4高精度跟踪瞄准系统方案报告

编号CK/JGTX/FA密级内部阶段标记Y页数33激光通讯高精度跟踪瞄准系统编写校对审核标审批准中国科学院长春光学精密机械与物理研究所会签档号件号目次1概述12使用背景分析与系统组成121使用背景分析122系统原理与结构组成13指标分析与设计331系统探测器与传感器选择3311精跟踪回路光斑探测器3312快速反射镜4313编码器选择6314电机参数8315功率放大器9316精回路探测CCD相机（短波相机）9317粗回路探测CCD相机10318小型组合惯导姿态测量系统10319伺服控制器1232跟踪精度分析与设计14321精跟踪回路设计与分析14322粗跟踪回路设计与分析18323三级视轴稳定跟踪回路设计与分析234设计总结281概述为了实现实时稳定的大气激光通信，使通讯误码率能够达到108以上的要求，首先需要实现对激光的捕获和高精度实时自动对准，一般情况下对自动跟踪瞄准的精度要达到1URAD10URAD这样的数量级。对这么高的跟踪精度要求，一般采用传统的单级速度、位置回路控制方法是很难达到的，因此在这种高精度跟踪要求下一般需要加入二级控制系统，对于动基座设备甚至使用三级控制系统。本课题中激光通讯设备为了实现激光的捕获和实时自动对准，针对激光通讯设备不同的使用场合分别分析和设计了不同的高精度的伺服控制系统，此控制系统拟实现激光通信设备光斑的自动跟踪瞄准精度优于2URAD（04）。2使用背景分析与系统组成21使用背景分析目前激光通讯设备主要应用环境有陆地陆地、舰船陆地、舰船舰船、星载星载、星载陆地（舰船），按照激光通讯设备基座的运动特性可规划为固定基座固定基座、固定基座动基座和动基座动基座。对于固定基座固定基座使用的激光通讯设备，因为其基座不会引进干扰运动，所以相对于其他两种使用方式要相对容易一些。22系统原理与结构组成针对激光通讯设备基座使用特性的不同，设计的高精度跟踪瞄准系统结构也不相同。对于固定基座固定基座使用的激光通讯设备，设备口径在100MM以下，结构框架相对重量较轻、带宽较高，同时由于作用距离相对较近（跟踪精度相对较低），所以可以采用传统的速度闭环加位置闭环的单级控制结构。这种单级控制结构的原理框图如图1所示。位置调节器速度调节器功率驱动执行电机跟踪架速度反馈目标位置速度滞后反馈加速度滞后反馈单级控制结构的原理框图但对于动基座使用的和远距离使用的激光通讯设备，由于跟踪精度要求较高和基座扰动的存在，很难将跟踪瞄准精度控制在10URAD以内，基座扰动信号一般可以描述成FAMSINWT，其中AM是扰动幅度，一般在13范围内，W代表扰动频率，一般在051范围内。传统单级控制系统模型带宽的设计受限与机械框架的谐振带宽等因素，一般可以设计到位置回路闭环带宽68HZ，因此难以抑制基座带来的干扰。所以需要引进控制带宽更高的二级控制系统（快反系统），采用传统的速度闭环加位置闭环控制系统（粗控制系统）加快反系统（精控制系统）共同参与的复合轴控制结构，当粗控制系统控制精度达到精控制系统要求时启动精控制系统（快反系统）。复合轴控制系统结构原理框图如图2所示。位置调节器速度调节器功率驱动执行电机跟踪架速度反馈目标位置速度滞后反馈加速度滞后反馈压电陶瓷快速反射镜控制器目标指向四象限高速探测器图1复合轴控制系统结构原理框图同时为了消除基座晃动引起的扰动误差，需要引进实现动基座视轴稳定的三级控制系统。这种三级控制系统主要实现基座晃动下的视轴稳定跟踪，有利于跟踪精度的提高和目标捕获。这种三级控制系统需要采用组合惯导系统对基座的姿态进行测量，通过坐标转换公式计算出基座的扰动速度，将计算出的基座扰动速度顺馈到设备的粗跟踪回路的速度环，从而实现降低基座扰动对设备视轴指向的影响。