分類號密級UDC編號中國科學院研究生院博士學位論文光電經(jīng)緯儀電視跟蹤、捕獲快速運動目標技術(shù)的研究王建立指導(dǎo)教師姓名陳濤研究員長春光學精密機械與物理研究所申請學位級別博士學科專業(yè)名稱機械制造及自動化論文提交日期200202論文答辯日期200204培養(yǎng)單位長春光學精密機械與物理研究所學位授予單位中國科學院研究生院答辯委員會主席于前洋CLASSIFIEDINDEXCONFIDENTIALGRADEUDCNUMBERADISSERTATIONSUBMITTEDTOTHEACADEMYOFSCIENCES,FORTHEDEGREEOFPHDOFSCIENCESTUDYONTVTRACKINGSYSTEMOFOETHEODOLITETOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSBYWANGJIANLIDIRECTEDBYPROFESSORCHENTAOCHANGCHUNINSTITUTEOFOPTICS,FINEMECHANICSANDPHYSICS,CHINESEACADEMYOFSCIENCES,CHINAMARCH,2002摘要近年來，隨著靶場測試目標速度的提高和設(shè)備自動化程度的提高，對光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)的跟蹤和捕獲快速運動目標的能力提出了越來越高的要求。目標速度的提高將會產(chǎn)生大的角速度、角加速度乃至更大的角加加速度，導(dǎo)致光電經(jīng)緯儀電視跟蹤動態(tài)誤差急劇增大，目標逸出視場，跟蹤失敗。本論文就如何提高光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤捕獲快速運動目標的能力等一系列問題進行了探討。論文首先通過理論分析和仿真，分析了傳統(tǒng)的評價和檢測光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤精度的方法無法評價光電經(jīng)緯儀跟蹤快速角速度、角加速度運動目標的情況。提出了采用等效目標等幾種評價和檢驗電視跟蹤伺服系統(tǒng)精度的方法。提出了加速度滯后補償?shù)母拍睿⑵鋺?yīng)用到提高電視跟蹤穩(wěn)態(tài)精度中；結(jié)合電視跟蹤器補償技術(shù)，在保證最大跟蹤誤差不大于3的條件下，將目前的光電經(jīng)緯儀電視跟蹤系統(tǒng)跟蹤最大角速度30/S、和最大角加速度12/S2能力，提高到跟蹤最大角速度50/S、最大角加速度30/S2。對電視自動捕獲跟蹤技術(shù)進行了初步研究。通過采用多模控制和適當選取捕獲時機等技術(shù)，取得了153視場自動攔截捕獲11/S運動目標的結(jié)果。最后對本文提出的理論和方法進行了實驗研究，取得了與仿真和理論分析相一致的結(jié)果；實際證明了本論文理論分析的正確性和工程應(yīng)用的價值。關(guān)鍵字光電經(jīng)緯儀，電視跟蹤，加速度滯后補償，攔截捕獲ABSTRACTWANGJIANLIMACHINEMANUFACTUREANDAUTOMATIONDIRECTEDBYCHENTAOTHEHIGHCAPABILITYOFOETHEODOLITETOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSISREQUIREDTHESEYEARSBECAUSEOFTHERAPIDADVANCEMENTOFTESTEDTARGETSANDAUTOMATIZATIONOFEQUIPMENTSITWILLPRODUCEVERYBIGANGULARVELOCITY,ANGULARACCELERATIONANDANGULARJERKWHENTRACKINGFASTMOVINGTARGETSTHISMAYLEADBIGGERTRACKINGERRORANDFAILTOTRACKTARGETSTHESEPROBLEMSOFHOWTOIMPROVETHEOETHEODOLITECAPABILITYTOTRACKANDACQUIREFASTMOVINGTARGETSAREDISCUSSEDINTHISDISSERTATIONTHETRADITIONALEVALUATINGANDTESTINGTHETRACKINGPRECISIONOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMISNEARLYINVALIDWHENOETHEODOLITETRACKINGFASTMOVINGTARGETSBYANALYZINGINTHEORYANDSIMULATINGINTHISDISSERTATIONTHEEQUIVALENTTARGETMETHODANDSOMEOTHERMETHODSTOEVALUATEANDTESTTHETRACKINGPRECISIONOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMAREBROUGHTFORWARDTHECONCEPTOFACCELERATIONDELAYCOMPENSATIONISPUTFORWARDINTHISDISSERTATIONBYUSINGACCELERATIONDELAYCOMPENSATIONANDTVTRACKERCOMPENSATIONTECHNOLOGYTHETRACKINGCAPABILITYOFOETHEODOLITETVTRACKINGSYSTEMISPROMOTEDTOTRACKFASTMOVINGTARGETSATMAXIMAL50/SANGULARVELOCITYANDMAXIMAL30/S2ANGULARACCELERATIONOTHERTHANMAXIMAL30/SANGULARVELOCITYANDMAXIMAL12/S2ANGULARACCELERATIONBEFOREWHILETHEMAXIMALTRACKINGERRORISSTILLLESSTHAN3TVAUTOMATICACQUISITIONTECHNOLOGYISSTUDIEDELEMENTARILYBYUSINGMULTICONTROLMODELSANDCHOOSINGTHEPROPERACQUISITIONOCCASIONANDOTHERTECHNOLOGIESAMOVINGTARGETAT11/SISAUTOMATICACQUIREDIN153FIELDOFVIEWINTHEEND,THETHEORIESANDTECHNOLOGIESDISCUSSEDINTHISDISSERTATIONWERETESTEDWITHEXPERIMENTSTHEEXPERIMENTRESULTSAREMUCHMORELIKETHEANALYZEDANDSIMULATEDRESULTSITVERIFIESTHATTHETHEORETICALANALYSISINTHISDISSERTATIONISCORRECTANDITISVERYVALUABLEFORENGINEERINGKEYWORDSOETHEODOLITE,TVTRACKING,ACCELERATIONDELAYCOMPENSATION,INTERCEPTEDACQUISITION目錄摘要IABSTRACTII目錄IV第一章緒論111光電經(jīng)緯儀簡介112快速運動目標對電視跟蹤的影響