（机械制造及其自动化专业论文）车载平台变形测量和误差校正技术的研究.pdf

中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 图目录： 图1 1 光电经纬仪组成原理框图 图表目录 图1 2 美国与以色列联合研制的系统 图1 3 光电测量系统 图1 4 激光武器系统 图2 1车载平台系统结构原理框图 图3 1c c d 自准直系统原理图 图3 2 视频判读系统结构图 图3 3 几种误差分布曲线 图3 4 标定示意图 图3 5以测量点为中心建立的三轴坐标系 图3 6 图3 7 两个测量站原点o 和o ! 与空间目标m 的关系图一 确定m 在o y , 2 z 平面上的投影m 。( x z ) 示意图 图3 8 垂直投影法示意图 2 2 2 3 图3 9 多个测量站同时测量同一目标m 示意图 图4 1 振动系统框图 图4 2 车载平台底盘简图 图4 3 梁截面图 图4 4 作弯矩图 图4 5 作剪力图 26 2 8 3 2 一一一3 5 一35 图4 6 计算惯性矩i 和y 。 x 建立的截面坐标系 图4 7工字主粱的外型及选取的坐标系图 图4 8 光电经纬仪静态加载图 图4 9 光电经纬仪纵向加载图 图4 1 0 液压支腿静态稳定性实验设备装置图 图4 1 1 液压支腿动态加载实验设备布置图 图4 1 2 车载平台试验状态图 图4 1 3 测试设备联机状态图 图4 1 4 测试与分析过程示意图 图4 1 5 振动强度合成图 图4 1 6 自功率谱图 图5 1 图5 2 图5 3 图54 图5 5 投影图一一 照准差原理图一 水平轴倾斜原理图 垂直轴倾斜原理图 程序框图一一 v i 3 6 3 6 36 3 7 41 42 4 3 44 5 0 5l 51 54 60 6 8 6 9 70 71 93 2 5 7 7 l 3 5 7 9 目录 表目录： 表1 1国外电影经纬仪典型设备主要技术指标 表4 1 测量系统记录数据 表4 2 测量系统连续工作四小时记录数据 表4 3 非接触测量系统的高低和方位的变化量 表5 1 表5 2 表5 3 袭5 4 插值及异常检验后的车载平台系统1 的安置误差样本 插值及异常检验后的车载平台系统2 的安置误差样本 计算结果表1 汁算结果袭2 v 4 4o 42 44 77 79 9 4 94 长春光学精密机械与物理研究所 博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：l 兹蜘 ，、， 2 0 0 3 年7 月 日 摘要 摘要 现代靶场上广泛装备的光电经纬仪主要有两种工作状态，一种是固定站形 式，一种是活动站形式。国内靶场装备的经纬仪大都采用固定地基式，把经纬 仪安装到固定的地基座上，地基是根据靶场布站的要求，按照一定的地理坐标 而专门设置的。由于地基是事先选好的，多采取钢筋混凝土结构，经纬仪借助 于地基环固定在地面上，工作时带动误差非常小，可忽略不计。这种安装方式 可以使仪器平稳工作，减小测量误差。但是，现代的武器装备特点是精度要求 越来越高机动性能要求越来越好，因此，车载机动式光电测量系统也就提到 日程上来。由于采用固定地基的方式，各观测点的位置不动，仪器设备的机动 性差，单一的固定站点己不能满足现代化的装备要求。活动站是把光电经纬仪 直接安装到车载平台上，经纬仪直接在车载平台上工作，不受地理位置的限制。 车载光电测量技术( 不下车式) 就是为了满足这一需要而产生的。此技术可以 满足不同地点，不同时间实时进行测量和跟踪，机动性强，适合部队的机动能 力。 本文介绍了国内外光电经纬仪的发展概况，指出车载平台技术在外弹道测 量系统中的重要地位，提出车载光电测量系统的方案，对光电经纬仪车载测量系 统的组成原理进行了详细的阐述。 为测量车载测量系统的误差设计了一套高精度非接触测量系统，详细介绍 了其组成及工作原理。建立了光电经纬仪的各种坐标系及其相互关系。给出光 电经纬仪的测量原理和不同的工作方式，分析了影响车载平台系统各项误差， 如跟踪误差、轴系误差、定位误差等，给出影响各项误差的公式。 详细论述各种振动对于车载平台系统精度的影响。分析了车载平台的静态 误差和动态误差，计算车载平台的各部分静态、动态的刚度以及弯曲变形的影 响。对振动的测试方法和测试设备进行了论述，提出对振动数据进行处理的方 法，推导出车载平台的振动模型，对各种振动进行了相应的简化和耦合处理。 提出了数据处理的方法，讨论了随机误差和系统误差的估计方法和传播规 律，给出各单项误差的方程，把理论分析与实践相互结合，进行充分验证，获 得大量实验数据，得到车载平台误差的变化规律，通过仿真验证了数学模型的 正确性。 