòng)特性目標(biāo)距離、速度、加速度等；幾何特性目標(biāo)尺寸、形狀及數(shù)量等；物理特性發(fā)光或反射特性、頻譜特性等；背景情況目標(biāo)周圍的背景光學(xué)特性等。運(yùn)動(dòng)特性與跟蹤要求關(guān)系極為密切。最常見目標(biāo)可用水平飛行目標(biāo)以及軌道衛(wèi)星代表。圖2是目標(biāo)沿水平直線飛行，O點(diǎn)為跟蹤系統(tǒng)所在位置。VTOT0TTR0RAEX0圖2目標(biāo)作水平直線飛行目標(biāo)方位角A、角速度、角加速度分別為A212223其中V為水平速度，X0為航路捷徑。高低方向的角度、角速度和角加速度分別為高低方向的角度、角速度、角加速度分別為（24）20XVT1ZARCTGE（25）2302TECOS（26）SINTGCOST1E2由式（22）可以看出在航路捷徑處（T0）目標(biāo)角速度最大，為弧度/秒0MAX/XVA在A30時(shí)，目標(biāo)角加速度最大，為弧度/秒20AX/65顯然，目標(biāo)速度V越大，航路捷徑X0越小，則角速度、角加速度越大，反之越小。當(dāng)目標(biāo)沿其它方向飛行，也可用類似方法估計(jì)目標(biāo)角速度、角加速度。比較常見的是觀測(cè)軌道衛(wèi)星。設(shè)衛(wèi)星軌道高度為H，則軌道運(yùn)行周期為（分）（27）230R48P其中R為地球半徑，則目標(biāo)軌道線速度為（KM/H）（28）210RH947V最大視線角速度（弧度/秒）（29）MAX/0XVTARCGDT2OSAA202CIN/29表1為不同軌道高度的衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)表1不同軌道高度的衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)軌道高度1502003004005001000運(yùn)行周期PS8748890915945105速度V（KM/S）782779773768762736最大角速度（度/秒）AX299223148110087042如果目標(biāo)不是經(jīng)過天頂，而是有一定傾角，則最大角速度還要小些。當(dāng)然如果目標(biāo)剛過天頂，采用地平式跟蹤架是困難的，此時(shí)方位角速度為無窮大。應(yīng)采用極軸式結(jié)構(gòu)等其形式跟蹤架。22捕獲的基本技術(shù)問題221捕獲的技術(shù)要求對(duì)捕獲提出的要求主要有捕獲距離、捕獲視場(chǎng)（范圍）、捕獲時(shí)間、捕獲目標(biāo)的光學(xué)性以及背景特性等。捕獲是轉(zhuǎn)入跟蹤的前提，所以捕獲距離應(yīng)大于跟蹤距離。不同系統(tǒng)要求差別很大，對(duì)一般戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)跟蹤，捕獲距離只有幾十公里，在衛(wèi)星激光通訊系統(tǒng)中，作用距離要求幾萬公里。捕獲視場(chǎng)即捕獲系統(tǒng)所監(jiān)視的范圍。雖然希望捕獲視場(chǎng)越大越好，但任何一個(gè)傳感器視場(chǎng)加大都會(huì)使分辨率下降，信噪比降低，進(jìn)而使識(shí)別目標(biāo)的能力、作用距離降低。為可靠捕獲并進(jìn)行精確跟蹤，系統(tǒng)應(yīng)具備幾個(gè)不同視場(chǎng)的傳感器，大視場(chǎng)用于捕獲，中視場(chǎng)用于粗跟蹤，小視場(chǎng)用于精跟蹤等。捕獲時(shí)間TA是指當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入捕獲傳感器視場(chǎng)直至傳感器送出目標(biāo)位置信息所需的時(shí)間，它主要是傳感器響應(yīng)及信息處理所需時(shí)間。初始捕獲時(shí)由于目標(biāo)遠(yuǎn)，信噪比小，往往要經(jīng)幾幀（或幾次掃描）以及信息處理后才能從復(fù)雜背景或假目標(biāo)中提取出真實(shí)目標(biāo)信號(hào)，這是捕獲所需的主要時(shí)間。增大捕獲距離和視場(chǎng)，減少捕獲時(shí)間是對(duì)捕獲系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。222影響目標(biāo)捕獲的主要因素影響目標(biāo)捕獲的主要因素是大氣擾動(dòng)、背景輻射及干擾、目標(biāo)輻射（或反射）特性以及傳感器靈敏度（噪聲）、系統(tǒng)參數(shù)性能等。大氣擾動(dòng)使目標(biāo)在探測(cè)器上成象模糊，因而降低了捕獲傳感器的靈敏度，大氣最寧?kù)o是在日出和日落兩段時(shí)間，其余時(shí)間影響都較大。