分析213國內(nèi)外光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀514本論文主要內(nèi)容及其意義7第二章光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度評價及室內(nèi)檢測方法的研究921引言922電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度評價方法的研究9221評價電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度的動態(tài)誤差法10222光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)數(shù)學仿真模型12223基于MATLAB/SIMULINK的電視跟蹤伺服系統(tǒng)仿真1423光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)室內(nèi)檢測方法的研究16231等效正弦檢測方法16232光學動態(tài)靶標檢測方法17233等效正弦、等效目標與動態(tài)靶標運動軌跡頻譜比較19234快速運動目標的室內(nèi)檢測方法的探討212341單軸檢測方法212342等效目標引導(dǎo)檢測方法222343光學動態(tài)靶標檢測與仿真相結(jié)合2224本章總結(jié)22第三章加速度滯后補償提高光電經(jīng)緯儀跟蹤快速運動目標精度方法的研究2331引言2332提高光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)跟蹤精度的現(xiàn)有途徑23321前饋控制23322速度滯后補償24323共軸跟蹤技術(shù)24324動態(tài)高型控制方法25325新型控制策略的應(yīng)用2533加速度滯后補償提高光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)跟蹤快速運動目標精度方法的研究25331加速度滯后補償原理26332加速度滯后補償提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度分析273321加速度滯后補償對系統(tǒng)速度、加速度品質(zhì)因數(shù)的影響273322加速度滯后補償對系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的影響29333加速度滯后補償方法提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度仿真313331等效正弦穩(wěn)態(tài)跟蹤精度仿真323332等效目標穩(wěn)態(tài)跟蹤精度仿真333333光學動態(tài)靶標穩(wěn)態(tài)跟蹤精度仿真35334加速度滯后補償對系統(tǒng)速度回路的影響37335加速度滯后補償對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響3934提高系統(tǒng)動態(tài)性能的補償措施40341電視跟蹤器延時環(huán)節(jié)補償42342電視跟蹤器采樣保持環(huán)節(jié)補償4335本章總結(jié)46第四章電視跟蹤伺服系統(tǒng)快速自動捕獲跟蹤方法的研究4841引言4842提高電視跟蹤伺服系統(tǒng)自動捕獲跟蹤快速運動目標的方法48421增大捕獲跟蹤視場與采用記憶跟蹤48422提高系統(tǒng)動態(tài)性能與多?？刂萍夹g(shù)49423選擇合理的捕獲跟蹤時機51424數(shù)引跟蹤與捕獲跟蹤采用相同的校正方式5243本章總結(jié)52第五章光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計及實驗結(jié)果5351引言5352“718”光電經(jīng)緯儀物理仿真環(huán)境構(gòu)成53521“718”光電經(jīng)緯儀跟蹤架54522光學傳感器及電視跟蹤器55523功率放大器55524控制計算機及其外圍電路接口56525光學動態(tài)靶標5653光電經(jīng)緯儀電視跟蹤系統(tǒng)主要參數(shù)測試56531跟蹤架頻率特性的測試56532電視跟蹤器常數(shù)測試5954光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計60541速度回路設(shè)計61542位置回路設(shè)計64543算法的數(shù)字實現(xiàn)6655電視跟蹤實驗67551電視跟蹤動態(tài)性能測試68552穩(wěn)態(tài)跟蹤精度測試705521等效正弦跟蹤精度測試705522等效目標跟蹤精度測試715523光學動態(tài)靶標跟蹤精度測試725524穩(wěn)態(tài)跟蹤實驗小結(jié)7356自動攔截捕獲跟蹤實驗74561自動攔截捕獲跟蹤控制策略74562實驗結(jié)果7557本章總結(jié)77第六章總結(jié)與展望7861總結(jié)7862展望79攻讀博士學位期間發(fā)表的論文80致謝81參考文獻82圖索引圖11光電經(jīng)緯儀方位跟蹤伺服系統(tǒng)框圖2圖12目標水平直線飛行軌跡3圖13角速度曲線4圖14角加速度曲線4圖15角加加速度曲線5圖21單輸入單輸出伺服系統(tǒng)10圖22電視跟蹤伺服系統(tǒng)數(shù)學仿真框圖12圖23SIMULINK仿真框圖14圖24沒有速度補償時的跟蹤誤差15圖25有速度補償時的跟蹤誤差15圖26靶標與光電經(jīng)緯儀空間運動關(guān)系18圖27靶標方位角速度、角加速度19圖28等效正弦頻譜20圖29等效目標頻譜20圖210動態(tài)靶標頻譜20圖211單軸檢測示意圖21圖31加速度滯后補償原理框圖26圖32圖31的簡化圖27圖33沒有滯后補償?shù)南到y(tǒng)開環(huán)BODE圖30圖34帶有速度滯后補償?shù)南到y(tǒng)開環(huán)BODE圖30圖35帶有速度、加速度滯后補償?shù)南到y(tǒng)開環(huán)BODE圖31圖36等效正弦運動曲線32圖37等效正弦跟蹤誤差曲線33圖38等效目標運動曲線34圖39等效目標跟蹤誤差曲線34圖310光學動態(tài)靶標運動曲線35圖311光學動態(tài)靶標跟蹤誤差曲線36圖312速度回路開環(huán)BODE圖38圖313速度回路閉環(huán)BODE圖38圖314速度回路階躍響應(yīng)曲線39圖315單位階躍響應(yīng)40圖316不考慮電視跟蹤器的單位階躍響應(yīng)41圖317電視延時滯后與補償結(jié)果43圖318電視延時滯后補償后單位階躍響應(yīng)43圖319電視采樣保持與補償結(jié)果45圖320電視延時滯后補償后單位階躍響應(yīng)45圖321插值補償與零階保持補償共同補償結(jié)果46圖41多模控制結(jié)構(gòu)圖51圖42目標與視場的位置、運動關(guān)系圖51圖51光電經(jīng)緯儀物理仿真環(huán)境53圖52物理仿真光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