关键字：车载平台，光电经纬仪，误差，测量原理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r et w ow o r k i n gs t a t eo fp h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t ew i d e l yf i x e do n m o d e r ns h o o t i n gr a n g e ：o n ef o r mi sf i x a t i o n ，t h eo t h e ri sm o v e m n t g r o u n d w o r k t h e o d o l i t e sa r ew i d e l ya d o p t e di nh o m e ，t h e o d o l i t ei sb u i l ti ni m m o v a b l eg r o u n d w o k s e a t ，w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e da c c o r d i n gt od e f i n i t ea z i m u t hg e o g r a p h y c o o r d i n a t e b a s e do nt h en e e do fs h o o t i n gr a n g es t a n d b e c a u s e g r o u n d w o r ka d o p t i n g f e r r o c o n c r e t es t r u c t u r ei sc h o s e ni na d v a n c e ，d r i v ee r r o ro ft h e o d o l i t ew o r k i n go ni t i sv e r yl i t t l ea n dc a nb ei g n o r e d t h i sf i x i n gf a s h i o nc a r lm a k ei n s t r u m e n tt ob a l a n c e d w o ka n dt om i n i s hm e a s u r ee r r o r b u tm o d e mw e a p o n r yn e e di n s t r u m e n tp r e c i s i o n m o r ea n dm o r en i c e t y , a g i l i t ym o r ea n dm o r ef i n e ，l y i n gs t a n da n db r i g a d i n gw e b s w i f t l yb e c a u s eo fa d o p t i n gf i x e dg r o u n d w o r k ，p o s i t i o no fe v e r yo b s e r v a t i o ns t a t i o n i si m m o v a b i l i t y , a g i l i t yo fi n s t n m a e n ti sp o o r , s i n g u l a rf i x e ds t a n dc a nn o tm e e tt h e n e e do fm o d e me q u i p m e n t m o v e m e n ts t a n di st h a tp h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t ei s f i x e do nv e h i c l ep l a n e ，t h e o d o l i t ew o r k so nv e h i c l ep l a n ea n db e e so fg e o g r a p h y l o c a t i o nl i m i t p h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t ef i x e do nv e h i c l ep l a n et e c h n o l o g yi s b r o u g h tf o rt h es a k eo fm e e t i n gt h i sn e e d t h et e c h n o l o g yc a r ls a t i s f yr e a l t i m e m e a s u r e m e n ta n dt r a c ki nd i f f e r e n ts i t e 、d i f f e r e n tt i m e ，a n di t sn i c ea g i l i t yc a nf i tt o t h es w i f tr e a c t i o na b i l i t yo f a r m y t h ep a p e rd i s s e r t a t e sd e v e l o p m e n ts u r v e yo ff o r e i g np h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t e ， e m p h a s i z e si m p o r t a n ts t a t u so fv e h i c l ep l a n et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nt oo u t s i d e t r a