民用機場光電跟蹤系統誤差分析與優化建議

沈瀟

上海東湖機械廠，上海，200439

0 引言

在現代電子信息技術快速發展的過程中，民用機場航班起降及空中狀態監測已經不再局限于雷達等設備，以光電跟蹤系統為代表的智能光學跟蹤設備能夠更好地解決目標動態穩定跟蹤的問題。雖然，民用機場光電跟蹤系統穩定性較高，但是，由于安裝基準、平臺軸向一致性等問題導致的誤差偏離對航班安全造成了一定的影響，因此，圍繞機場光電跟蹤系統的誤差優化就顯得極其重要，這也是完善民用機場安全管理系統的必然要求。

1 光電跟蹤系統簡述

區別于傳統意義上的雷達系統，光電跟蹤系統是基于可見光、紅外等對目標進行實時跟蹤定位，并通過目標解算軟件獲取目標距離、高度、航向等數據后發送至機場綜合管理平臺[1]。光電跟蹤系統功能的實現需要穩定的基準單元和準確的姿態數據，以及機場導航雷達為其提供目標初始方位，從而保證光電跟蹤系統精度。如圖1所示，光電跟蹤系統包括光電跟蹤單元、穩定單元、計算單元、供電單元、通信單元五個部分，并關聯雷達系統與綜合管理平臺。

圖1 光電跟蹤系統組成原理圖

光電跟蹤單元主要由紅外跟蹤器、視頻跟蹤器組成，是光電跟蹤系統的核心硬件，主要負責目標圖像信息的動態采集與跟蹤；穩定單元可根據實時計算結果完成光電跟蹤平臺在多個方向上的位置、角度調整；計算單元負責通信單元所有數據的搜集、存儲和處理工作；供電電源能夠為光電跟蹤系統提供包括直流、交流在內的多種供電信號，并依托DC/AC模塊具備交直流轉換的功能；通信單元不僅為系統內各單元通信提供保障，且能夠與雷達系統、綜合管理平臺進行關聯數據通信，實現系統反饋調節。

2 民用機場光電跟蹤系統誤差分析

光電跟蹤系統承擔著機場對包括航班在內空間目標監測的重要任務，其精度將直接影響機場安全，因此，民用機場光電跟蹤系統的誤差分析對于提升航班安全性就顯得極其重要。根據光電跟蹤系統設計原理可以發現，其誤差產生的原因主要包括以下幾點。

2.1 機械安裝誤差

機械誤差是動態跟蹤系統普遍存在的一種誤差類型，處機械部件本身設計、加工過程中預留公差外，在光電跟蹤系統安裝過程中未能嚴格遵守多向水平調節所導致的傾角、垂度等誤差也將對跟蹤計算結果產生影響[2]。所以，機械安裝誤差屬于人為誤差的范疇，在實際安裝過程中可以避免。

2.2 基準漂移誤差

在光電跟蹤系統的長期使用過程中主要存在兩種基準漂移誤差，針對誤差類型的不同，其誤差計算方式也存在些許區別。

2.2.1 安裝基準漂移誤差

由于機械磨損、地面沉降等原因，安裝臺面在姿態角、高度等參數方面將發生細微變化，且該誤差也將隨著時間的延長而持續增大，并最終體現為垂直軸的偏角誤差，計算公式如下：

根據光學跟蹤系統實際工作過程中垂直抽偏角誤差數據可以看出，與的數據符合正態分布，即：

假設以誤差積累周期為單位，基于垂直軸偏角誤差數據的安裝基準漂移誤差將不斷增加，最終誤差計算結果如下：

2.2.2 組合測量單元漂移誤差

為提升跟蹤精度，在光電跟蹤系統設計時除依靠主姿態測量模塊外，還在x、y、z三個軸上增加了傾角測量模塊，形成了組合測量單元，從而在主姿態測量系統離線的情況下可以持續工作一段時間[3]。通過對組合測量單元漂移誤差進行統計發現，主姿態測量模塊的漂移誤差積累曲線增長速度要明顯小于單軸傾角測量模塊，如圖2所示。

圖2 組合測量單元漂移誤差曲線示意圖

受慣性導航系統的舒拉周期振蕩以及元器件自身誤差漂移的影響，主姿態測量誤差累積曲線與單軸傾角測量誤差累積曲線所表現出明顯的周期性，且累積誤差不斷增加[4]。由于主姿態測量系統單元精度高、穩定性好，因此，其累積誤差增長速度較慢，而單軸傾角測量系統的發散性明顯偏大。

光電系統在對目標進行動態跟蹤時將發生不同程度軸向偏離，如圖3所示，為保證目標參數計算的準確度，則需要依托傾角測量單元對不同方向上的偏離角進行計算，X軸向誤差偏離公式如下：