)硬件關(guān)系圖54圖53跟蹤架頻率特性測試57圖54跟蹤架頻率特性曲線58圖55電視跟蹤器滯后時間常數(shù)測試結(jié)果60圖56速度開環(huán)的BODE圖62圖57速度回路閉環(huán)BODE圖62圖58實測速度回路閉環(huán)BODE圖63圖59速度回路階躍響應(yīng)64圖510程序流程框圖67圖511電視跟蹤器沒有補償?shù)南到y(tǒng)階躍響應(yīng)68圖512電視跟蹤器只有插值補償?shù)南到y(tǒng)階躍響應(yīng)69圖513電視跟蹤器只有零階保持補償?shù)南到y(tǒng)階躍響應(yīng)69圖514電視跟蹤器插值、零階保持補償?shù)南到y(tǒng)階躍響應(yīng)70圖515等效正弦穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差71圖516等效目標穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差72圖517光學動態(tài)靶標穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差73圖518線性校正2BODE圖75圖519目標以最大11/S穿越視場過程76圖520電視捕獲跟蹤過程76表索引表11典型光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)指標6表21跟蹤誤差結(jié)果比較16表31等效正弦跟蹤誤差比較33表32等效目標跟蹤誤差比較33表33動態(tài)靶標跟蹤誤差比較36表51等效正弦穩(wěn)態(tài)跟蹤結(jié)果71表52等效目標穩(wěn)態(tài)跟蹤結(jié)果72表53光學動態(tài)靶標穩(wěn)態(tài)跟蹤結(jié)果73表54仿真與實測跟蹤誤差關(guān)系74第一章緒論11光電經(jīng)緯儀簡介靶場用光電經(jīng)緯儀（簡稱光電經(jīng)緯儀）是靶場用來測試外彈道跟蹤數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的光學測量儀器，也是校準無線電測控設(shè)備的基本設(shè)備。與無線電測量設(shè)備相比它具有精度高、直觀性強（可記錄目標圖像），不受地面雜波干擾等優(yōu)點。光電經(jīng)緯儀一般主要由光學系統(tǒng)（望遠鏡）、跟蹤伺服系統(tǒng)（包括跟蹤電視、跟蹤架、跟蹤處理器和電控）、測角系統(tǒng)（方位、俯仰編碼器）、記錄系統(tǒng)（攝影機、測量電視）等組成1。光電經(jīng)緯儀測量是一種跟蹤測量，當目標進入光學測量的視場內(nèi)后，伺服系統(tǒng)捕獲鎖定目標，然后一直跟蹤目標，保證目標一直位于光學測量的視場內(nèi)，記錄系統(tǒng)同時記下目標相對視場中心的偏差脫靶量，測角系統(tǒng)測量出視場中心的方位角和高低角，和脫靶量共同合成目標的實際角位置。因此，經(jīng)緯儀測量是一種極坐標下的二維角度位置信息測量。由光電經(jīng)緯儀測量原理過程可以看出，伺服系統(tǒng)在測量中占有極其重要的地位。伺服系統(tǒng)的捕獲、跟蹤性能決定了經(jīng)緯儀測量運動目標的能力。光電經(jīng)緯儀共有方位角、俯仰角兩套相互獨立的跟蹤伺服系統(tǒng)。從控制原理角度來看，除了方位系統(tǒng)有正割補償環(huán)節(jié)以外，兩套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，是一種典型的帶有速度內(nèi)回路的雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動系統(tǒng)。圖11是光電經(jīng)緯儀方位跟蹤伺服系統(tǒng)框圖2。如圖11所示，根據(jù)跟蹤誤差產(chǎn)生的方式不同，光電經(jīng)緯儀跟蹤又分為半自動跟蹤、電視自動跟蹤和數(shù)引隨動跟蹤。半自動跟蹤是操作手通過瞄準望遠鏡檢測誤差，操縱單桿進行跟蹤。電視自動跟蹤是電視視頻信號通過電視跟蹤器處理以后得到位置誤差，進行跟蹤。數(shù)引跟蹤是計算機或其他引導(dǎo)設(shè)備（如雷達等）給出目標的位置及其速度，引導(dǎo)經(jīng)緯儀對目標跟蹤。早期的光電經(jīng)緯儀多是半自動跟蹤，人作為調(diào)節(jié)器的頻帶寬度是很小的，捕獲、跟蹤能力受到極大限制，目標的運動參數(shù)大時，需要以自動跟蹤為主1。當具有可靠的數(shù)引信息時，數(shù)引跟蹤具有速度信息，可以構(gòu)成復(fù)合控制，提高跟蹤精度。但如果引導(dǎo)信息不夠準確或沒有引導(dǎo)信息時，便無法采用數(shù)引跟蹤。因此，電視自動跟蹤是最為經(jīng)常使用的一種跟蹤方式。圖11光電經(jīng)緯儀方位跟蹤伺服系統(tǒng)框圖FIG11DIAGRAMOFEOTHEODOLITEAZIMUTHSERVOSYSTEM12快速運動目標對電視跟蹤的影響分析光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)是一個單輸入單輸出的位置伺服系統(tǒng)，如果忽略外部干擾的影響，在輸入端作用一個連續(xù)時間的變化量，則指令輸入和實際輸出之間將存在一個穩(wěn)態(tài)誤差。如果已知輸入的各次導(dǎo)數(shù)，則穩(wěn)態(tài)誤差一般表示為3（11）其中、分別稱為位置、速度、加速度品質(zhì)因數(shù)，它們的數(shù)值取決于伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由此可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不僅取決于系統(tǒng)本身的性質(zhì)還與輸入信號的形式有關(guān)?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)一般設(shè)計成I型系統(tǒng)，此時。在跟蹤時，運動目標的輸入角高階導(dǎo)數(shù)若很小，則I型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差近似為3（12）從公式12看出，當目標輸入角的高階導(dǎo)數(shù)很小，即目標的機動性很小時，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與運動目標的角速度、角加速度成正比。當角速度、角加速度電機功率放大速度校正X測速反饋位置反饋校正放大單桿引導(dǎo)信息電視工作方式轉(zhuǎn)換PID正割校正放大X前饋AIVIPIKTTTTPKVAPKAIVITTT及高階導(dǎo)數(shù)很大時，誤差遠比公式12計算的誤差要大。由于跟蹤目標的光學視場有限，穩(wěn)態(tài)誤差過大將導(dǎo)致目標逃離視場，造成跟蹤失敗。運動目標角速度、角加速度及高階導(dǎo)數(shù)與目標的運動特性和經(jīng)緯儀測量時的布站距離存在著函數(shù)關(guān)系。以目標以等速、等高、直線通過經(jīng)緯儀時的情況為例進行分析，見圖124。