j e c t o r y , p u t sf o r w a r ds c h e m eo fv e h i c l ep l a n es y s t e m ，e x p a t i a t e sc o m p o s i n g p r i n c i p l eo f p h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t e i td e s i g n sas e to fn o n c a n t a c tp o s i t i o nm e a s u r i n gs y s t e mf o rm e a s u r i n ge r r o ro f v e h i c l ep l a n e ，i n t r o d u c ei n d e t a i li t sc o n s t i t u t ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e i tb u i l d s c o o r d i n a t ea n dt h e i rc o r r e l a t i o n so f p h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t e i tp r e s e n t sm e a s u r i n g p r i n c i p l ea n d d i f f e r e n tw o r k i n g ，a n a l y s e sa l lk i n d so fe r r o r a f f e c t i n g o n p h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t e ，s u c ha st r a c ke r r o r 、s h a f t i n ge r r o r 、o r i e n t a t i o ne r r o r 、 n o n s y n c h r o n i z a t i o no f t i m ee r r o re t c ，p r e s e n t st h e i re r r o re f f e c tf o r m u l a e i t d is c u s s e si nd e t a i1a 1 1k i n d so fo s c i l l a t eu l f l u e n c e so i lv e h i c l ep l a n e i t a n a l y s e ss t a t i ce r r o r sa n dd y n a m i ce r r o r s ，c a l c u l a t e sv e h i c l ep l a n ee v e r yp a r t ss t a t i c a n dd y n a m i cs t e e la n db e n dd i s t o r t i o ne f f e c t i td i s c u s s e st e s t i n gm e a n sa n dt e s t i n g e q u i p m e n tt oo s c i l l a t i o n ，p u t sf o r w a r dd i s p o s a lm e a r l st oo s c i l l a t i o nd a t a ，f e t c h e s o s c i l l a t i o nm o d e lo fv e h i c l ep l a n e ，d o e sp r e d i g e s t i o na n dc o u p l i n gt oa l lk i n d so f o s c i l l a t i o n s i t sb r i n g sf o r w a r dd a t ap r o c e s s i n gm e a n s ，d i s c u s s e se s t i m a t em e a n sa n d s p r e a dr u l eo fr a n d o me r r o ra n ds y s t e me r r o r , p r e s e n t se r r o re q u a t i o n ，v a l i d a t e s a d e q u a t e l yb yt h e o r ya n a l y s i sc o m b i n i n gp r a c t i c e ，o b t a i n sag r e a td e a le x p e r i m e n t d a t a ，f i n d sc h a n g er u l eo f v e h i c l ep l a n ee r r o r k e y w o r d s ：v e h i c l ep l a n e ，p h o t o e l e c t r i c i t yt h e o d o l i t e ，e l t o r ，m e a c u r i n gr u l e i i 第一章绪论 第一章绪论 由于光电对抗武器系统和高速超低空飞行的战略、战术武器的发展，对武 器系统的跟踪瞄准技术以及靶场光电跟踪测量技术都提出了更高的要求。