背景輻射和干擾降低了信噪比，致使提取信號(hào)困難。目標(biāo)輻射特性和傳感器的靈敏度的影響是顯而易見的。例如紅外探測(cè)器靈敏度NEFD（）可按下式計(jì)算210021DDA/FNEFD其中AD單元探測(cè)器面積；F接收器帶寬；A0接收望遠(yuǎn)鏡口徑；0光學(xué)系統(tǒng)效率；D光譜探測(cè)率。傳感器信噪比為211NEFDR/JS2A其中J（）為目標(biāo)輻射強(qiáng)度，A為大氣透過率，R為距離。電視系統(tǒng)受背景影響嚴(yán)重，所以只根據(jù)靈敏度計(jì)算是不夠的，還必須計(jì)算目標(biāo)在靶面上的對(duì)比度CBE/T其中，ET,EB分別為目標(biāo)和背景在靶面上的照度。可根據(jù)下述公式計(jì)算（212）212TKRF/DI1E（213）12B42BF0其中為光學(xué)系統(tǒng)摭攔比；I為目標(biāo)發(fā)光強(qiáng)度；R為目標(biāo)距離；1為光學(xué)系統(tǒng)透過率；2為大氣透過率；為目標(biāo)經(jīng)大氣、光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)靶面上引起目標(biāo)象角彌散均方根值。由紅外和電視兩個(gè)探測(cè)器公式可見，傳感器信噪比除與目標(biāo)發(fā)光特性、傳感器靈敏度有關(guān)外，還與大氣特性、背景情況以及系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。在一定信噪比下，能否識(shí)別目標(biāo)或捕獲目標(biāo)，就與信號(hào)處理方法有關(guān)。簡(jiǎn)單的信號(hào)處理只能在較高的信噪比之下（如S/N35）識(shí)別目標(biāo)，反之則用較為完善的信號(hào)處理方法，例如用相關(guān)提取、數(shù)字濾波等可以在較低的信噪比下（S/NM，且R中含有S，則圖象配準(zhǔn)誤差函數(shù)E（M,N）為（416）1INJJ,IS,IR,E如果坐標(biāo)RM,N與S相對(duì)應(yīng)，則E（M,N）0，否則EM,N0。實(shí)際上只要E（M,N）小于一閾值，就可以認(rèn)為找到了配準(zhǔn)點(diǎn)，即此點(diǎn)坐標(biāo)為目標(biāo)位置。由于相關(guān)跟蹤可以利用圖象中較多信息，可以識(shí)別復(fù)雜背景中的目標(biāo)，也可以從一群相似的飛行物中識(shí)別出真正目標(biāo)，所以相關(guān)跟蹤有比較突出的優(yōu)點(diǎn)，尤其是跟蹤有特征點(diǎn)的目標(biāo)能力很強(qiáng)。但此種方法除運(yùn)算量較大外，也還有一些缺點(diǎn)，主要是基準(zhǔn)圖象中如有干擾會(huì)使跟蹤誤差加在。所以相關(guān)跟蹤還應(yīng)和其它方法配合使用。44提高跟蹤傳感器精度的途徑跟蹤傳感器包括探測(cè)器、信號(hào)處理電路及光學(xué)系統(tǒng)等三個(gè)部分。關(guān)于提高光學(xué)系統(tǒng)精度問題如加大口徑、增長(zhǎng)焦距、減小失真等這里不擬討論。提高跟蹤器精度包含兩部分工作，即提高靜態(tài)精度及提高動(dòng)態(tài)精度。提高靜態(tài)精度主要是減小象元尺寸，提高分辨率，改善線性和減小漂移等。CCD是最有前途的成象跟蹤器件，每個(gè)象素是獨(dú)立的，目前名勝素中心距可作到78M，分辨率超過光導(dǎo)攝象管，它的輸出可直接數(shù)字化并與計(jì)算機(jī)相聯(lián)接，不存在漂移和掃描非線性問題。如果象點(diǎn)超過幾個(gè)象元，利用前面的強(qiáng)度中心算法可將分辨率提高到象素尺寸的幾十分之一。如果目標(biāo)象小于1個(gè)象元，可用象點(diǎn)彌散方法使象擴(kuò)大，再用類似方法求出準(zhǔn)確象心位置10。提高傳感器動(dòng)態(tài)精度主要是減小探測(cè)器滯后、提高信號(hào)處理速度及提高采樣頻率等。在要求響應(yīng)速度較高的場(chǎng)合，可應(yīng)用光電二極管探測(cè)器陣列。五、高精度控制技術(shù)51前饋控制與共軸跟蹤在一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中，提高精度就必須提高增益或者增加積分環(huán)節(jié)提高無靜差度，但這也就使系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，甚至破壞。前饋控制則是在閉環(huán)控制系統(tǒng)增加一開環(huán)控制支路，用以提供輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)（）（圖14），、稱此系統(tǒng)為前饋控制或復(fù)合控制系統(tǒng)13。