引入三级控制的设备控制系统原理框图如图3所示。位置调节器速度调节器功率驱动执行电机跟踪架速度反馈目标位置速度滞后反馈加速度滞后反馈压电陶瓷快速反射镜控制器四象限高速探测器S目标指向船摇扰动FT图2引入三级控制的设备控制系统原理框图3指标分析与设计31系统探测器与传感器选择311精跟踪回路光斑探测器光斑检测系统是一种由输入光信号照射到目标靶面，目标靶面经过光电转换探测到输入信号位置以及光斑强度的系统，并能和光斑跟踪系统一起根据检测所得的数据对输入光信号光强重心位置进行解算。其系统的主要元件为四象限探测器（QD），原理如下。QD是一种光电探测设备，其感光面按照X、Y轴被分为4个部分，等同于直角坐标系中的四个象限。当激光束成像到探测器的光敏面上时，形成一个光斑，如图15左图所示。光斑在探测器的四个象限中也被分成四个部分，面积分别表示为1234S、，这4块光斑在探测器表面分别产生的阻抗电流为1234II、，根据电流的大小可计算出光斑在坐标系中的位置。图4右图为实验室用的QD器件。图3光斑示意图及PSD当光斑中心不在探测器中心时，光斑的偏移将改变光斑在四个象限上的投影面积，光斑的偏移量YX和与光斑在四个象限上投影面积差成正比，即与探测器四个象限的输出电流差成正比，由于电流经过放大电路转换成电压（为了易于后端主控板接收信号），因此激光光斑中心的偏移距离可表示为142314231423123412341234SIVXKKKIYI式中电压V、为QD各象限输出的光电流信号转化成的电压信号，K是一个可调节系数，用上面的公式即可算出脱靶量信息。QD接收光信号后输出的是四项弱电压信号，输出信号幅值在毫伏级，这样的弱信号不能直接送到AD转换器使用，需要经过运算放大处理，将其放大到适合AD转换量程上限的强信号，在选用5VAD转换器的情况下，当入射光使探测器输出饱和的情况下，需要将此时的饱和输出电压值放大到接近AD转换器的上限转换电压值5V，但不能超出量程。QD输出的弱信号本身会含有一定的背景噪声信号，这些噪声信号一般均为高频信号，为了削弱这些高频噪声信号对探测器位置检测计算的影响，需要在信号放大后进行低通滤波信号处理，低通滤波截至频率设计到20KHZ。经过低通滤波处理后的每一路信号分别送到8通道16位高精度AD转换器的每一个输入端进行A/D转换处理，将其转换成16高精度数字信号，DSP控制芯片将这四路数字信号通过总线采集到控制器内，通过QD探测器的位置解算公式就计算出探测器采集到的光斑重心位置数据。四路弱信号运算放大器PSD的V3输出信号PSD的V4输出信号PSD的V2输出信号PSD的V1输出信号四路低通滤波电路四路16位高精度AD转换器总线DSP运算控制器图4QD信号采集处理框图A系统拟选用QD主要参数如下BQD靶面尺寸3MM3MM；C光谱范围13101550NM；D入射光斑尺寸021MM。目前实验室测量结果如下使用波长为1550NM，光斑位置分辨率为2M，数据输出频率2000HZ。如果将QD换算为成靶面分辨率的话，约为15001500。由光学系统参数设计可知，接收系统像元角分辨率约为056RAD，其光学视场为419RAD。同时QD的数据更新率可以达到2000HZ。312快速反射镜快速反射镜选用PI公司的S340型号高速压电偏摆镜，其满振幅摆动频率可以达到1KHZ，并且其本身带有位置检测元件，这种位置检测装置采用压电陶瓷进行位置检测，分辨率为01RAD，摆动范围最大为2MRAD，重复精度可以达到1RAD，同时其可载荷最大面积为100MM的反射镜。其基本技术指标如表1所示，实物图见图5。表1PI快速反射镜主要参数口径50MM开环行程2MRAD20行程（机械转角）2MRAD位置分辨率01RAD全行程重复性1RAD机械谐振频率（5015MM玻璃镜）900HZ20图5PIS340实物图当反射镜直径50MM厚度15MM时，谐振频率可以达到900HZ。