靶场 仪器设备决定了靶场的实际能力限度，亦即靶场的用途、容量、规模、效率及 其发挥作用的限度。光学测量系统主要是指光学成像原理采集飞行目标信息， 经处理得到所需弹道参数与目标特性参数，并获取飞行实况图像资料得专用测 量系统。现代化靶场中，飞行目标一旦确定后，剩下的是要将它的飞行轨迹和 飞行状态记录下来。飞行目标的外弹道测量包括两方面的内容：首先是飞行的 姿态，如导弹各级问的分离、各助推器的脱落、翻动、故障爆炸以及在落区部 重返大气层所呈现的物理现象；二是飞行弹道的数据：如飞行目标的各瞬间位 置、速度、斜距、弹道倾角、偏角、射程和弹着点等等。光电经纬仪就是既能 记录飞行姿态，又能测量数据高精度数据的高精度靶场跟踪设备。它是实施战 术打击效果评估、精确制导武器研制评价的最有效手段之一。它的优点是测量 精度高；可获得飞行目标的影像，直观性强，并可事后复现；不受黑障和地面 杂波干扰影响。 1 1 光电经纬仪发展概述 光电经纬仪主要用于外弹道测量，特别是火箭、导弹弹道的测量。其组成 原理框图如1 1 ： 中国科学院研究生院博士论文车载平台銮形测量和误差校正技术的研究 图1 1 光电经纬仪组成原理框图 按照跟踪架的结构分为地平式跟踪架和极轴式跟踪架。 1 地平式跟踪架 地平式跟踪架最为常用，垂直轴( 外框架轴) 通过地球质心，垂直轴指向天 顶，即跟踪架绕垂直轴旋转时跟踪架上的所有质点在水平面内运动。应用水平 传感器，通常是水泡或电子水平仪调整垂直轴与水平轴的垂直度。水平轴( 即 内框架轴) 应与垂直轴严格垂直( 与地面平行) 并且在同一个平面内。视轴， 即光学或光电传感器的光轴，架设在水平轴上，并与水平轴严格垂直。通常垂 直轴、水平轴、视轴三者在空间严格交于一点。当跟踪架上布置多个传感器时， 将跟踪或测量精度最高的传感器安装在中心位置，而其它传感器挂在水平轴两 第一章绪论 端。水平轴转动范围以水平面为基准一般为一1 0 到1 9 0 。，仰角9 0 。为天顶位置， 超过9 0 。为倒镜位置。垂直轴可做无限制的转动。此类经纬仪焦距较长，视场 不大，跟踪速度加速度要求越来越高，跟踪精度和测量精度要求及高。 2 极轴式跟踪架 地平式跟踪架的缺陷是对于接近天顶的目标，跟踪测量受到限制，精度明 显降低。因此在天文观察和测量中，或在卫星跟踪和卫星管理业务中应用的部 分空网设置中，采用极轴式跟踪架结构。其外框架轴与地轴平行，即让外框架 轴指向两极，而与地水平面倾斜当地的地理纬度角，其余两轴( 水平轴和视轴) 与垂直轴的相关位置关系与地平式相同。这样当对天顶目标进行观察时，只要 外框架以地球自转角速度转动时，不必控制内框架，视轴就可与被测天体同步。 早期的光电跟踪测量系统主要依靠人机半自动跟踪，因此，在主机上配有 操作员，依靠目视瞄准镜，通过操作手轮( 双人操作) ，或单杆( 单人操作) 实现半自动跟踪。随着电视跟踪测量传感器、红外及伺服技术的发展，新研制 的光电跟踪测量系统大多在主机上不设操作员，而依靠雷达经计算机引导、光 电测量系统之间的相互引导、各种测量传感器自身的捕获和跟踪能力，实现捕 获和跟踪目标。 1 2 国外光电经纬仪技术发展的概况 国外的导弹试验与航天发射设备配套的光电经纬仪数量多、精度高、更新 换代快。早在1 9 2 6 年戈达德夫人就利用锡尼柯达电影摄影机对液体火箭研制 过程做摄影记录，开创了光学测量的先例。德国冯布劳恩等人在1 9 3 7 年用阿 斯卡尼亚经纬仪加上1 6 m m 相机，排下v 一2 火箭德飞行轨道。1 9 4 0 年，第一台 电影经纬仪正式装备靶场。7 0 年代处，美国太平洋导弹靶场德电影经纬仪为 2 3 台大西洋导弹靶场设备仅次于太平洋导弹靶场。1 9 9 1 年美国同以色列就共 同制定了协作防御计划。建立了地基式激光武器系统，称为战术高能激光武器 一一先期概念技术演示( t h e l a c t d ) 。这种激光器系统已经运到白沙导弹靶场 进行组合实验。1 9 9 3 年美国提出发展通用区域防御综合反导系统( g a r d i a n g e e r a la r e ad e f e n s ei n t e g r a t e da n t i m i s s i l el a s e rs y s t e m ) ，此系统为车 载防空武器系统。1 9 9 3 年，美国b o e i n gd u l u t h 公司研制出高性能光电系统 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 ( h i g hp e r f o r m a n c ef i r ec o n t r o ls y s t e m ) ，这是一种近程快速反应系统， 具有体积小，质量轻，快速性好等特点。其它国家英国，法国，日本也相应地 发展了自己的跟踪防御系统。