實際目標運動特性可能要復(fù)雜的多，為了便于分析本論文將等速、等高、直線通過經(jīng)緯儀的目標稱為等效目標。圖12目標水平直線飛行軌跡FIG12TRAJECTORYOFHORIZONTALLYFLYINGOBJECT圖12中，目標沿水平直線飛行，O點為光電經(jīng)緯儀系統(tǒng)所在位置，V為目標水平速度，X0為航路捷徑。目標方位角、角速度、角加速度、角加加速度分別為（13）（14）（15）（16）圖13、圖14、圖15分別是當X02000米時，目標速度為16MAH所對應(yīng)的光電經(jīng)緯儀的角速度、角加速度和角加加速度的變化曲線。從圖中可以看出，當目標直線運動的速度為6MAH時，在航捷點附近，目標具AA/0XVTARCGAADT2COST2202CSIN/AAACOSIO/33VDTVTOT0TTR0RAEX0圖13角速度曲線FIG13ANGULARVELOCITYCURVES圖14角加速度曲線FIG14ANGULARACCELERATIONCURVES407EED282S287EE/88圖15角加加速度曲線FIG15ANGULARJERKCURVES有5844/S最大角速度、3872/S2最大角加速度和12161/S3的最大角加加速度，這對I型控制系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的跟蹤誤差，以至于導(dǎo)致跟蹤失敗。因此，研制適應(yīng)大角速度、角加速度乃至大角加加速度的伺服系統(tǒng)，成為光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)的主要研究目標之一。13國內(nèi)外光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀從六十年代初期，國內(nèi)有科學院的幾個研究所、廠開始研制靶場測試用經(jīng)緯儀。其中，長春光機所和成都光電所是目前國內(nèi)靶場用大型光電經(jīng)緯儀的主要研制單位，代表了國內(nèi)技術(shù)的最高水平。長春光機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，在國內(nèi)一直處于領(lǐng)先水平5。表11是長春光機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5。000007EED88表11典型光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)指標TABLE11TYPICALEOTHEODOLITESERVOSYSTEMTECHNOLOGYPARAMETERS項目代號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沈陽自動化所研制的多功能彈道跟蹤檢測系統(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由以上國內(nèi)光電經(jīng)緯儀伺服跟蹤系統(tǒng)技術(shù)指標可以看出，國內(nèi)的光電經(jīng)緯儀跟蹤運動目標的現(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。國外的靶場光電經(jīng)緯儀，在跟蹤運動目標能力的提法上同國內(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。美國白沙靶場研制的發(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，事后測量精度10207。法國SFIM公司的“TROP”光電經(jīng)緯儀跟蹤測量系統(tǒng)，動態(tài)性能已達到最大角速度120/S，最大角加速度200/S28。美國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)指標提法的不同，直接將國外光電經(jīng)緯儀的伺服系統(tǒng)技術(shù)水平與國內(nèi)技術(shù)相比較比較困難。14本論文主要內(nèi)容及其意義1999年，長春光機所承擔了為國內(nèi)某靶場研制新型光電經(jīng)緯儀的任務(wù)，電視跟蹤伺服系統(tǒng)要求目標最大角速度50/S、角加速度30/S2情況下，電視跟蹤誤差3。而目前我所光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)水平是在保證跟蹤誤差3的情況下，最大工作角速度30/S，最大工作角加速度10/S2，顯然以目前的技術(shù)無法滿足新型光電經(jīng)緯儀跟蹤性能要求。本論文正是以該項目為依托，解決其伺服系統(tǒng)在目標大角速度、大角加速度情況下高精度跟蹤和快速捕獲的技術(shù)難點。該技術(shù)的實現(xiàn)，將提高我國靶場光電經(jīng)緯儀的電視跟蹤伺服系統(tǒng)技術(shù)性能，對于國防建設(shè)意義重大。圍繞著光電經(jīng)緯儀電視跟蹤系統(tǒng)技術(shù)指標的實現(xiàn)，本論文主要研究工作和內(nèi)容如下第一章是“緒論”，簡要介紹了光電經(jīng)緯儀功能及組成原理；提出了目前光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)主要技術(shù)難點；概述了光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀；最后提出了本論文研究工作的內(nèi)容和意義。第二章是“光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度評價及室內(nèi)檢測方法的研究”，通過理論分析和仿真驗證證明了現(xiàn)在工程上常用的伺服系統(tǒng)精度評價及檢測方法無法適應(yīng)快速運動目標的評價與檢測，根據(jù)工程需要針對快速運動目標的跟蹤精度評價及室內(nèi)檢測提出了幾個可行的方案。第三章是“加速度滯后補償提高光電經(jīng)緯儀跟蹤快速運動目標精度方法的研究”。首先，總結(jié)了光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)綜合常用方法；提出了加速度滯后補償提高光電經(jīng)緯儀電視跟蹤系統(tǒng)精度的方法，并且從幾個方面分析了加速度滯后補償提高精度的原因和對伺服系統(tǒng)的影響，通過仿真驗證了其對提高跟蹤精度的有效性；對影響電視跟蹤伺服系統(tǒng)性能的電視跟蹤器延時和采樣保持造成的相位滯后進行了補償研究。第四章是“電視跟蹤伺服系統(tǒng)快速自動捕獲跟蹤方法的研究”。對影響自動捕獲跟蹤的主要因素進行了分析，提出了提高光電經(jīng)緯儀自動捕獲跟蹤的幾種有效方法。第五章是“光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計及實驗結(jié)果”。通過一個實際系統(tǒng)的設(shè)計和實際跟蹤測試，對本論文提出的理論和方法進行了實驗驗證，給出了實際實驗結(jié)果。第六章是“結(jié)論與展望”。對論文的創(chuàng)新工作進行了總結(jié)，并且就光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)的發(fā)展闡述了自己的想法。