经过光学设计计算，在系统入瞳直径为240MM时，倾斜45放置的口径50MM（倾斜方向）反射镜，转动2MRAD时，约可以实现05MRAD（103）的视场偏移。精跟踪系统视场角为15MRAD15MRAD。快速反射镜的行程覆盖在精跟踪视场之内（精跟踪市场选的偏大是为了光斑静态瞄准容易考虑）。快反镜的控制驱动器采用PI公司EP04K004型号的配套控制器，该驱动器具有双通道信号处理和功放驱功能，是一款小型OEM型驱动器。图6EP04K004型号快反镜控制器EP04K004控制器的功放驱动性能如表2所示表2EP04K004控制器的功放驱动性能目标位移信号控制输入电压范围10TO10V驱动电压输出范围20TO120V最大输出功率100W平均输出功率28W最大输出电流500MA平均输出电流200MA电流过载保护防短路设计输入阻抗50K对比NEWPORT公司的FSM300快反镜指标如下表3FSM300快速反射镜主要参数口径25MM开环行程262MRAD行程（机械转角）262MRAD位置分辨率1RAD全行程重复性3RAD机械谐振频率（5015MM玻璃镜）800HZ通过对比可以发现，本文选用的快反镜在精度和分辨率上远高于NEWPORT公司的FSM300快反镜。313编码器选择编码器拟采用海德汉公司的两款高精度编码器,型号分别是RON905和RCN829。RON905是一款增量式编码器，系统测角精度高达04，分辨率是29位。图7RON905编码器实物图图8RON905编码器尺寸图RCN829是一款绝对式编码器，具体指标如下系统精度1位置测量分辨率000005时钟频率小于8MHZ最大转速1000R/MIN图9RCN829编码器实物图图10RCN829编码器尺寸图314电机参数粗跟踪回路采用的执行元件是力矩电机，力矩电机具有力矩输出大，力矩波动系数小等优点，适合于做高精度控制系统的驱动元件。方位力矩电机峰值堵转电压40V4V峰值堵转电流25A峰值堵转力矩不小于80NM70V时空载转速25R/MIN连续堵转力矩不小于50NM连续堵转电压30V3V连续堵转电流145A转动惯量36KGM2力矩波动系数不大于1重量97KG俯仰力矩电机峰值堵转电压30V3V峰值堵转电流63A峰值堵转力矩不小于64NM60V时空载转速50R/MIN连续堵转力矩不小于40NM连续堵转电压25V25V连续堵转电流4A转动惯量0105KGM2力矩波动系数不大于2重量135KG根据以往类似设备检测数据，选用该型号力矩电机可满足最大速度和最大加速度的任务要求。315功率放大器功率放大器完成对PWM控制信号进行功率放大，由25A大功率开关电源和30A功率级组成，装于一个机箱内，采用机箱散热与风冷结合方式，其结构如图12所示。功率放大器内部采用6单元IGBTIPM智能模块为核心功率器件，IPM模块的驱动电路内置，具有软开关功能，能防止误导通。IPM内含多种保护电路过流保护、负载短路保护、控制电压欠压保护及过热保护，并内含报警输出功能，当IPM出现保护动作时，有报警信号输出，该信号可使控制计算机停止输出驱动信号，并有指示灯显示报警。图11功率放大器316精回路探测CCD相机（短波相机）精跟踪回路备用探测器采用BOBCAT640CL短波红外相机，其指标如下像元数640512采样帧频最高100HZ象元尺寸20M图12BOBCAT640C短波红外相机317粗回路探测CCD相机粗回路探测器选用MC136063可见光相机，其具体参数如下靶面大小1280X1024象元大小14M采样帧频100HZ图13MC136063可见光相机318小型组合惯导姿态测量系统为了实现动平台下的视轴稳定需要对跟踪架的姿态进行测量，测量元件采用小型组合惯导平台。