国外电影经纬仪主要有k t 一5 0 、r a s u m 、e o t s 、 a s k a n i a 、k 4 0 0 、s k y t r a c k 、r a d o t 、k i n e t o 、m a s t 等型号，典型设备的主要 技术指标如表1 1 ： 表1 1国外电影经纬仪典型设备主要技术指标 泌霉 k e o t s fs k y t r a c kk 4 0 0k i n e t 0 主光学系统焦距m 0 6 、1 、21 5 、30 7 5 、1 5 、31 5 、315 、3 2 5 、5 l 径m m 2 0 01 9 03 5 04 0 02 0 0 3 0 0 角编码器分辨率” 06 206 4 806 4 806 4 803 6 最大跟踪速度。s 4 53 09 02 95 7 最大跟踪加速度。s 。 9 06 09 05 75 7 空间指向角精度”522 摄影频率祯s 5 、1 0 、2 0 、3 05 、1 0 、2 0 、3 05 、1 0 、2 0 、3 05 、1 0 、2 0 、3 01 0 2 0 0 红外自跟踪 跟踪测量 跟踪测量跟踪测量跟踪测量跟踪测量 电视自跟踪跟踪测量跟踪测量 跟踪测量无 跟踪测量 测距方式 激光 激光激光无激光或雷达 国外现代化靶场中获取外弹道数据和飞行状态的测量手段多采用车载平台 式结构。采用先进的方法，对车载平台进行实时测量，为整个系统提供反馈数 据，实现精密的跟踪和测量。美国所装备靶场的超级数字式光学自动跟踪记录 仪( s u p e rr a d o t ) ，其能探测和跟踪斜距为1 0 0 0 多公里的再入目标，且测角 精度为l 角秒。而地面电光深空监视系统( g e o d s s ) 能探测到4 0 0 0 0 公里高 度上足球大小的目标，且测角精度为1 0 角秒。美国b r a s h i r ec o n t r a v e s 公司主要 为美国军方生产各种型号的靶场光电跟踪系统。k i n e t o 跟踪测量系统除配有 红外跟踪器、电视跟踪器、激光测距外、还配备k a 频段的测距雷达。法国s f l m 公司新研制的光电经纬仪也可安装激光测距仪k a 频段脉冲测距雷达或安装丹 麦韦伯尔公司生产的x 频段连续波测距雷达。9 0 年代初该公司与以色列军方合 作生产车载式光电经纬仪。严格来讲以美合作生产的车载式经纬仪应称之为车 第一章绪论 载运输式，因其结构为集装箱式结构( 如图) 。仪器分装在几个集装箱上，当执 行任务时车载平台落在地表面上，把仪器按照事先欲留的接口安装调整后工作。 根据相关资料报道美国将投资3 亿美元，于2 0 0 6 年生产出真正意义的车载平台 式光电跟踪设备。 图12 美国与以色列联合研制的系统 1 3 国内光电经纬仪技术发展的概况 我国导弹试验场系统始建于2 0 世纪j o 年代末。1 9 5 8 年1 0 月从苏联引进 k 巾t - 1 0 2 0 电影经纬仪、k t - 5 0 电影经纬仪、k c y 一6 0 跟踪望远镜，6 0 年代后还 陆续引进e o t s 、k 4 0 0 等经纬仪。，近几年由我国自行设计的高精度的经纬仪也 先后研制成功。以高性能，工控机为控制核心的全数字化跟踪系统的成功应用 是我国跟踪技术的新突破。先进的技术大大地促进了经纬仪的发展。国内经纬 仪的型号也不断更新，体积也由大变小，已经形成规模化，系列化，具有完善 的生产体系，具备了大批量生产的能力。 随着技术的更新我国设计的经纬仪也迈上了新的台阶。由最初仅具备光电 轴角编码器发展到采用集成电路和微处理机等现代化先进技术，研制出具有变 焦距捕获电视，红外，高性能伺服控制系统，大口径，精度高，作用距离远等 特点的新一代光电经纬仪。经纬仪也从仅具备摄影发展到具有c c d 实时传输， 红外跟踪测量、激光主动跟踪测量、微波测量等多种外载的先进设备。 现代靶场上广泛装备的光电经纬仪主要有两种工作状态，一种是固定站形 式，一种是活动站形式。活动站是把光电经纬仪直接安装到车载平台上，执行 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 任务时方便灵活。车载测量系统有下车与不下车之分，所谓下车是指车载测量 系统平时放在车上，当工作时设备安放到固定地基上。不下车是指系统在载车 上工作，不用安装到地基上，本文主要对不下车测量系统进行研究。 国内靶场装备的经纬仪大都采用固定地基式，把经纬仪安装到固定的地基 座上，地基是根据靶场布站的要求，按照一定的方位地理坐标而专门设计的。 由于地基是事先选好的，多采取钢筋混凝土结构，经纬仪在上面工作时，带动 误差非常小，可忽略不计。这种安装方式可以使仪器平稳工作，减小测量误差。 但是，现代的武器装备特点，要求仪器的精度越来越高，机动性能越来越好， 布站组网速度要快。由于采用固定地基的方式，各观测点的位最不动，仪器设 备的机动性差，单一的固定站点已不能满足现代化的装备要求。活动站是把光 电经纬仪直接安装到车载平台上，经纬仪直接在车载平台上工作。车载平台光 电测量系统( 不下车式) 就是为了满足这一需要而产生的。此技术可以满足不 同地点，不同时间实时进行测量和跟踪，机动性强，适合部队的快速反应能力。 我国自行研究车载平台系统，可以进一步提升我军武器装备技术，提高部队的 对抗和作战能力。由于活动站工作时，车载平台随机停在不同的地面上，这就 使经纬仪工作时会带来误差，降低经纬仪的使用精度。