圖14前饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)）經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)就可以說明前饋控制的作用。設(shè)補(bǔ)償回路G1（S）K1速度回路122ST前饋支路S33若K2K31,則系統(tǒng)為21/TSKSGPC原閉環(huán)部分G2（S）為一階無靜差度系統(tǒng)（I型），引進(jìn)前饋后等效為二階無靜差度系統(tǒng)，可以消除速度滯后誤差，類似地當(dāng)G3（S）還提供加速度信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)還可以等效為三階無靜的差度系統(tǒng)，可以消I除加速度滯后誤差等等。復(fù)合控制主要用于計(jì)算機(jī)引導(dǎo)及瞄準(zhǔn)控制，國(guó)內(nèi)外都已應(yīng)用多年，目前許多高精度望遠(yuǎn)鏡對(duì)軌道固定的目標(biāo)如衛(wèi)星的跟蹤都采用前饋控制，即由計(jì)算機(jī)輸出目標(biāo)的位置和速度信息引導(dǎo)隨動(dòng)系統(tǒng)。在激光、紅外和電視等光電跟蹤系統(tǒng)中，傳感器只能提供目標(biāo)與傳感器視軸之間的偏差，即跟蹤誤差，沒有給出目標(biāo)空間坐標(biāo)位置，自然也沒有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等導(dǎo)數(shù)信號(hào)，所以無法直接實(shí)現(xiàn)前饋控制。目前多用速度滯后補(bǔ)償方法，但它不是真正的復(fù)合控制，提高精度有限13。由于目標(biāo)位置I為儀器位置0與跟蹤誤差之和，即（51）0I目標(biāo)速度（52）DTI/0顯然用計(jì)算機(jī)進(jìn)行上述運(yùn)算就可構(gòu)成，此種系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)輔助跟蹤系統(tǒng)或等效復(fù)合控制系統(tǒng)。圖14只是個(gè)原理圖。實(shí)際上存在兩個(gè)問題。一是大多數(shù)傳感器（包括處理電路）都有一定惰性，所以測(cè)得的跟蹤誤差不是與的實(shí)時(shí)差，因而也不能簡(jiǎn)單地把與合成。另一個(gè)問題是直I00接用微分方法求速度干擾較大。有文獻(xiàn)對(duì)這些問題作了較全面分析，這里不擬重復(fù)。概括講就是要克服或校正傳感器惰性、進(jìn)行坐標(biāo)變換，采用數(shù)據(jù)濾波方法計(jì)算目標(biāo)速度等。如果計(jì)算機(jī)同時(shí)提供目標(biāo)位置和速度等信息，后面完全是一個(gè)數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，則此光電跟蹤方式稱為共軸跟蹤（ONAXISTRACKING）圖15。共軸跟蹤將跟蹤器與隨動(dòng)系統(tǒng)分成各自獨(dú)立的回路，隨動(dòng)系統(tǒng)選擇帶寬可以不考慮跟蹤器因素，反之亦然。二者均可選擇最佳參數(shù)。此外，用濾波預(yù)測(cè)不僅可以預(yù)測(cè)目標(biāo)位置，還可以修正動(dòng)態(tài)滯后誤差。所以共軸跟蹤系統(tǒng)精度較高，特別適合干擾較為嚴(yán)懲的環(huán)境。圖15共軸跟蹤系統(tǒng)最后要說明一點(diǎn)，前饋控制不僅可以降低由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而引起的動(dòng)態(tài)滯后誤差，而且可以降低由于其它擾動(dòng)如不平衡力矩引起的誤差，只要將擾動(dòng)測(cè)出并通過適當(dāng)模型饋入即可。所以，也可將前饋控制稱為擾動(dòng)調(diào)節(jié)。51濾波預(yù)測(cè)技術(shù)濾波預(yù)測(cè)技術(shù)在跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中有多種用途，在圖象處理和數(shù)據(jù)處理中可濾除干擾和噪聲識(shí)別目標(biāo)，跟蹤中可預(yù)測(cè)目標(biāo)位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在前面介紹的復(fù)合控制以及共軸跟蹤等系統(tǒng)中都要用數(shù)據(jù)濾波預(yù)測(cè)技術(shù)。常用的數(shù)據(jù)濾波方法有四種，即有限記憶最小平方濾波，常增益最優(yōu)遞推濾波（濾波），自適應(yīng)濾波和卡爾曼濾波。