本方案拟选用星网宇达公司的XWADU7612型姿态组合测量系统。其外形图如图15所示。系统采用双GPS、高精度的闭环光纤陀螺和加速度计实现姿态方位组合导航功能。当卫星信号被完全遮挡后，系统进入纯惯导模式，凭借高精度的光纤陀螺，在一定的时间内仍可保持良好的测量精度。图14XWADU7612外形图XWADU7612内置三种应用模式，分别为车载模式（地面应用），船载模式（海上应用），机载模式（航空应用）。技术指标如表4。表4XWADU7612技术指标319伺服控制器伺服控制器硬件结构如图16所示，控制器采用DSPFPGA结构。DSP负责控制运算和PWM波的产生，同时和内嵌程序的FPGA进行数据通讯。FPGA负责地址译码和总线仲裁，实现DSP对外围电路的通讯和控制。控制器通过串行通讯卡AT16C654与一些外部系统实现串行通讯功能，通过AD7864采集模拟数据。DSPTMS320F2812FPGA（EP1C12Q240C8）事件管理器PWM16位数据总线AT16654四路串口可见电视编码器数据数据通讯红外电视总线AD7864A/D转换QD信号总线方位功率级方位力矩电机俯仰功率级俯仰力矩电机PWMPWMI/OI/O俯仰0、180度限位方位、俯仰启动方位功率级报警俯仰功率级报警面板控制按键1000HZ100HZCAP1CAP2转台功率级转台伺服电机PWMI/O时统信号FSM控制图15伺服系统结构框图3191DSP芯片采用DSPTMS320F2812作为伺服控制器核心，TMS320F2812是TI公司针对数字控制领域而推出的，它是目前控制领域最高性能的处理器，具有控制精度高、速度快、使用灵活以及集成度高等优点，已广泛应用于工业自动化、光学网络以及自动化控制等领域。TMS320F2812的CPU运行速率可以达到150MIPS，数据总线为32位，内部集成乘法累加器，指令采用流水线处理，使得数据的能力大大增强；同时在片内还集成了128KB16位的FLASH存储器和18KB16位的SARAM存储器；针对数字控制领域，还集成了两个事件管理器可以发送12路PWM信号，为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能，还兼有死区控制功能。TMS320F2812采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行双1616乘加和3232乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。在设计伺服控制卡的电路时，并没有使用TMS320F2812全部外设接口，而只是使用其中的一小部分，如GPIO接口和EVA/EVB接口。由于采用可编程逻辑器件（FPGA），使得DSP的硬件电路设计非常简单。将DSP的数据总线、地址总线、读写控制线以及中断信号线都引入到FPGA中，根据特定的要求，在FPGA内完成时序和逻辑设计，如为TL16C554，AD7864提供地址选通信号等。另外本伺服控制系统的I/O口的数量较多，还需要在FPGA内完成扩展I/O口的功能。3192FPGA电路设计FPGA用于辅助DSP对外围设备的逻辑控制，选用CYCLONE系列FPGA中的EP1C12Q240C8，具有12060个逻辑单元LE和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。FPGA采用模块化的设计思想，内部设计结构图如图17所示，主要完成的功能有以下三个部分传递PWM调宽波信号；实现DSP与串行通讯芯片、A/D芯片的接口逻辑；地址译码实现。