如何解决好由于车载平 台随机停放带来的误差是活动站能否正常工作的关键。 国内靶场装备的经纬仪大都采用固定地基式，从1 9 6 5 年研制成功我国第一 台大型精密光测设备，发展到第二代、第三代。目前正研制的光电跟踪系统( 如 图1 2 ) 都采用固定地基式。由于采用固定地基的方式，各观测点的位置不动， 仪器设备的机动性差，单一的固定站点已不能满足现代化的战争要求。车载平 台技术就是为了满足这一需要而产生的。此系统可以满足不同地点，不同时间 实时进行测量和跟踪，机动性强，适合现代战争中的运动战，及部队的快速反 应能力。我国第一台车载激光对抗武器系统属于车载平台对抗武器系统( 如图 1 3 ) ，此系统开创了我国车载平台系统( 不下车式) 的先河，此系统主镜的口径 较大，相应的体积也较大，许多技术需进一步完善。在国外，车载平台技术已 广泛应用到靶场设备上，由于保密原因，具体的设计没有详细的文献可参考。 所以，我国自行研n d , 型灵活车载平台技术可以进一步提升我军武器装备技术， 提高部队的对抗和作战能力。为争取国防重点武器系统任务提供竞争实力， 第一章绪论 使我所在武器系统设备研制中提高设备的研制能力。 图1 3 光电测量系统 图1 4 激光武器系统 1 4 论文研究的主要内容、技术路线及结构 由于光电经纬仪直接安装到车载平台上，在执行任务时各种因素直接影响 光电经纬仪的精度。如何把影响光电经纬仪的各项因素用数学模型表示出来， 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 并且进行误差修正至关重要。 研究的具体内容有： 1 ) 介绍了国内外光电经纬仪发展概况，提出研究车载光电测量系统的必 要性。 2 ) 介绍了车载光电测量系统的组成及功能。 3 ) 设计了一套高精度非接触光电测量系统，并对其误差进行评估。 4 ) 分析了车载平台的结构稳定性，为载车设计打下基础。 5 ) 给出车载光电测量系统的误差数学模型，推导出光电测量各单项误差 及水平、方位误差的校正公式。 6 ) 用测恒星的方法对车载系统的误差进行评估及计算机仿真验证。 7 ) 最后为论文的结论及今后试验当中有待完善和进一步探讨的几个问题 其中前五项是重点解决的问题，也是本研究课题的难点。 拟采用的技术路线为理论与实践相结合的方法。广泛查阅和收集国内外相 关文献资料，了解相关研究内容的最新动态，针对测量系统的特点，从数学和 物理学角度来分析影响车载平台系统精度的因素，通过实验测量大量的经纬仪 工作速度与车载平台变形的数据。采用现代理论建立车载误差的数学模型，对 数据进行数学处理。最后，对车载式光电测量技术提出新的观点。 论文将从以下几个方面对车载平台进行研究： 1 车载光电测量系统的组成及功能； 2 车载平台变形测量和误差分析； 3 车载测量系统的振动干扰误差分析； 4 车载测量误差的数据处理和校正。 第二章车载光电测量系统组成及功能 2 1 组成与功能 第二章车载光电测量系统组成及功能 整个车载光电测量系统由跟踪架、 光跟踪测量系统、电视跟踪测量系统、 制与处理系统等。下面分别进行介绍。 2 1 1 跟踪架 主摄影系统、测角系统、跟踪系统、激 红外跟踪测量系统、载车系统及微机控 跟踪架是一个二维运动的精密跟踪平台，用以承载光电经纬仪的各部分， 包括主摄影系统、测角系统、传动系统、测距系统和红外、电视跟踪系统及瞄 准镜等。其特点是刚度好，轴系精度高，能确保光电经纬仪对飞行目标具有快 速捕获、高速平稳跟踪和获取高精度测量数据的功能。 2 1 2 主摄影系统 主摄影系统由光学系统、调光调焦系统、十字丝投影系统、摄影机、输片 机构、摄影控制系统等组成。其中主摄影系统对飞行目标及点阵信息进行同步 摄影记录；调光调焦系统的作用是使不同距离的目标均能在胶片上清晰成像， 调整能量的大小，保证成像质量；十字丝投影作为视准轴的表征，以此来测量 目标偏离视准轴的角偏差量。 2 1 3 测角系统 测角系统包括方位轴角编码器和俯仰轴角编码器，每个测角系统由光机和 电控两大部分组成。光机主要有基板、光源、分光系统、码盘、狭缝、光电器 件组成，完成机械轴角到电代码的变换；电控部分由微机、处理电路组成，完 成电代码的采样、放大、码型变换、细分校正及输出与显示。 2 1 4 跟踪系统 跟踪系统主要有力矩电机、跟踪器、微机和传动放大器等组成，使光电经 纬仪完成对飞行目标的跟踪任务。跟踪方式有操作单杆进行半自动跟踪，接收 引导信息进行随动跟踪，接收电视或红外或激光测角信息进行自动跟踪。 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 2 1 5 激光跟踪测量系统 激光跟踪测量系统由激光器、激光发射装置、激光接收装置及处理电路等 组成。它完成对飞行目标偏离电轴的角偏离量的测量，其测量结果实时输出并 送给传动系统进行自动跟踪，同时测量飞行目标到测站的距离，实现单站定位。 2 1 6 电视跟踪测量系统 电视跟踪测量系统由光学镜头、探测元件、信号处理系统、监视器等组成。 当目标成像在探测器上时，对目标像进行光电转换，完成目标偏离电轴的角偏 离量的测量，其测量结果实时输出并送给传动系统，实现对目标的自动跟踪。 