第二章光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度評價及室內(nèi)檢測方法的研究21引言光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)是一個單輸入、單輸出位置隨動系統(tǒng)，對于該系統(tǒng)有多種設(shè)計方法，其中對數(shù)頻域法是一種極為成熟有效的方法10。工程上，對于采用對數(shù)頻域法設(shè)計的伺服系統(tǒng)，其設(shè)計跟蹤精度評價方法一般采用動態(tài)誤差系數(shù)法。本節(jié)通過分析動態(tài)誤差系數(shù)法的來源，以及建立仿真模型仿真驗證等手段，分析和驗證了動態(tài)誤差系數(shù)法評價方法在跟蹤快速運動目標情況下存在較大的原理誤差，提出應(yīng)采用等效目標作為輸入，采用數(shù)學仿真手段評價跟蹤精度。目前工程上，現(xiàn)有的等效正弦和動態(tài)光學靶標等電視跟蹤伺服系統(tǒng)的室內(nèi)檢測方法，無法提供滿足外場實際快速運動目標運動狀態(tài)的模擬目標。本節(jié)對此問題進行了探討，提出了幾種電視跟蹤伺服系統(tǒng)室內(nèi)檢測方法。22電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度評價方法的研究工程上往往只提出目標最大工作角速度、角加速度下的伺服系統(tǒng)的最大跟蹤誤差611。因此，常常用公式21衡量電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度4。21一般，只要設(shè)計的伺服系統(tǒng)的速度品質(zhì)因數(shù)、加速度品質(zhì)因數(shù)滿足VKAK公式22，即認為滿足設(shè)計跟蹤精度要求。22AIVIKTTTMAX22AVK這種用速度、加速度品質(zhì)因數(shù)衡量伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟蹤精度的方法基礎(chǔ)是伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)系數(shù)分析方法。通過穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)系數(shù)的分析將會發(fā)現(xiàn)，如果對于加速度比較大，機動性比較強的運動目標采用該方法計算跟蹤精度，存在很大誤差。221評價電視跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度的動態(tài)誤差法光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)是一個單輸入單輸出的位置伺服系統(tǒng)，如圖21所示。圖21單輸入單輸出伺服系統(tǒng)FIG21SISOSERVOSYSTEM按照控制原理12，不含有積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，含有1個積SW分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，以此類推，含有幾個積分環(huán)節(jié)，就是幾型系統(tǒng)。0型系統(tǒng)對恒定位置輸入會產(chǎn)生一個固定穩(wěn)態(tài)誤差，對等速度、加速度輸入誤差為無窮大。I型系統(tǒng)對恒定位置輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，對等速度輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為一個固定值、對等加速度輸入誤差無窮大。II型系統(tǒng)對恒定位置輸入、等速度輸入的的穩(wěn)態(tài)誤差為零，等加速度輸入誤差為一固定值。一般來說，II型以上的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)通常設(shè)計成I型系統(tǒng)。由緒論分析知道，光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)的輸入不是一個等速度或等加速度信號，因此分析其穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差不能采用理想輸入信號分析，通常采用動態(tài)誤差法。如圖21所示，伺服系統(tǒng)誤差信號的拉氏變換式是23通常，在坐標原點無極點，則可在鄰域內(nèi)展成泰勒級數(shù)SESE01SRWSREESXTRTYT形式1024將變換成原函數(shù)，得25式中、是誤差系數(shù)。0C1NC也可以將上式寫成26，01CKP1V21CKA、，分別稱為位置、速度、加速度品質(zhì)因數(shù)。對于I型系統(tǒng)VA，通常在運動目標的輸入角的高階導(dǎo)數(shù)很小時，I型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤PTR差近似為27公式27就是工程上用來評價伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度的依據(jù)。由以上公式推導(dǎo)過程來看，公式27能成立的前提是，在頻域來說相當于，0S0就是說輸入信號的頻譜應(yīng)處于低頻段，至少大部分是在低頻段10，也就是目標的機動性不能太大，高階導(dǎo)數(shù)應(yīng)很小。同時，可以看出跟蹤誤差的大小同目標運動狀態(tài)有直接關(guān)系。即使目標運動過程中，有相同的最大速度和最大加速度，因高階導(dǎo)數(shù)的差異，跟蹤精度也不會相同。從緒論中對光電經(jīng)緯儀跟蹤目標的角位置運動特性分析得知，當經(jīng)緯儀布站航捷距離一定時，經(jīng)緯儀跟蹤目標的角速度角、角加速度與目標運動特性有關(guān)。當目標運動的速度較低時，角速度、角加速度及其高階導(dǎo)數(shù)很小，因此可以采用公式27計算的跟蹤誤差。當目標運動的速度很快時，目標角速度、角SRSEENVPDTRCDTTRDTTRTE3221DTKTDTEAVNESCSC210NDTRCDTRTTT210加速度及其高階導(dǎo)數(shù)急劇增大，用該公式計算分析設(shè)計系統(tǒng)的跟蹤精度將導(dǎo)致很大的誤差。即工程上只采用速度、加速度品質(zhì)因數(shù)評價伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度的方法不盡合理。當然，不是說，速度、加速度品質(zhì)因數(shù)評價伺服系統(tǒng)跟蹤精度的方法是錯誤的，它還是一定程度上反映了設(shè)計系統(tǒng)的跟蹤目標運動速度、加速度的能力。仿真技術(shù)的發(fā)展，為如何合理評價光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)的設(shè)計跟蹤精度帶來了方便。