图16FPGA设计框图3193串行通讯接口设计串行通讯芯片采用ST16C654，其具有64字节输入输出FIFO。3194A/D采集接口采用AD7864芯片实现A/D转换功能，并用FPGA实现对AD7864芯片的控制以及DSP的逻辑接口功能，其主要特性有4通道单端输入，12位分辨率；输入模拟量电压范围10V，5V可选；可达165S转换速度。A/D转换主要完成的功能是采集模拟信号并转换为12位数字量送给DSP。32跟踪精度分析与设计321精跟踪回路设计与分析3211精度分析与系统带宽设计复合轴跟踪系统的跟踪精度要求为跟踪误差均方根值小于2RAD（04），这是一个很高的要求。同时，我们考虑到粗跟踪系统会为精跟踪系统带来高达30HZ左右的振动干扰，它严重影响着系统对目标的高精度跟踪，因此，精跟踪系统要具有足够的控制带宽对其进行抑制，才能达到要求，从而保证跟踪精度的实现。跟踪精度与系统带宽之间的关系可用如下公式进行粗略的估算。对于我们现在采用的二阶校正形式的一阶无差度系统，加速度品质因数与系统位置回路闭环带宽存在如下关系KAA235FB2式中KA加速度品质因数；AKA对应的角频率；FB位置回路闭环带宽。对于精跟踪系统，一般扰动输入可写为AAMSINT，其中AM20000555（取决于精跟踪系统的稳态随机误差）；2314301884（RAD/S）。有最大加速度AMAM21972（/S）为达到跟踪精度均方根值04，所需加速度品质因数KAAM/EM19723600/304591601/S2则（HZ）1305ABF因此有位置回路开环带宽FC130/265HZ，开环剪切频率C408RAD/S。对于母系统，目标运动最大角加速度一般不超过AM1/S2。要求跟踪误差最大值小于103/617，所需加速度品质因数KAAM/EM13600/17211761/S2则（HZ）7853ABF因此有位置回路开环带宽FC778/2389HZ，开环剪切频率C244RAD/S，可取C25RAD/S。这时速度回路开环剪切频率CV5C125RAD/S，因此有速度回路开环带宽FCV125/2314199HZ，闭环带宽FBV2FCV398HZ。控制对象机械谐振频率FR2FBV796HZ。因此，应使跟踪架机械谐振频率大于80HZ。3212滞后时间对控制系统带宽的影响分析探测器曝光时间（采样时间）和数据处理时间（包括传输时间在内）所产生的延时共同构成了处理系统的滞后。通常用下式表示GS1ETS/SETS式中T采样周期；T延迟时间。图像处理系统的滞后主要对控制系统的相角滞后产生影响。由采样保持和延迟导致的相位滞后为PT/2TCP573式中CP位置回路开环剪切频率。控制系统位置回路设计相位裕度为PC，而系统实际相角为PM，有PMPCP。工程实践和理论研究表明，要使闭环系统具有良好的稳定性，应该满足PM大于40。由此可得CP（PCPM）/T/2T573其中PC可取70。这就是探测器采样频率和处理延迟对控制系统带宽的影响。设图像处理器的处理延迟时间为半帧，则采样频率和控制系统闭环带宽的关系如下表5采样频率和控制系统闭环带宽采样频率（HZ）控制系统闭环带宽（HZ）10016675008337100016674在实际过程中还将采用外推预测补偿方法，减小滞后造成的相位延迟，以扩展控制系统带宽。3213设计分析总结为保证精跟踪子系统的控制带宽，我们采取如下措施第一，选用高帧频探测器。子系统选用的四象限探测器像元数为15001500，其分辨率更是达到了01，数据输出帧频可以达到2000HZ，满足了采样频率是带宽的5倍以上的要求。第二，四象限探测器数据输出不存在滞后延迟的问题，从而可以保证子系统的带宽可以做到65HZ以上。