2 1 7 红外跟踪测量系统 红外跟踪测量系统由光学镜头、红外探测器、信号处理及控制电路组成。 它完成目标探测及目标偏离电轴的角偏离量测量，其测量结果实时输出并送给 传动系统，实现对目标的自动跟踪。 2 1 8 载车系统 载车系统主要为光电经纬仪提供必要的支撑平台。首先在运输过程中必须 有好的柔度，起到减震的作用，避免经纬仪在颠簸中受到损坏。同时载车系统 还必须确保经纬仪跟踪测量工作时要有好的支撑刚度，不降低跟踪和测量精度。 2 1 9 微机控制与处理系统 微机控制与处理系统一般由单片机、微机、和接口组成。其作用是完成光 电经纬仪的数据交换、信息处理与控制检测等任务。对外通过m o d e m 与靶场 测控中心的计算机进行信息交换；对内将外来的信息经处理后分别送到经纬仪 各个分系统，同时还可以产生模拟信号，供本系统自检或调机用。微机控制部 分是经纬仪的控制中心，各分系统的协调、数据采集与传输、工作方式的切换 及检测处理等均在微机系统控制下进行。 2 2 车载测量系统的工作过程 车载测量系统工作时首先将平台下方的三条液压支腿展开，支撑在地面上， 使车体抬起，光电经纬仪及整个车体重量全部落在支腿上。对整个系统进行调 第二章车载光电测量系统组成及功能 平，启动光电经纬仪进行自检工作，实施跟踪测量。其结构原理框图如2 1 ： 2 3 论文的要点 图2 1车载平台系统结构原理框图 本文主要研究可移动车载光电测量系统，此系统机动性能好，布站组网速 度快，解决了传统固定站靶场测量设备不灵活的缺陷。由于车载平台工作时不 下车( 即仪器不落地) ，工作时主要误差是由仪器的带动误差和仪器的倾斜误差 引起的。本文建立了车载测量系统的主要误差模型，详细分析了振动误差对系 统测量精度的影响，采用数据处理技术对数据进行有效的处理。 2 4 本章小结 本章详细论述车载光电测量系统的组成和基本功能，对论文的创新点及其 关键技术进行了阐述。 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 第三章车载平台变形测量和误差分析 随着导弹技术的发展及射击精度的提高，对位置测量设备的精度要求也不 断提高。位置测量系统分为接触式和非接触式两种。非接触式测量系统一般以 大地坐标为测量基准，能实时测量出系统的摆角，三个方向的位移变化，其精 度高于接触式电位计测量系统。 在8 0 年代初期，国内的一些单位已经开展了非接触位置测量系统的研究工 作，并运用到实际中去。如成都光电所已经开发出光电导弹喷管摆角动态测量 系统：以c c d 为探测器的柔性喷管六自由度多路并行的实时光电测量系统，并把 此技术成功应用到测量固体火箭的发动机运动参数上。西安光机所也研制出为 某型号导弹配套的位置测量系统。国外相关的研究更早，5 0 年代美国就开始研 究此项技术，到7 0 年代非接触位置测量系统已经广泛运用到各种固体火箭及航 天飞机上。目前，美国的海神，三叉戟m x 运载火箭，法国的m 4 运载火箭，俄 罗斯的苏一2 7 都采用非接触位置测量技术。非接触式位置测量系统广泛应用于 导弹、火箭、航天飞机等国防重点武器系统和装备上，也用于矿山，桥梁，铁路， 城市建设等方面。 3 1 1 非接触测量系统工作原理 为了获得车载平台测量系统的变形量专门设计了一套高精度的非接触测量 装置。 非接触测量系统主要由发射光学系统和c c l ) 接收系统组成。光学系统提供 望远镜视轴( 也是c c d 摄像系统及光束光轴) 指向的方位角，光源提供可见光波 段的准直光源，c c d 摄像系统摄取返程光束，进行光电测角，求出返程光束与 光轴的夹角。 非接触系统的工作原理可以用图3 1 所示的光学系统加以说明。在光源发 射系统中，光源发出的光经聚光镜和前组物镜组成的准直光学系统形成平行光 射出，照在平面反射镜上返回；若直角反射镜与光轴垂直，则平行光按原路返 回，经前组物镜及成像负透镜在c c d 靶面上成像，以此作为原点，代表光束白 第三章车载平台变形测量和误差分析 准直后的像点位置。当平面反射镜与光轴不垂直，假设夹角为a ，则返程光线 与经纬仪光轴有2a 夹角，成像在c c d 靶面上，其光点中心距原点距离为2a f ( f 是c c i ) 成像物镜焦距) ，通过对c c d 像元计数，可以求出这一距离，进 而解出a 角。在进行c c d 光电自准直的同时，通过目镜可以在分划板上看到光 像点，可同时进行光学目视自准直。 3 1 2 系统组成 3 1 2 1 光学系统 图3 1c c d 自准直系统原理图 光学系统包括：发射系统、c c d 接收系统、目视系统和分 划板照明系统四个部分。 3 1 2 2 发射系统 发射系统为保证照明的均匀性，光源照明分划板的部分为一个柯勒照明系 统。光源发出的光照射在毛玻璃上，毛玻璃经过双胶合聚光镜与投影物镜共轭， 同时聚光镜与照明像面相对于投影物镜互为物像关系。这样，狭缝面上的任意 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 一点皆由毛玻璃上的每一点照明，因此狭缝面上每一点的照明都是均匀的。狭 缝像在补偿镜组和望远镜固定前组组成系统的像面上，经由该系统以平行光发 射，因此对于不同的发射角度的平行光毛玻璃上每一点皆有贡献，所以发射光 是均匀的。 