只要建立完善的伺服系統(tǒng)仿真模型和實際輸入目標信息，就可以方便地評價伺服系統(tǒng)設(shè)計跟蹤精度，而不必只依賴并不精確的速度品質(zhì)因數(shù)、加速度品質(zhì)因數(shù)方法。222光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)數(shù)學仿真模型圖22電視跟蹤伺服系統(tǒng)數(shù)學仿真框圖FIG22SIMULATIONDIAGRAMFORTVTRACKSYSTEM圖22是電視跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學仿真框圖13。它由輸入目標、電視跟蹤器、位置回路校正放大以及速度回路和速度滯后補償環(huán)節(jié)組成。輸入目標是模擬實際目標運行軌跡的信號發(fā)生器，可以是正弦信號、等速運動目標信號及旋轉(zhuǎn)靶標等各種需要模擬的目標信號。電視跟蹤器是由攝象機和信號處理電路組成，是一個誤差檢測元件。SGTV其數(shù)學模型包括一個具有有限視場范圍的比例環(huán)節(jié)、延時環(huán)節(jié)和采樣TVKSESGPCXSIGNALXSVCSGPHMTVSVFDI保持環(huán)節(jié)。為圖像信號建立、掃描以及傳輸?shù)榷喾N原因形成的滯后SE10時間。為跟蹤器一幀圖像保持時間。0是位置回路校正放大環(huán)節(jié)，電視跟蹤伺服系統(tǒng)位置回路的設(shè)計主要SGPC就是確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。是速度回路校正放大環(huán)節(jié)，其參數(shù)和結(jié)構(gòu)在速度回路設(shè)計時確定。VC數(shù)字脈沖調(diào)寬環(huán)節(jié)是一個采樣保持環(huán)節(jié)，當PWM執(zhí)行頻率很高時SGH可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)14。PWM功率放大環(huán)節(jié)是一個比例環(huán)節(jié)。SPPK控制對象是跟蹤架，為了提高機械諧振頻率，一般采用力矩電機和跟蹤架直接耦合傳動方式，在不考慮高頻諧振時，其傳遞函數(shù)為，是機SGMT電時間常數(shù)，是電氣時間常數(shù)，是電機反電勢系數(shù)。ETEK是用編碼器位置差分測速方法的測速環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，速度回路SGVFST的采樣周期。是速度到位置的積分環(huán)節(jié)。SI1是速度滯后補償環(huán)節(jié)3，其傳遞函數(shù)為，是滯后GVDSTSGVDVD1補償系數(shù)，是低通濾波時間常數(shù)。TSTSGVF5011/SSEM1501STEWMSTPWM223基于MATLAB/SIMULINK的電視跟蹤伺服系統(tǒng)仿真近年來，MATHWORKS公司的仿真工具軟件MATLAB/SIMULINK以其方便的圖形化系統(tǒng)模型輸入和仿真結(jié)果顯示，在控制系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用15。本節(jié)基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件，以某一實際光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)參數(shù)，進行了針對有相同最大角速度50/S、最大角加速度30/S2的正弦運動目標（稱作等效正弦4）和在航捷點具有最大角速度50/S、最大角加速度30/S2等速直線運動目標（稱作等效目標）的跟蹤精度進行了對比仿真實驗。圖23是SIMULINK仿真框圖。為了確保仿真模型可靠，控制對象的傳遞函數(shù)參數(shù)和其他參數(shù)取實際測試的數(shù)值或?qū)嶋H使用的值?？刂茖ο蟀üβ史糯笃鳝h(huán)節(jié)的實測傳遞函數(shù)是10379SSG速度回路的采樣頻率和PWM執(zhí)行頻率取400HZ；電視采樣頻率為50HZ，信號處理延時002MS。速度回路和位置回路的校正參數(shù)如圖23中所示。仿真采用速度滯后補償方法3，提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。圖23SIMULINK仿真框圖FIG23SIMULINKSIMULATIONDIAGRAM圖24是沒有速度滯后補償時的等效正弦和等效目標的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差仿真曲線。圖25是加入速度滯后補償時的等效正弦和等效目標的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差仿真曲線。表21是有速度滯后補償、和沒有速度滯后補償時的計算與仿真跟蹤誤差比較。圖24沒有速度補償時的跟蹤誤差FIG24TRACKINGERRORWITHOUTVELOCITYCOMPENSATION圖25有速度補償時的跟蹤誤差FIG24TRACKINGERRORWITHVELOCITYCOMPENSATION02002468/18F/802002468/18F/8表21跟蹤誤差結(jié)果比較TABLE21COMPARISITIONOFTRACKINGERRORS通過比較可以發(fā)現(xiàn)，對于等效正弦目標，利用速度、加速度品質(zhì)因數(shù)求得的跟蹤誤差與仿真跟蹤誤差差別不是很大，而等效目標的計算跟蹤誤差和仿真跟蹤誤差則相差極大。主要原因是二者雖然最大角速度、角加速度相同，但等效目標的加加速度乃至更高階導(dǎo)數(shù)遠遠大于等效正弦。這充分證明了對于快速運動目標采用傳統(tǒng)的速度、加速度品質(zhì)因數(shù)評價跟蹤精度存在極大的原理誤差。對于小角加速度及高階導(dǎo)數(shù)很小的運動目標，可以采用速度、加速度品質(zhì)因數(shù)進行評價；對于大角速度、角加速度乃至更大高階導(dǎo)數(shù)的目標穩(wěn)態(tài)跟蹤精度評價，采用仿真技術(shù)進行評價不失為一種有效方法。通過比較還可以發(fā)現(xiàn)，雖然對快速運動目標，利用速度、加速度品質(zhì)因數(shù)計算跟蹤誤差并不準確，但速度、加速度品質(zhì)因數(shù)還是從一定程度上反應(yīng)了系統(tǒng)的跟蹤性能，即速度、加速度品質(zhì)因數(shù)越大，系統(tǒng)跟蹤精度越高。23光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)室內(nèi)檢測方法的研究在光電經(jīng)緯儀裝校過程中，對設(shè)備的動態(tài)性能檢測是非常必要的。目前工程上，光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)室內(nèi)檢測方法主要有等效正弦、旋轉(zhuǎn)光學靶標檢測等方法611。對于大角速度、角加速度實際運動目標，這兩種室內(nèi)檢測方法，均無法檢測。因此，需要解決工程上急需的光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)室內(nèi)檢測方法。