第三，选用压电陶瓷驱动的快速反射镜，在光学口径和工作行程都满足设计要求的条件下，其谐振频率达到900HZ以上，可以满足精跟踪系统的控制需求。要使精跟踪子系统最终精度达到04（RMS）的控制要求，粗跟踪母系统的跟踪精度应做到17以内。根据母子系统之间带宽关系，可以考虑将母系统的闭环带宽做在810HZ左右。为此，应满足以下条件第一，跟踪架的谐振频率在80HZ以上。第二，编码器采用24位以上，编码器采样频率和功率放大器控制频率为800HZ。第三，粗跟踪探测器选用100HZ采样频率的高帧频CCD探测器，不会给系统带来太大的延迟和相位滞后，从而轻松保证粗跟踪处理系统的带宽达到810HZ以上，以达到跟踪精度要求。3214仿真分析针对上文的设计参数分析，下面对设计的系统进行仿真分析和数据比较。粗跟踪回路的跟踪精度要做到17以内，根据以往设备经验，这个数据比较容易达到，因为激光光斑对准后运动特性较低，加速度和速度都分别小于1/S2和1/S。所内某型号经纬仪在低速（05度加速度，2度角速度）目标跟踪时的稳态误差跟踪曲线如图18所示。543210123451298595892118914861783208023772674297132683565单位（角秒）系列1图17某型号经纬仪目标跟踪时的稳态误差跟踪曲线从图中可以看出，跟踪稳态误差小于4，远小于粗跟踪17的精度要求。当目标运动特性加速度降低到0时，相当于设备作低速等速目标跟踪，所内某型号经纬仪作05/S匀速目标跟送时的跟踪误差曲线如图19所示。从图中可以看出跟踪误差只有12。1510500511513146279401253156618792192250528183131344437574070单位（角秒）图18某型号经纬仪作05/S匀速目标跟送时的跟踪误差曲线对于精跟踪系统，要使其跟踪误差小于04，不仅仅要考虑粗跟踪系统残留的跟踪误差（包含30HZ左右的振动扰动），还需要考虑其基座引入的晃动干扰FAMSINWT3SIN08T。建立精回路的系统仿真模型如图20所示。在仿真输入端只加入粗跟踪系统残留的跟踪误差（包含30HZ左右的振动扰动）R2SIN1884T时精跟踪系统的跟踪误差曲线如图21所示，稳态跟踪误差小于04。CONTROLLERCONTROLLERZEROORDERHOLD2Z1UNITDELAYSINEWAVESCOPE6SCOPE5S340S340图19精回路的系统仿真模型图20精跟踪误差曲线当考虑基座引入的晃动干扰FAMSINWT3SIN08T时，系统地稳态跟踪误差仿真结果如图22所示。通过曲线可以看出稳态跟踪误差小于04。图21精跟踪误差仿真曲线通过上面的分析和仿真可以看出，只要严格按照精度指标分析去选取系统的各个检测元件，控制好系统的噪声干扰，通过精回路的高带宽设计，是可以实现高精度跟踪瞄准精度小于04的。322粗跟踪回路设计与分析根据精回路跟踪精度对粗回路跟踪精度的要求，粗回路需要实现在目标运动特性加速度不大于1/S2和速度不大于1/S的情况下稳态跟踪误差不大于2。粗跟踪回路是一个位置随动系统，采用速度和位置双闭环的串级控制结构。设计方法上，采用连续系统频率特性法设计调节器，然后用双线性变换方法进行离散化处理，以实现计算机控制。由于设计方位、俯仰控制结构的调节器方法相同，因此仅以方位系统为例进行设计。方位控制对象传递函数为02681GSS3221系统的品质要求根据技术指标要求，在保精度工作范围内，为保证跟踪精度，系统的品质因数要求为在最大保精度速度1/S和最大保精度加速度1/S2情况下，要求系统品质因数达到MAX360“8VKAX12“3222速度回路设计综合考虑速度回路校正参数取为426091053VCSSGS校正以后的速度开环传递函数是1091538VOSS速度回路开环频率特性如图23所示，剪切频率CV802RAD/S，相位裕度PM763，系统满足稳定条件。