四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。有限記憶濾波是用靠近現(xiàn)有的時(shí)刻的N個(gè)帶有隨機(jī)噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)（如I）估計(jì)現(xiàn)在時(shí)刻或預(yù)測(cè)未來時(shí)刻濾波值，并使濾波的均方誤差最小。此種濾波又稱多項(xiàng)式濾波。位置和速度濾波預(yù)測(cè)值均為N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的線性函數(shù)（53）IKA|J1N0I（54）IKB|JKI1N0AI、BI分別為位置和速度濾波因子，J為預(yù)測(cè)步數(shù)，N為記憶點(diǎn)數(shù)，AI、BI可根據(jù)無偏和方差最小這兩個(gè)條件求出。文獻(xiàn)21詳細(xì)討論了有限記憶濾波器的特點(diǎn)。其方法簡(jiǎn)單，但精度有限。記憶點(diǎn)數(shù)越多，則濾除隨機(jī)干擾的能力越強(qiáng)，但卻使新數(shù)據(jù)作用減弱，因而在目標(biāo)機(jī)動(dòng)性加強(qiáng)時(shí)，濾波效果不佳。為克服記憶點(diǎn)數(shù)多不能適應(yīng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)性、而點(diǎn)數(shù)少濾除隨機(jī)干擾效果差的缺點(diǎn)，可將兩組不同點(diǎn)數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果、按加權(quán)組合，這樣可得較高精度。即合成濾波值為12（55）21KK1、K2分別為兩種濾波方法加權(quán)系數(shù)，可根據(jù)二濾波預(yù)測(cè)方差1、2實(shí)時(shí)計(jì)算（56）21（57）1212常增益最優(yōu)遞推濾波不必記憶多個(gè)歷史數(shù)據(jù)，只用當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量值就可以依次計(jì)算出濾波估值和預(yù)測(cè)值。濾波方程為（58）1N|1N|（59）|T|（510）|2|預(yù)測(cè)方程為（511）2|1NTN（512）|（513）N|1式中為N時(shí)刻采樣測(cè)量值，、表示N時(shí)刻濾波估值，、N1N表示N時(shí)刻預(yù)測(cè)N1時(shí)刻值。此方法又稱為濾波增益，它們可用臨界阻尼、最佳選擇方法和卡爾曼穩(wěn)態(tài)增益三種方法計(jì)算。一般可用最佳選擇法，它可使在給定暫態(tài)響應(yīng)要求的條件下使噪聲獲得最大濾波。濾波性能比有限記憶濾波效果略好。但總的來講，上述兩種濾波方法簡(jiǎn)單，但精度有限，適于中等精度系統(tǒng)和計(jì)算速度有限時(shí)應(yīng)用?？柭鼮V波也叫最佳線性遞推濾波，是六十年代現(xiàn)代控制理論重大發(fā)展。它是用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法把干擾與信號(hào)看成是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，噪聲看成該動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，然后用統(tǒng)計(jì)特性估算出它的大小，再?gòu)男盘?hào)中把它濾除，得到信號(hào)的真值。設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)量值為，預(yù)測(cè)值為，則最佳估值為N1N（514）|1|KN其中K為卡爾曼濾波增益。上式與濾波形式是相同的，但這里的K是用遞推方法計(jì)算的。（514）式的意義是目標(biāo)的最佳估值是預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的線性組合，只是K值是變化的。由于可N是一個(gè)矩陣，所以K也將是一個(gè)矩陣，稱為最佳權(quán)值陣?？柭鼮V波就是根據(jù)已知的運(yùn)動(dòng)方程、已知的初始條件、初始狀態(tài)誤差及每次測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)量和測(cè)量值，可逐次算出最佳權(quán)值陣、預(yù)測(cè)值和濾波值（或陣）?？柭鼮V波主要優(yōu)點(diǎn)是精度高。