231等效正弦檢測方法對于任何運動軌跡都可以用傅立葉分析分解成若干個正弦曲線，所以可以用一個或幾個正弦運動代替目標運動。用一個與運動目標具有相同角速度和角目標特性等效正弦等效目標VKA伺服系統(tǒng)沒有速度滯后補償有速度滯后補償?shù)刃繕说刃д矣嬎愀櫿`差仿真跟蹤誤差1598636911598636915252797021437310758131379702143731668加速度的正弦代替目標的運動，該正弦信號就稱為等效正弦4。當只已知目標運動最大角速度、最大角加速度時，則可以求出一MAXMAX個等效正弦，用來檢測伺服系統(tǒng)跟蹤精度。1T28等效正弦振幅為29等效正弦的角頻率為210周期為211顯然，的最大角速度、最大角加速度分別為和。1TMAXA等效正弦檢測伺服系統(tǒng)跟蹤精度的方法大大簡化了實際運動目標模型，是一種完全理想的狀態(tài)。如前面所述，當實際運動目標快速運動時，等效正弦的跟蹤誤差將會與實際運動目標的跟蹤誤差有很大出入。同時，等效正弦是通過計算機模擬產(chǎn)生引導(dǎo)光電經(jīng)緯儀進行跟蹤檢測，并不經(jīng)過電視跟蹤器，無法檢測電視跟蹤器的性能。所以，等效正弦檢測方法不適合檢測光電經(jīng)緯儀電視伺服系統(tǒng)跟蹤大角速度、角加速度運動目標時的跟蹤精度。232光學動態(tài)靶標檢測方法光學動態(tài)靶標是一個室內(nèi)模擬外場運動目標的裝置。它是一個旋轉(zhuǎn)電機帶動的平行光管，平行光管發(fā)出的平行光模擬外場飛行的目標。通過改變電機的轉(zhuǎn)速，可以改變目標在方位和高低方向上的角速度以及角加速度，實現(xiàn)對不同運動目標的模擬，引導(dǎo)光電經(jīng)緯儀運動，從而實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀方位、高低電視SIN1MAX1TTMAX2AMAX112T跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤精度的檢測1617。圖26是靶標與光電經(jīng)緯儀空間運動關(guān)系圖。O點是光電經(jīng)緯儀水平軸和垂直軸的交點，S點是靶標上模擬目標的光點，直線OR是靶標旋轉(zhuǎn)的軸圖26靶標與光電經(jīng)緯儀空間運動關(guān)系FIG26THESPACERELATIONBETWEENTARGETANDTHEODOLITE線。檢測時，靶標在垂直于OR軸線的平面內(nèi)作圓周運動。假定目標在最高位置點S0開始運動到S點，經(jīng)緯儀的視軸也由OS0運動到OS，A為目標S點出射光與靶標旋轉(zhuǎn)軸線OR的夾角，也是跟蹤時經(jīng)緯儀視軸與靶標旋轉(zhuǎn)軸線的夾角，B為旋轉(zhuǎn)軸線OR與水平面的傾角，A為經(jīng)緯儀方位運動角，E為經(jīng)緯儀高低角。一但確定了靶標與經(jīng)緯儀的相互位置關(guān)系，A和B值也就確定。目標從S0運動到S點時，相對于旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)角為WT。根據(jù)球面三角定理，方位角A、高低角E都將隨角的變化按下述公式改變（212）（213）由此可得A、E值為（214）（215）由此，可以求出、，、。E光學動態(tài)靶標可以同時為經(jīng)緯儀的方位和高低電視跟蹤伺服系統(tǒng)提供模擬XZYABAEORS0SWTCOSSINCOSSINBABAC/IOS/INARCSICOSIBAB目標，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是，隨著目標角速度、角加速度的提高，光學動態(tài)靶標的局限性也越來越明顯，主要是不能滿足模擬實際運動目標運動狀態(tài)的要求。圖27靶標方位角速度、角加速度FIG27TARGETAZIMUTHANGULARVELOCITYANDACCELERATION光電經(jīng)緯儀的方位伺服系統(tǒng)要求跟蹤最大角速度50/S、最大角加速度30/S2的目標，而光學動態(tài)靶標無法給出同時滿足最大速度、最大加速度要求的模擬目標。圖27是A158，B221，靶標旋轉(zhuǎn)周期為48秒時的方位引導(dǎo)角速度、角加速度曲線。從圖中可以看出當滿足最大角加速度時30/S2，最大角速度才為26/S。233等效正弦、等效目標與動態(tài)靶標運動軌跡頻譜比較我們也可以從等效正弦、等效目標和光學動態(tài)靶標的運動軌跡頻譜角度分析等效正弦和動態(tài)靶標檢測快速運動目標的不合理性。圖28、圖29是最大速度都為50/S，最大加速度都為30/S2的等效正弦和等效目標的運動軌跡頻譜。圖210是動態(tài)靶標旋轉(zhuǎn)周期為44秒，方位引導(dǎo)最大速度為30/S，最大加速度為38/S2時的方位角軌跡頻譜。比較三者，動態(tài)靶標方位引導(dǎo)角軌跡頻譜峰值頻率最大，說明機動性最強；088F/8F20051015202468102FREQUNCYHZAMPLITUDE等效正弦與等效目標的頻譜峰值頻率雖然基本相同，但等效正弦的頻譜范圍要比等效目標窄得多。因此，對于快速運動目標的檢測，等效正弦和動態(tài)靶標都不適合。圖28等效正弦頻譜FIG28FREQUENCYSPECTRUMOFEQUIVALENTSINE圖29等效目標頻譜FIG29FREQUENCYSPECTRUMOFEQUIVALENTTARGET圖210動態(tài)靶標頻譜FIG210FREQUENCYSPECTRUMOFDYNAMICTARGET00510152020460810FREQUNCYHZAMPLITUDE005101520204608FREQUNCYHZAMPLITUDE234快速運動目標的室內(nèi)檢測方法的探討2341單軸檢測方法通過前面的分析知道，傳統(tǒng)的光電經(jīng)緯儀室內(nèi)檢測方法無法實現(xiàn)對快速運動目標的室內(nèi)檢測，主要是無法提供與實際運動目標運動狀態(tài)相一致的模擬目標。文獻17提出的一種利用光學旋轉(zhuǎn)靶標進行單軸檢測的方法值得借鑒。圖211是光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)單軸檢測示意圖。平行光管安裝在可以旋轉(zhuǎn)的支架上，旋轉(zhuǎn)軸與被檢測的光電經(jīng)緯儀垂直軸同軸。旋轉(zhuǎn)軸由精密軸系、編碼器和伺服電機等組成，通過控制微機構(gòu)成一個位置伺服系統(tǒng)，支架在控制微機的引導(dǎo)下可以模擬實際目標的角運動狀態(tài)。當引導(dǎo)規(guī)律采用等效目標運動軌跡時，可以提供要求的按最大角速度、角加速度運動的目標。雖然單軸檢測的方法只能對光電經(jīng)緯儀的方位伺服系統(tǒng)進行檢測，但考慮到光電經(jīng)緯儀一般方位伺服系統(tǒng)跟蹤指標要高于高低伺服系統(tǒng)，而且高低伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量遠低于方位系統(tǒng)，只要方位系統(tǒng)的精度指標達到，高低系統(tǒng)一般也能達到。