图22速度回路开环频率特性图3223位置回路设计位置回路设计的目的是实现伺服系统所要求的在一定速度、加速度条件下稳态和动态性能指标。影响伺服系统的稳态及动态性能主要因素是传感器采样频率和滞后时间、位置回路的带宽、开环增益和无差度型别等。应根据不同的跟踪方式，设计不同的校正控制器。32231数字引导跟踪引导跟踪由于具有速度前馈，系统精度很容易达到，以稳定性作为重点考虑。位置回路校正环节取为30416PCSGS此时位置回路的开环频率特性如图24所示，系统开环剪切频率为C216RAD/S，相位裕度PM707。计算出这时系统的速度品质因数，加速度品质因数，30VK53AK不能满足系统精度要求。为提高系统精度，引入速度前馈构成复合控制，取速度补偿系数K097，可计算出此时系统速度品质因数，加速度品质因数，远远968V186A满足系统精度要求。图23数引跟踪位置回路开环频率特性根据系统跟踪性能要求，对于保精度角速度1/S和角加速度1/S2，输入正弦信号，仿真结果如图25所示，系统跟踪误差最大值138，满足技术指标要求。1SINTT另外考虑到实际情况下有时引导信息不准确，距目标的实际位置有一定偏差，此时可将单杆数据叠加到引导位置值上，通过操作单杆来修正引导信息的位置偏差，以满足实际工作需要。图24数字引导正弦跟踪误差曲线32232电视自动跟踪电视的采样频率为100HZ，电视采样频率下位置回路校正函数为21045PCSGS这时系统的速度品质因数，加速度品质因数，无法满足系统加速度VK135AK品质因数的要求。对此加入速度滞后补偿函数034VDS可计算出此时速度品质因数，加速度品质因数，满足系统精度要27VK1890AK求，图26为采用速度滞后补偿的位置回路开环频率特性图,此时开环剪切频率RAD/S，相位裕度，满足系统稳定条件。用等效正弦作仿12C064MPSIN1TT真输入，同时引入1角秒的高频随机误差，系统跟踪误差最大值小于2，仿真结果如图27所示。图25100速度滞后补偿位置回路开环频率特性图图26速度1/S和加速度1/S2电视跟踪误差曲线323三级视轴稳定跟踪回路设计与分析对于动机座使用的激光通讯平台，为了使粗回路探测CCD能够成功捕获信号光斑，需要将平台的视轴稳定在粗回路探测CCD的1/6视场以内。粗回路的视场在1左右，所以需要将基座晃动引起的误差控制在5以内。目前光电跟踪平台大都采用速度、位置双闭环控制模型。对于动机座光电跟踪平台，机座晃动扰动直接作用到光电跟踪平台的位置环输出位置，为了抑制机座晃动扰动的影响，需要采用复合控制加入顺馈抑制扰动输出。对与光电跟踪平台的电视跟踪方式和数据引导跟踪方式，抑制机座晃动扰动的光电跟踪平台控制模型如图28所示。对与光电跟踪平台的手动跟踪方式，抑制机座晃动扰动的光电跟踪平台控制模型如图29所示。G1G21/SRSFSGVYS图27电视跟踪和数据引导跟踪方式下的光电跟踪平台机座晃动扰动抑制原理图G1G21/SRSFSGVYS图28手动跟踪方式下的光电跟踪平台机座晃动扰动抑制原理图图28和图29模型中，当RS为0时，机座晃动扰动输入FS与光电跟踪平台输出YS之间的关系如下公式所示2211VGGFSYSS为了使在有机座晃动扰动输入FS情况下光电跟踪平台视轴无变化，即YS等于0，需要210VGS由于光电跟踪平台速度环带宽设计的比较宽，一般速度环带宽大于100RAD/S，所以，因此可以设计成。所以只需要将机座晃动的扰动速度取反顺馈到光电21GV跟踪平台的速度回路即可抑制机座晃动扰动对光电跟踪平台视轴稳定跟踪的影响。