高精度跟蹤預(yù)測(cè)大多是用卡爾慢濾波，美國(guó)激光武器系統(tǒng)中就應(yīng)用卡爾曼濾波計(jì)算目標(biāo)軌跡、作瞄準(zhǔn)修正等。但應(yīng)用卡爾曼濾波困難也較多，一是運(yùn)算量大，其次是要求目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，誤差統(tǒng)計(jì)模型比較準(zhǔn)確，否則不僅濾波精度低，甚至?xí)?dǎo)致濾波器發(fā)散，即誤差越來越大。自適應(yīng)濾波是對(duì)上述一些濾波方法修正，就不分析了。52時(shí)間最優(yōu)控制（最佳控制）在跟蹤系統(tǒng)中要求盡快捕獲目標(biāo)并且過渡過程無超調(diào)（見圖10），也就是系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)，使目標(biāo)函數(shù)（515）TDTJ0為最小，這便是時(shí)間最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制幾乎都是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。例如在捕獲目標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)要根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、用最優(yōu)控制理論在位置誤差和速度誤差平面上確定一條最佳轉(zhuǎn)換曲線，然后再根據(jù)儀器與目標(biāo)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)求出加速時(shí)間及減速時(shí)間，再控制電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)最佳捕獲。最優(yōu)控制雖然理論是可行的，但在高精跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用還有些問題。主要是由于對(duì)象模型誤差和數(shù)字控制采樣周期等原因使實(shí)際系統(tǒng)很難準(zhǔn)確達(dá)到“最優(yōu)”，其次最優(yōu)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)精度不高。為了實(shí)現(xiàn)過渡過程快而穩(wěn)態(tài)精度又高，可以采用“雙?？刂啤狈绞焦ぷ?。即調(diào)節(jié)對(duì)象按線性和開關(guān)兩種控制方式工作。當(dāng)誤差超出一定區(qū)域時(shí)系統(tǒng)以開關(guān)方式工作，以便迅速減小誤差，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)換區(qū)域后轉(zhuǎn)入線性控制，使誤差迅速接近0。在穩(wěn)定跟蹤時(shí)，由于處于線性控制狀態(tài)，因而誤差很小。美國(guó)多反射鏡望遠(yuǎn)鏡MMT設(shè)計(jì)了一個(gè)準(zhǔn)最優(yōu)控制定值時(shí)積分器不工作，而是用位置誤差平方根控制速度回路，它將產(chǎn)生一個(gè)具有恒定加速度的拋物線軌跡，使位置誤差和速度誤差同時(shí)到達(dá)0。MMT的過渡過程十分平穩(wěn)，跟蹤精度達(dá)到15角秒，為地面設(shè)備最高水平。53自適應(yīng)控制我們已經(jīng)分析了摩擦力矩的影響，除了可能使系統(tǒng)低速時(shí)產(chǎn)生反復(fù)滑動(dòng)外，儀器調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)還可能使系統(tǒng)產(chǎn)生“尖峰”跟蹤誤差。可以采用自適應(yīng)控制減小摩擦力矩影響。如用摩擦力矩參考模型前饋就可以明顯降低摩擦力矩的影響。有文獻(xiàn)介紹一個(gè)光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用自適應(yīng)控制實(shí)例。采用自適應(yīng)控制可以有效地補(bǔ)償對(duì)象的參數(shù)變化及摩擦力矩的非線性影響，在速度過零時(shí)基本可消除靜摩擦造成的死區(qū)，整修跟蹤過程誤差明顯減小，跟蹤精度大約提高6倍。54具有自適應(yīng)光學(xué)的高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)541自適應(yīng)光學(xué)與精密跟蹤大氣湍流造成大氣抖動(dòng)，致使目標(biāo)發(fā)出的光到跟蹤望遠(yuǎn)鏡時(shí)其波前發(fā)生變化且有抖動(dòng)，跟蹤傳感器接收的目標(biāo)象變得模糊，因而產(chǎn)生了跟蹤誤差。