圖211單軸檢測示意圖FIG211DIAGRAMOFSINGLEAXISTEST單軸檢測方法需要回轉(zhuǎn)精度較高的旋轉(zhuǎn)支架，而且要求與經(jīng)緯儀的垂直軸系同軸。對于大型光電經(jīng)緯儀，需要能作很大的旋轉(zhuǎn)半徑運動的旋轉(zhuǎn)支架，檢測設(shè)備龐大，且不易調(diào)試。平行光管經(jīng)緯儀支架2342等效目標引導(dǎo)檢測方法如果已經(jīng)測出電視跟蹤器的傳遞函數(shù)（主要是滯后時間常數(shù)），可以采用等效目標引導(dǎo)檢測的方法檢測伺服系統(tǒng)跟蹤精度。如同等效正弦檢測伺服系統(tǒng)精度一樣，由計算機產(chǎn)生所要求的最大角速度、最大角加速度等效目標引導(dǎo)信息，與編碼器反饋值相減產(chǎn)生同電視跟蹤器采樣頻率和滯后時間一樣的跟蹤誤差，引導(dǎo)經(jīng)緯儀運動，只要最大跟蹤誤差小于伺服系統(tǒng)精度指標，即說明伺服系統(tǒng)滿足指標要求。等效目標引導(dǎo)檢測方法，可以提供與實際目標相一致的模擬目標，但無法直接檢測電視跟蹤器的性能。2343光學動態(tài)靶標檢測與仿真相結(jié)合光學動態(tài)靶標檢測方法，簡單實用，只不過不能產(chǎn)生與實際目標運動狀態(tài)一致的模擬目標。我們可以將光學動態(tài)靶標檢測與仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對快速運動目標的檢測。具體方法是建立光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)、光學動態(tài)靶標和等效目標的數(shù)學仿真模型，然后仿真靶標作為輸入時的伺服系統(tǒng)跟蹤精度，接著測試與仿真條件相同跟蹤靶標時的跟蹤精度。通過對比仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果，驗證伺服系統(tǒng)仿真模型的準確性。如果仿真跟蹤精度與實際測試跟蹤精度在誤差的允許范圍內(nèi)，說明伺服系統(tǒng)模型準確可靠。然后，將滿足角速度、角加速度要求的等效目標作為仿真輸入，如果此時仿真跟蹤精度滿足指標要求，說明光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)滿足指標技術(shù)要求。24本章總結(jié)本章在分析傳統(tǒng)的伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計精度評價和室內(nèi)檢測方法的基礎(chǔ)上，論證了傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)對快速運動目標的評價與檢測，從工程實用角度提出了伺服系統(tǒng)設(shè)計精度評價和室內(nèi)檢測方法，對于指導(dǎo)電視跟蹤伺服系統(tǒng)工程設(shè)計和檢測有重要參考價值。第三章加速度滯后補償提高光電經(jīng)緯儀跟蹤快速運動目標精度方法的研究31引言從第一章和第二章分析知道，目前的光電經(jīng)緯儀電視跟蹤伺服系統(tǒng)無法滿足光電經(jīng)緯儀提出的對最大角速度50/S、角加速度30/S2運動目標跟蹤誤差小于3指標要求。為了實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)跟蹤快速運動目標精度指標，需要尋找提高光電經(jīng)緯儀快速運動目標跟蹤精度的方法。32提高光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)跟蹤精度的現(xiàn)有途徑按照控制原理，在一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，提高精度必須提高增益或增加積分環(huán)節(jié)以提高無靜差度。但提高增益會增大系統(tǒng)帶寬，受到機械性能和傳感器采樣頻率的限制，帶寬不能隨意增大。增加積分環(huán)節(jié)將影響甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性12。因此，必須探求提高光電經(jīng)緯儀伺服系統(tǒng)跟蹤快速運動目標精度的新方法。321前饋控制前饋控制是在閉環(huán)控制系統(tǒng)增加一開環(huán)控制支路,用來提供輸入信號的一階、二階導(dǎo)數(shù)，使系統(tǒng)靜差度提高，較好地解決了精度與穩(wěn)定性之間的矛盾問題。這種系統(tǒng)稱為前饋控制或復(fù)合控制系統(tǒng)12。構(gòu)成復(fù)合控制的關(guān)鍵在于得到目標的角速度、角加速度信號，但電視跟蹤系統(tǒng)中無法直接得到。文獻（19）（20）探討了采用電視跟蹤脫靶量與編碼器合成目標位置，然后再對位置進行微分濾波的方法求取目標速度的方法。由于電視與編碼器采樣時間的不同步，經(jīng)微分運算，將產(chǎn)生更大的干擾，該方法并沒有獲得很好的實際使用效果。322速度滯后補償文獻（3）提出通過采用低通濾波后的儀器的速度，作為目標速度構(gòu)成一種等效的復(fù)合控制（常稱作速度滯后補償方法），來提高系統(tǒng)的跟蹤精度。該方法因簡單實用在國內(nèi)光電跟蹤設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用3610。但是即使在使用該方法后，對I型系統(tǒng)跟蹤伺服系統(tǒng)保精度速度只能提高到30/S，保精度加速度可以提高到12/S221，提高跟蹤精度能力有限。323共軸跟蹤技術(shù)傳統(tǒng)跟蹤方式存在一個基本問題從降低傳感器噪聲的角度考慮，應(yīng)減小系統(tǒng)帶寬；而為了降低系統(tǒng)動態(tài)滯后誤差，提高快速性，又必須加大系統(tǒng)帶寬。由于傳感器與伺服系統(tǒng)在一個回路中，設(shè)計中只能做作折中處理，使系統(tǒng)誤差和隨機誤差都無法降至最低，跟蹤精度受到限制。共軸跟蹤是計算機技術(shù)與復(fù)合控制技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種新思想42223。它分成兩部分，一部分由計算機接收傳感器的測量數(shù)據(jù)，進行濾波、預(yù)測，提供準確的角位置、角速度等信息；另一部分完成伺服驅(qū)動任務(wù)，以第一部分輸出的角位置信號為輸入，以角速度及高階導(dǎo)數(shù)信號為輔助輸入，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，引導(dǎo)光電跟蹤設(shè)備跟蹤目標。兩個部分各自獨立，互不影響。數(shù)據(jù)處理部分的帶寬可以很窄，以最大限度抑制跟蹤噪聲和干擾，盡可能減小隨機誤差；伺服驅(qū)動部分可有很寬的頻帶，大幅度地降低系統(tǒng)誤差，保證跟蹤的快速性和準確性。共軸跟蹤的關(guān)鍵是濾波預(yù)測技術(shù)，預(yù)測目標位置、速度和加速度等運動狀態(tài)量。常用的濾波技術(shù)有多種,有限記憶最小平方濾波、濾波、自適應(yīng)濾波和KALMAN濾波等。以上跟蹤濾波方法，對快速運動目標的跟蹤，以KALMAN濾波