这样设计的机座晃动扰动控制模型在理论上可以近似完全消除机座晃动扰动对光电跟踪平台视轴稳定的影响，但需要对机座晃动扰动输入FS进行准确测量。对于动机座光电跟踪平台主要有三种应用，一种是船载光电跟踪平台，一种是车载光电跟踪平台，最后一种是空载（星载、机载）光电跟踪平台。测得动机座的姿态晃动后，需要将基座的姿态数据通过坐标转换公式转换成光电跟踪平台编码器所在的基座坐标系数据，这样光电跟踪平台才能够使用转换后的数据去进行视轴稳定控制运算，从而实现光电跟踪平台视轴稳定跟踪。组合惯导平台对动机座的姿态晃动的测量采用的是大地坐标系。而光电跟踪平台采用的是机座坐标系，经纬仪的位置测量数据是相对于动机座平台的。因此组合惯导平台测得的动机座姿态数据需要进行坐标转换，最终转换成光电跟踪平台使用的光电跟踪平台底座坐标系数据，这样光电跟踪平台才能用转换后的姿态数据去抑制经纬仪机座晃动扰动对光电跟踪平台视轴稳定的影响。YXZXCYCZCO图29惯性坐标系与甲板坐标系图30中，X,Y,Z是大地坐标系直角坐标，XC,YC,ZC是光电跟踪平台底座坐标系直角坐标。大地坐标系中直角坐标X,Y,Z到光电跟踪平台底座坐标系直角坐标XC,YC,ZC的坐标转换公式如下公式10COSIN0COSINCOSIN10ISXPHXYRYZZ其中R、P、H分别为组合惯导测得的光电跟踪平台底座坐标系Y向角、Z向角、X向角。将光电跟踪平台底座坐标系直角坐标XC,YC,ZC转换为光电跟踪平台底座极坐标系，可以计算出大地坐标系下光电跟踪平台底座晃动扰动转换到光电跟踪平台底座极坐标系下的光电跟踪平台视轴扰动角度1TANCOSINSINCOSSI/COIAERAHRPAHPE其中AC是光电跟踪平台底座极坐标系下方位扰动角度；EC是光电跟踪平台底座极坐标系下俯仰扰动角度；为光电跟踪平台方位编码器的角位置实测值A为光电跟踪平台俯仰编码器的角位置实测值E惯性极坐标系下光电跟踪平台底座晃动扰动速度到光电跟踪平台底座极坐标系下船摇扰动速度的转换公式COSSINCOSSININTACOIPHRHVRAPAAE其中ACV是光电跟踪平台底座极坐标系下方位扰动角速度；ECV是光电跟踪平台底座极坐标系下俯仰扰动角速度；为微型组合惯导平台测得的大地坐标系下光电跟踪平台底座X轴角速度值R为微型组合惯导平台测得的大地坐标系下光电跟踪平台底座Y轴角速度值P这样通过上文公式计算出光电跟踪平台底座的扰动速度，并将其取反顺馈到光电跟踪平台的速度回路，就可以实现动机座光电跟踪平台的视轴稳定跟踪。3231动机座光电跟踪平台视轴稳定跟踪的仿真模型与仿真精度鉴于目前动机座光电跟踪平台基座的晃动一般不高于扰动模型FAMSINWT3SIN08T，所以可以针对基座扰动输入FAMSINWT3SIN08T进行动机座光电跟踪平台视轴稳定跟踪的精度分析。本文中采用组合惯导平台进行光电跟踪平台底座姿态测量，测量精度可以达005，在我们某型号动机座经纬仪中实际使用测量精度实际达到了1角分。常规光电跟踪平台机械谐振带宽一般可以做到450RAD/S650RAD/S,伺服系统速度环带宽可以做到70RAD/S100RAD/S,针对这种情况建立仿真模型如图31所示。图30光电跟踪平台视轴稳定跟踪精度仿真模型图313SIN08T扰动下位置开环视轴稳定跟踪精度曲线图32是基座扰动输入为FAMSINWT3SIN08T，同时加入1角分高频随机误差的情况下，光电跟踪平台位置开环情况下的视轴稳定跟踪精度曲线。从中可以看出，在粗跟踪电视跟踪开环的情况下可以实现视轴稳定跟踪精度达到优于005，满足视轴稳定跟踪精度优于粗跟踪探测CCD1/6（5）视场的要求。图33是基座扰动输入为FAMSINWT3SIN08T，同时加入1角分高频随机误差的情况下的视轴稳定跟踪精度曲线，可以看出，在视轴稳