這便是大氣抖動(dòng)的影響。文獻(xiàn)1中用一圖來說明在地面大型望遠(yuǎn)鏡中，當(dāng)采用視軸穩(wěn)定系統(tǒng)后，最嚴(yán)重的抖動(dòng)就是大氣抖動(dòng)。根據(jù)目前技術(shù)，在外層空間高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)精度可達(dá)0205微弧度，而地面跟蹤設(shè)備最高精度也只有58微弧度，其原因主要是大氣擾動(dòng)的限制。為克服大氣擾動(dòng)影響，可采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由波前探測(cè)器、控制系統(tǒng)、變形反射鏡及光學(xué)系統(tǒng)等組成。波前探測(cè)器可檢測(cè)出波前失真，然后由控制系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)變形反射鏡以補(bǔ)償波前失真。校正后的波束入射到跟蹤探測(cè)器上可得高分辨率的目標(biāo)象、提高了探測(cè)精度，亦即可以提高跟蹤精度。這便是采用自適應(yīng)光學(xué)的精密跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的基本類型。實(shí)際上自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)不僅可以改善圖象質(zhì)量，而且可以極其精確地探測(cè)目標(biāo)位置，并可快速精確地跟蹤目標(biāo)。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制帶寬大約是01至數(shù)百赫茲。所以它用的傳感器和變形反射鏡驅(qū)動(dòng)部件的響應(yīng)都非常快，采樣頻率都是取數(shù)百赫乃至數(shù)千赫，變形反射鏡大多是用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，不僅響應(yīng)快而且控制極其精確。由此可見自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)不僅可精確測(cè)量目標(biāo)位置，而且可以快速跟蹤目標(biāo)。從這個(gè)意義上講它也是一種高精度跟蹤系統(tǒng)。但是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)卻不能作為一個(gè)獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)工作，其原因是兩點(diǎn)。一是探測(cè)器視場(chǎng)小。作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，它必須盡量校正來自目標(biāo)光的波前，目標(biāo)越充滿探測(cè)器越好，所以波前探測(cè)器視場(chǎng)都很小，很難滿足跟蹤系統(tǒng)需要。第二點(diǎn)是變形反射鏡驅(qū)動(dòng)范圍太小，一般壓電陶瓷工作范圍只有幾十微米，校正波前失真是足夠的，但同時(shí)再校正跟蹤誤差則很有限。所以凡是跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡必須有跟蹤系統(tǒng)。如果能將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)結(jié)合起來，則可以構(gòu)成性能極其優(yōu)異的光電跟蹤系統(tǒng)。542具有自適應(yīng)光學(xué)的精密跟蹤系統(tǒng)可用三種方案工作。具有自適應(yīng)光學(xué)的精密跟蹤系統(tǒng)可用三種方案工作。1、波前控制與跟蹤控制各自采用獨(dú)立控制回路，亦即圖33所示系統(tǒng)。此時(shí)波前控制系統(tǒng)可對(duì)部分跟蹤誤差，尤其是對(duì)高頻部分跟蹤誤差進(jìn)行校正。這是最基本方法。2、用波前傳感器代替精跟蹤傳感器，用分頻方法分別控制機(jī)架（05HZ）、子反射鏡（550HZ）及變形鏡（50500HZ）。此方案正如前述，由于視場(chǎng)太小很難應(yīng)用。3、波前傳感器與跟蹤傳感器結(jié)合使用。方案3的優(yōu)點(diǎn)在于它既充分發(fā)揮變形鏡響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，又充分利用跟蹤系統(tǒng)機(jī)架活動(dòng)范圍大的長(zhǎng)處，所以比較現(xiàn)實(shí)可行，跟蹤性能將超過現(xiàn)有的復(fù)合軸系統(tǒng)。