光測裝備車載不落地測量平臺穩(wěn)定性研究*

李 霽 賈海薩

（92941部隊44分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

為提高靶場光測裝備快速布站能力和高度環(huán)境適應性，充分發(fā)揮光測裝備機動靈活的特點，擺脫地域限制，目前靶場主要采用車載不落地測量平臺方式完成在硬質(zhì)的戈壁、草原、水泥混凝土等場地無地基環(huán)條件下的試驗任務，該方式具有適應性強，展開時間短等特點，用來替代傳統(tǒng)的載車大梁落地或者主機落地基環(huán)的方式［1］。

但不落地測量平臺是否具備與傳統(tǒng)方式同樣的穩(wěn)定性與測量精度，是否能夠滿足靶場跟蹤測量要求，并沒有進行過有針對性的測試實驗。特別是在某些任務中目標航路捷徑短，飛行速度快，車載光測裝備在不落地測量平臺上工作時，經(jīng)常出現(xiàn)極限條件下跟蹤目標的情況，此時伺服系統(tǒng)電機的高激勵量級激勵使得光電經(jīng)緯儀和不落地測量平臺存在共振的可能［2］。

而且由于高精度調(diào)平支腿側(cè)向剛度較弱，晃動和振動所引入的測量誤差將會影響光測裝備動態(tài)測量精度和跟蹤穩(wěn)定性；其中方位和俯仰軸系在快速跟蹤狀態(tài)下所帶來的載荷對平臺偏角是造成動態(tài)測量精度變化的主要因素［3］。因此，如果不落地測量平臺穩(wěn)定度差會導致光測裝備跟蹤目標穩(wěn)定性急劇下降，測量精度降低，甚至目標超出視場丟失［4］。

為考核車載不落地測量平臺的穩(wěn)定性，檢驗高精度調(diào)平支腿、高剛度自調(diào)平支撐平臺和設備系統(tǒng)的響應狀態(tài)，分析光電經(jīng)緯儀在各種伺服激勵條件下載車系統(tǒng)關鍵點的加速度響應和位移響應，并考核在擾動狀態(tài)下動態(tài)測角精度。本文分別進行穩(wěn)定性實驗與動態(tài)測角精度實驗，驗證車載不落地測量平臺的穩(wěn)定性、可靠性與平順性［5］。

2 穩(wěn)定性測試實驗

2.1 實驗平臺及儀器

在該實驗使用口徑600mm在研的某型光測裝備作為測試對象，整車重量約為13.7t（不包含載車與底盤），由于輕量化設計，其光電經(jīng)緯儀質(zhì)量約為6.5t。測試載車選用重汽生產(chǎn)的HOWO系列載車。光測裝備處于典型和極限工作狀態(tài)，底部利用螺栓連接主梁過渡基座和經(jīng)緯儀底盤，載車調(diào)平腿落地，測試在實際的不落地工作模式下進行。位移傳感器利用工裝固定在靠近載車的地面上，速度與加速度傳感器粘合固定在載車上，測試設備及參數(shù)指標如表 1［6］。

表1 測試設備及參數(shù)指標

2.2 測試設備布設位置分析

該實驗著重考察光電經(jīng)緯儀在典型工作狀態(tài)下不落地測量平臺在水平面內(nèi)的晃動。經(jīng)分析對平臺影響最大的一是垂直Y方向和水平X方向的位移變化大小和作用時長，二是各個通道方向速度與加速度變化大小和作用時長，因此布設兩類傳感器，分別是激光位移傳感器與加速度傳感器，激光位移傳感器用于測量車載不落地平臺水平面內(nèi)X方向與Y方向的晃動，加速度傳感器用于測量支腿位置及光電經(jīng)緯儀底板位置X方向與Y方向加速度響應［7］。加速度傳感器、激光位移傳感器布設情況匯總分別如表2、表3所示。

表2 位移傳感器布設匯總

表3 加速度傳感器布設匯總

2.3 實驗結果

根據(jù)某型光測裝備的實際性能指標，結合本系統(tǒng)的技術要求，設計高仰角大擺幅低加速度、方位俯仰小幅度中速和中擺幅高速度高加速度3種典型和極限正弦曲線運動工況、如表4所示。在各測試實驗工況條件下，加速度和位移響應結果分別如表5、6、7所示，工況1、2、3的位移響應測試結果變化曲線圖如圖1所示，所有測試參數(shù)X均為載車行駛方向，Y方向按照右手法則確定［8］。