圖3 主軸偏離坐標系分解示意圖

因此，單軸偏離誤差周期累積公式如下：

主姿態測量系統的捷聯度較高，這使得其周期補償效果要明顯優于單軸傾角測量模塊，因此，這也在一定程度上解釋了主姿態測量系統誤差累積曲線增長較慢的原因。

2.3 系統干擾噪聲誤差

在對機場光電跟蹤系統工作狀態進行檢測時發現，當伺服電機工作時，信息處理電路中將疊加大量的白噪聲，從而導致噪聲對后期目標參數計算產生影響，而光電跟蹤系統的這一誤差也被稱為干擾噪聲誤差。

如圖4所示，在伺服電機啟動時，信息處理電路中所疊加的干擾信號將呈現出明顯的交變特征，由于目標跟蹤過程中信息處理電路的整體功率增加，干擾噪聲疊加后的信號處理難度顯著增大。

圖4 光電跟蹤系統信息處理電路輸入端干擾

3 民用機場光電跟蹤系統優化建議

在民用航空運輸行業快速發展的過程中，民用機場航班管理工作壓力增大，作為航班管理信息來源的光電跟蹤系統所提供的信息精度將直接關系到航班和機場安全。因此，根據對民用機場光電跟蹤系統誤差分析結果，可提出以下幾個優化建議。

3.1 控制安裝基準誤差

為減少因安裝導致的光電跟蹤系統基準誤差，應當在光電跟蹤系統安裝之前應采取交叉水平測方法，將基準誤差精度控制在2″以內。同時，針對長期使用過程中因地質沉降等原因導致的光電跟蹤系統基準變化情況，應當為其增加基座高度調節裝置，且高度調節線性度≤0.5%。

安裝基準誤差的減小，將有利于控制垂度偏離所導致的高度誤差，尤其是在目標距離較遠的情況下，精度控制效果將更加明顯。

3.2 捷聯姿態補償設計

民用機場光電跟蹤系統需要保持較高的基準精度，而自有單軸傾角檢測模塊自身精度低，且上時間工作后的累積誤差也將明顯增加，為解決這一問題，則需要在現有系統基礎上，將主姿態檢測系統與單軸傾角檢測模塊進行捷聯，以實現精度校準和動態補償功能。

3.2.1 精度校準

通過對民用機場光電跟蹤系統單軸角測量數據與主姿態檢測系統數據之間誤差超過15′時，該系統對目標跟蹤的穩定度將下降10%，且距離（L）、速度（V）、高度（H）等測量誤差也將隨之等比例增加[5]。而精度校準則是由主姿態檢測系統在光電跟蹤系統歸零時，應通過主軸偏離坐標系對單軸傾角檢測模塊進行校準，保證校準后單軸偏離誤差控制在以1′內，為提升光電跟蹤系統對遠距離目標跟蹤精度，Z軸校準誤差偏離應控制在30″以內。

3.2.2 姿態補償

姿態補償是高精度導航系統普遍使用的一種技術手段，主姿態檢測系統與光電跟蹤系統位于同一坐標系中，并安裝在光電平臺之上，其系統組成如圖5所示。

圖5 姿態補償系統設計框圖

該姿態補償系統能夠對光電跟蹤平臺的姿態變化進行動態數據輸出，并通過數據綜合管理平臺完成姿態數據對比分析，以及通過姿態融合算法實現機場光電跟蹤系統姿態補償，并能夠動態校準單軸傾角模塊。

3.3 系統抗干擾設計

信息處理電路的噪聲干擾是民用機場光電跟蹤系統誤差的重要影響因素之一，在光電跟蹤系統設計中，應采取磁屏蔽技術和電路優化技術降低外部干擾導致的誤差。

3.3.1 磁屏蔽技術

交流伺服電機與直流電機所產生的干擾磁場雖然在頻譜分布上存在差異，但卻能通過空間電磁輻射對信息處理電路產生影響，所以，針對驅動單元應采取磁屏蔽技術控制磁通量，如增加電纜隔離層、驅動電機表面覆膜等。需要注意的是，由于光電跟蹤系統連續工作周期較長，從系統散熱等方面考慮，建議對干擾信號頻譜進行分析，選擇小于其最高頻干擾信號波長的孔徑作為網狀覆膜的參數，實現抑制磁通量的效果。

3.3.2 電路優化技術

信息處理電路對干擾較為敏感，在電路設計中，應做到以下兩點。①保證良好的接地設計，區分數字地、模擬地，并對高功、低功接地之間設置有效隔離措施；②對電路中不同信號類型的相互干擾設計，小信號敷銅走線應盡量遠離干擾源，并且對于高功信號來說，不僅要增加其走線寬度，還需要采取多層網狀覆板的設計，使其能夠達到抵消磁通量的效果。

4 結語

光電跟蹤系統是保證民用機場航班起降安全的重要設備之一，通過對光電跟蹤系統誤差分析，以及從多個方面對其進行優化設計，能夠顯著提升光電跟蹤系統精度，使其滿足差異化目標動態實時高精度跟蹤的要求。隨著電子信息技術的發展，光電跟蹤系統將朝著小型化、智能化的方向發展，集成化的姿態檢測、解算單元與電路設計也將使民用機場航班管理安全水平得到進一步改善。