目前國(guó)際上只有少數(shù)專家研究自適應(yīng)光學(xué)與精密跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合的問題，也尚無正式系統(tǒng)公開問世，在理論與技術(shù)上還有不少問題。其中一個(gè)主要難點(diǎn)在于跟蹤回路與波前控制回路互相耦合，如何控制、如何去耦、如何解決精度與穩(wěn)定性等問題都需進(jìn)行分析研究。盡管如此，采用自適應(yīng)光學(xué)的跟蹤系統(tǒng)仍是極有前途的跟蹤系統(tǒng)。55其它高精度控制技術(shù)551高精度軸角測(cè)量為實(shí)現(xiàn)高精度瞄準(zhǔn)，必須精確測(cè)量?jī)x器角度（方位角及高低角等），它是由軸角編碼器完成的。目前主要采用感應(yīng)同步器和光學(xué)軸角編碼器兩種，無論哪種也都是采用電子學(xué)細(xì)分方法提高分辨率和測(cè)量精度。美國(guó)法蘭德感應(yīng)同步器（FARRANDINDUCTOSYN）分辨率為47NRAD，相當(dāng)于26位。據(jù)報(bào)導(dǎo)美國(guó)分辨率最高的編碼器為27位。但測(cè)角精度也只達(dá)到1角秒（5RAD）左右。高分辨率編碼器除測(cè)角外，可用以測(cè)速。在要求測(cè)角精度更高的場(chǎng)合可采用如干涉計(jì)量等方法測(cè)量?？焖俜瓷溏R的角位置可用動(dòng)電容傳感器測(cè)量。552柔性控制對(duì)于特殊大型的光學(xué)跟蹤設(shè)備，為了提高結(jié)構(gòu)諧振頻率可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變重變大，甚至無法接受。國(guó)際上已開始應(yīng)用另外一種比較完善的方法，即柔性控制技術(shù)?？梢员３衷Y(jié)構(gòu)的柔性，而用一個(gè)多輸入多輸出的數(shù)字控制系統(tǒng)，控制視軸而不是機(jī)架。美國(guó)在一大型跟蹤系統(tǒng)上作了嘗試。柔性控制要求在結(jié)構(gòu)分析和控制系統(tǒng)分析之間建立一套嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，顯然應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)難度是很大的。當(dāng)然如果能成功地應(yīng)用柔性控制，就可以使一個(gè)小而輕的結(jié)構(gòu)比大而重的結(jié)構(gòu)有更好的性能。553計(jì)算機(jī)控制前面各節(jié)提到的控制和信息處理都是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，所以計(jì)算機(jī)控制和信息處理是跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)要處理的信息量大、采樣頻率又高，所以提高運(yùn)算速度至關(guān)重要。除采用盡可能高的速度的計(jì)算機(jī)外，主要應(yīng)將功能分散，采用多機(jī)并行系統(tǒng)，提高軟件功能，軟件硬化及研制專用機(jī)等。由于超大規(guī)模集成電路發(fā)展，集成度越來越高，速度也越來越快，這些都經(jīng)計(jì)算機(jī)在高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中應(yīng)用帶來了充分的條件，也使計(jì)算機(jī)控制性能越來越好。6結(jié)論光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是一個(gè)包括光電探測(cè)、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及精密機(jī)架等幾個(gè)部分組成的復(fù)雜設(shè)備，它涉及的技術(shù)問題也是多方面的。根據(jù)上面分析，我們可得同下列幾點(diǎn)結(jié)論。1、對(duì)捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的主要技術(shù)要求，除了使用因素外主要是根據(jù)目標(biāo)特性提出來的。即由物理特性、幾何特性和運(yùn)動(dòng)特性提出。最基本的要求是捕獲范圍（視場(chǎng)）、作用距離；跟蹤瞄準(zhǔn)精度；捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)的響應(yīng)速度。