表4 測試實驗工況條件

表5 工況1加速度和位移響應

表6 工況2加速度和位移響應

表7 工況3加速度和位移響應

圖1 工況1、2、3的位移響應變化曲線

由于每個測量通道加速度為均為隨機矢變量，按各個通道均符合正態(tài)分布情形考慮，各個測量通道加速度最大值aMAX、最小值aMIN與加速度合成均方根值aRMS用來衡量各個通道方向速度與加速度變化大小，加速度峰峰值aPP用來衡量各個通道方向加速度作用時長［9］。同理衡量水平面內(nèi)X方向與Y方向的晃動位移變化大小和作用時長分別用σMAX、σMIN、σRMS和σPP表示，其表達式由下式（1～4）得出［10］。

通過平臺穩(wěn)定性實驗結果可以看出，在3種測試工況條件的角速度角加速度激勵下，從伺服系統(tǒng)傳遞到載車的能量極小，電機激勵載荷對載車穩(wěn)定性的影響基本可以忽略，無明顯共振響應發(fā)生，各檢測通道的加速度RMS均＜0.05m/s2；X與Y方向上的位移RMS均＜2μm。該平臺設計滿足靶場最大加速度 ≥30°/s2條件下穩(wěn)定跟蹤測量要求。

3 動態(tài)測角精度實驗

3.1 實驗平臺及儀器

在該實驗中，高剛度自調(diào)平支撐平臺的設計考慮設備對平臺中心的靜負載、光電經(jīng)緯儀在最大伺服跟蹤角加速度激勵下的動態(tài)負載等因素，平臺諧振頻率遠高于伺服跟蹤帶寬上限［11］。平臺和高精度調(diào)平支腿利用多個螺栓連接，連接剛度足夠。因此平臺對動態(tài)測角精度的影響主要來源于高精度調(diào)平支腿自身。測試設備仍然選用實驗1的光電經(jīng)緯儀主機和自調(diào)平載車平臺作為測試對象，配備平行光管（測試目標），高精度萊卡全站儀，實驗流程情況如圖2所示。

圖2 動態(tài)測角精度測試實驗系統(tǒng)流程框圖

3.2 實驗主要步驟

動態(tài)測角精度檢測實驗的主要步驟如下。

一是使用徠卡全站儀將檢測架平行光管夾角真值進行標定，標定后角度值作為真值用于與測量值進行比較，檢測系統(tǒng)精度［12］；

二是在光學探測器視場范圍內(nèi)，光電經(jīng)緯儀對高角平行光管作正弦擾動，當以保精度角速度（0.02～20）°/s、角加速度（0～7）°/s2工作時，計算機實時記錄儀器方位角度A、俯仰角度E、時間T，同時記錄視頻圖像信息，并事后判讀儀器的目標方位角度脫靶量ΔA和俯仰角度脫靶量ΔE，計算在Ti時刻目標合成值Ai測、Ei測［13］；

三通過下面算式1和2得到動態(tài)測角總均方根誤差，其中A測為光學探測器對空間目標方位角測量值；A標為徠卡全站儀對空間目標方位角標定值；E測為光學探測器對空間目標俯仰角測量值；E標為徠卡全站儀對空間目標俯仰角標定值；b為光電經(jīng)緯儀橫軸差；C為照準差；N為一個周期測量數(shù)據(jù)［14］。

3.3 實驗結果

通過分析和對比光電經(jīng)緯儀在落地和不落地兩種測量方式下測量值與真值的之差，得到其動態(tài)的測角精度，其實驗結果數(shù)據(jù)如表8所示；光電經(jīng)緯儀對平行光管做正弦擾動，相當于在方位和俯仰軸系引入晃動量，可模擬跟蹤高速目標狀態(tài)［15］。從實驗結果可以看出，不落地方式下方位與俯仰方向上的測角誤差明顯大于落地方式，但不落地方式下兩個方向的測角精度仍然可以控制在20"以內(nèi)，滿足靶場光電經(jīng)緯儀不落地方式方位、俯仰實時動態(tài)測角精度 ≤25"指標要求。

表8 實驗結果數(shù)據(jù)

4 結語

車載不落地測量平臺穩(wěn)定性問題一直是靶場裝備發(fā)展的關鍵性問題，是光測裝備擺脫地域限制，發(fā)揮快速機動靈活特點的基礎，是光測裝備跟蹤目標穩(wěn)定度提高的前提。本文依據(jù)靶場跟蹤測量技術指標要求，通過多組實驗數(shù)據(jù)考核該平臺的穩(wěn)定性，檢驗高精度調(diào)平支腿、高剛度自調(diào)平支撐平臺和設備系統(tǒng)的響應狀態(tài)，分析在各種伺服激勵條件下載車系統(tǒng)關鍵點的加速度響應和位移響應，并考核其在正弦擾動狀態(tài)下的動態(tài)測角精度。雖然目前該平臺具有實際應用的穩(wěn)定性與可靠性，在工程應用方面也有了長足的進步，但是還存在諸如操作復雜、自動化能力弱、平臺實時測量響應慢、采樣頻率低等很多不足，下一步需要在以上方面加大研究力度。