发射系统发射光束的质量对于c c d 接收系统的成像质量有较大的影响，进 而影响测量精度，因此为了改善发射光的质量，我们在系统中加入一个补偿镜 组，以确保像经过该系统后发射光质量良好。 3 1 2 3c c d 接收系统 采用面阵c c d 作为接收系统，c c d 接收系统需要只接收一定波长的光，因 此在光路中需要放置一个窄带滤光片。为了克服该滤光片带来的峰值漂 移，需将其放置于平行光路中。该系统像差校正良好，对测量精度影响很小。 3 1 2 4 分划板照明系统 分划板照明系统是一个柯勒照明系统，在光路折转棱镜前加入 一个正透镜与望远镜透镜组共同组成一个投影物镜，聚光镜经过该 投影物镜与分划板共轭。这一部分因为对系统精度无任何影响，因 此光学系统只需满足高斯光学的关系，对像差进行适度控制即可。 3 1 2 5 通讯系统 在c c d 自准直测量系统进行自准直测量工作时，该系统可以独立进行工作， 直接在系统面板上显示出测量结果，并可以把失准角的数值经r s 一2 3 2 通讯口发 送给瞄准计算机。光电自准直系统由c c d 的模拟电路，数字电路和单片微计算 机( 以下简称单片机) 硬件、软件等部分组。都安装在系统的主体内，电源由 外部提供。 主要工作原理，时序发生器产生c c d 工作所需的时序信号，时序驱动器将 时序信号电平转换后，驱动c c d 工作。当有光像照在c c d 上，c c d 输出光像电 信号v o s 。经信号放大器放大，由浮动预值比较器等电路处理后，变成一脉冲 串的光像电信号v p 。经接口送给像起点计数器和像宽度计数器转换为数字，并 第三章车载平台变形测量和误差分析 输入到单片机中。 单片机系统是采用c c d 像元脉冲计数法进行计算光像中心位置的。首先， 在电视场窗口l t 有效时，像起点计数器对像元复位时钟r s 进行计数。当第一 个v p 脉冲出现时，像宽度计数器开始对v p 脉冲进行计数，并同时终止像起点 计数器的计数。单片机分别读取像起点计数器中的数值f i 和像宽度计数器中的 数值m ，计算n + m 2 得出光像中心位置。 3 1 2 6 动态实时视频判读系统 电子学充分利用多媒体技术和数字图像处理技术，经过实验找出一些有效 的方法，研制一种新型的动态实时视频判读系统。其功能是，接收系统提供的 视频信号，由视频采集卡经过实时a ，d 转换、图像处理、解算偏差角及动态脱 靶量测量，实现数据的实时采集和实时存储硬盘。 这种新型动态实时视频判读系统，适应实时判读脱靶量设备发展的需要， 是判读技术的进步。 视频判读系统的结构组成如图3 2 所示。计算机系统接收系统的视频信号， 实时采集视频图像进行图像视频判读，得出脱靶量数据，数据实时存储硬盘，事 后转存便携式硬盘及打印。计算机系统有时统发生器、异步通讯卡、视频采集卡 三个扩展模块。 非接触测量系统 时统设备 l 发 射 信 号 视 罨 雹，r、r 频 信 号 1 视频采集卡 信号发生器串行通讯卡 工控机 土上 i 显示器 i 打印机l 图3 2 视频判读系统结构图 计算机内设时统发生器，接收外秒同步信号脉冲，实现同步测量和数据时 中国科学院研究生院博士论文车载平台变形测量和误差校正技术的研究 隔标志处理：在单机测量时也可选择自身内时；为判读数据进行配时：时统发 生器同时为计算机提供5 0 h z 、2 0 h z 、l o h z 及面阵c c d 探测器复合同步脉冲， 保证判读系统与外围设备时间上同步。 串行通讯卡可实现与自准直经纬仪的通讯，数据传输波特率为9 6 0 0 b p s ，自 准直经纬仪发送信息为r s 一4 2 2 接口。非接触测量系统与计算机的通讯为1 4 个 字节。 视频图像采集卡是基于p c i 总线的，具有a d 转换精度高，p c i 总线传送 速度快的特点。由于采用了独立z h e n 存储器，使c p u 及总线获得大量的时间用 于其他图像处理。图像采集卡可以将视频图像按照2 5 帧秒，5 0 场秒，7 6 8 5 7 6 8 b i g 帧的速率存入计算机缓存，计算机可以直接读取祯存中的像素值进行 图像处理。 为了能够更快更准确地对图像进行判读，需对图像进行预处理。常用的预 处理方法有图像均值滤波器、中值滤波器、边缘锐化器等，目的是为了滤除噪 声、增强有用信息。根据图像的清晰度高，噪声和干扰小的特点省去了一些图 像预处理方法，包括中值滤波，平滑滤波等。图像分割是图像分析的一种常用 手段，图像二值化是图像分割的重要方式。在数字图像特别是视频判读系统中， 二值化图像被广泛应用。因为系统要求高速实时处理的速度，所以需要对图像 进行二值化处理以减少处理的数据量。 3 1 3 非接触测量系统精度分析 非接触测量系统精度由两部分组成，光机系统精度和电子学系统精度。光 机系统精度主要由机械件加工、光学件加工、及装配精度的影响。电子学精度 主要是c c d 精度、判读精度等影响。 在分析时必须对相应的数据进行归类，主要将数据归为以下几类，辛普生 分布、均匀分布、正态分布。图3 3 为误差分布曲线图。 1 u ： 瓢狲， ( a ) 辛普生分布 第三章车载平台变形测量和误差分析 1 2 , 5 一0 ( b ) 均匀分布 j- 酝 瓜介。 一 0 ( c ) 正态分布 图3 3 几种误差分布曲线 对于放大器动态误差和