2、跟蹤系統(tǒng)是捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)設(shè)備的核心，跟蹤精度與響應(yīng)速度是系統(tǒng)關(guān)鍵，也是整個(gè)捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中最主要的技術(shù)問題。其中應(yīng)注意的是決定精度和響應(yīng)速度的因素包括光電跟蹤傳感器、機(jī)架及控制系統(tǒng)，所以要改善這兩個(gè)性能也必須從幾方面著手。系統(tǒng)頻帶與精度和響應(yīng)速度直接相關(guān)，頻帶寬可使系統(tǒng)誤差減小，響應(yīng)速度提高。但頻帶受到結(jié)構(gòu)諧振頻率、采樣頻率、電機(jī)加速能力以及噪聲等限制。提高跟蹤精度措施很多，不同的系統(tǒng)誤差不同，不同精度采取的措施也不一樣。表4列出了跟蹤精度與關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系，說明了提高跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)性能的途徑。3、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)架是跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)高精度機(jī)架應(yīng)是剛度高、穩(wěn)定性好、摩擦力矩小、直接驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。高精度快速系統(tǒng)可采用復(fù)合軸結(jié)構(gòu)。高精度跟蹤系統(tǒng)視軸應(yīng)是穩(wěn)定的。對(duì)于地面大型固定系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定光學(xué)系統(tǒng)視軸，對(duì)于運(yùn)動(dòng)式系統(tǒng)應(yīng)采用慣性穩(wěn)定分系統(tǒng)，使跟蹤視軸與基座運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)等相隔離。4、捕獲跟蹤傳感器是決定系統(tǒng)探測(cè)能力（作用距離）、視場(chǎng)、跟蹤精度等關(guān)鍵因素。不同的光電跟蹤手段（紅外、電視或CCD、激光等）有不同用途，但可互相補(bǔ)充，互相轉(zhuǎn)換，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)特性，精度要求等選擇。成象跟蹤是廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，CCD是最有前途的成象跟蹤器件，精度高、滯后小、靈敏度高是其主要優(yōu)點(diǎn)。激光跟蹤是一種有源跟蹤手段，在某些高精度系統(tǒng)（如強(qiáng)激光發(fā)射）中應(yīng)用可使系統(tǒng)校正簡(jiǎn)單。5、改善控制特性是提高跟蹤性的重要措施控制系統(tǒng)可以消除或減小由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或內(nèi)外擾動(dòng)引起的誤差。改善控制系統(tǒng)性能的基本措施是提高系統(tǒng)增益、提高系統(tǒng)無靜差度（復(fù)合控制或增加積分環(huán)節(jié)）、采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)及提高采樣頻率等。為進(jìn)一步克服噪聲、摩擦力矩、減小過渡誤差應(yīng)采用共軸跟蹤、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和柔性控制技術(shù)等。6、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)與跟蹤控制系統(tǒng)相結(jié)合，可構(gòu)成精度非常高的跟蹤系統(tǒng)，是克服大氣擾動(dòng)影響根本的措施，也是很有前途的跟蹤系統(tǒng)。我國(guó)開展光電捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)研究工作已有多年，也有一定水平，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比以及與今后要求相比還有較大差距，我們應(yīng)不斷加強(qiáng)這方面理論與應(yīng)用的研究工作，滿足日益發(fā)展的需要，趕超世界先進(jìn)水平。第三章跟蹤架結(jié)構(gòu)模式分析從字面上講，跟蹤架可以比作觀察自然界某一事物的視覺器官。從工程上講，跟蹤架是指跟蹤空間某一機(jī)動(dòng)目標(biāo)