球载经纬仪伺服控制方案设计

球载经纬仪伺服控制方案设计1球载经纬仪平台稳定控制球载经纬仪工作方式和地面经纬仪工作方式区别较大，球载经纬仪悬吊于空中工作，其底座不能固定把死。因此当经纬仪方位轴、俯仰轴在作旋转运动时，由于动量守恒原理的存在，将会使经纬仪框架产生相反向的运动，这种方向运动会使得经纬仪视轴运转产生偏差，因此必须想办法消除动量平衡引起的经纬仪框架平台扰动，使经纬仪框架相对于惯性空间稳定。为了消除经纬仪视轴运转对经纬仪框架产生的扰动，本方案中在经纬仪的俯仰轴两端加装旋转飞轮，在经纬仪方位轴方向上（经纬仪框架顶端或底端）加装旋转飞轮，旋转飞轮旋转方向与经纬仪视轴运转方向相反，用旋状飞轮的转动惯量去消除经纬仪运转引起的转动惯量，从而使得经纬仪框架转动惯量接近为零，保持框架相对惯性空间稳定。G1G21/S经纬仪视轴运转量SKG2K经纬仪视轴运转量飞轮速度输出为了测量飞轮的旋转角速度，需要在经纬仪的飞轮旋转轴上分别加装一台测速机。从而实现飞轮的速度闭环稳定控制。一般情况下，经纬仪的速度不会大于120/S，本方案中选择的高速飞轮驱动电机的最大角速度为6000R/M，因此可以设计旋转飞轮与经纬仪的转动惯量比为1200。综合考虑平衡效果和安装方便的因素，方位可以将飞轮安装于经纬仪底座的同轴端，俯仰飞轮安装于俯仰轴的两端。2球载经纬仪视轴空间稳定控制经纬仪悬吊在空中工作，除了受到视轴旋转惯量的影响，还要受到风吹、重量不平衡、气球抖动等影响，这些影响因素都会对经纬仪的底座平台稳定产生影响，使得经纬仪的底座平台相对惯性空间运动，从而对经纬仪的视轴稳定跟踪目标产生影响。为了解决球载经纬仪视轴稳定问题，必须测得经纬仪底座平台的运动姿态，利用测得的姿态数据去修正底座平台对经纬仪视轴的扰动，实现球载经纬视轴相对惯性空间稳定。球载经纬仪视轴空间稳定控制原理框图如图2所示。其中FT为视轴扰动，G2为球载经纬仪速度回路开环等效模块，G1为球载经纬仪位置回路控制器，1/S为编码器引进的位置积分环节，S为对视轴扰动的控制模块。G1G21/SRTFTS图2球载经纬仪空间视轴稳定原理框图本方案采用组合惯导平台测量经纬仪底座的姿态数据，姿态测量精度可以高于1角分。组合惯导实物图如图3所示。组合惯导平台测量得到的经纬仪姿态数据是相对于惯性坐标系的，为了与经纬仪的传感器同步，需要将其转换成经纬仪底座所在的平台坐标系。修正角度计算公式如下1TANCOSINSICOSINSCO/SIIIIAERAPAERPP修正角速度计算公式如下COSSININTACOSINPRPVAEARC其中为经纬仪方位编码器的实测值为经纬仪俯仰编码器的实测值为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角度值R为局部基准测得的大地坐标系下X轴角度值P为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角速度值R为局部基准测得的大地坐标系下X轴角速度值P为经过大地坐标系到经纬仪底座坐标系转换后的方位角度修正值AC为经过大地坐标系到经纬仪底座坐标系转换后的俯仰角度修正值E为经过大地坐标系到经纬仪底座坐标系转换后的方位角速度修正ACV值为经过大地坐标系到经纬仪底座坐标系转换后的俯仰角速度修正E值将计算出的方位速度修正值和俯仰角速度修正值顺馈到经纬仪的速ACVECV度回路，从而实现球载经纬仪视轴扰动的修正，保证视轴稳定。电视跟踪、数引跟踪方式下船摇扰动修正的原理框图如图4所示，单杆跟踪方式下的船摇扰动修正的原理框图如图5所示。G1G21/SRTFTS修正速度顺馈视轴扰动速度回路位置回路图4电视、数引跟踪方式下视轴稳定原理框图G1G21/SRTFTS修正速度顺馈视轴扰动速度回路单杆输入图5单杆跟踪方式下视轴稳定原理框图某型号经纬仪采用本视轴稳定方案在视轴扰动输入为5度幅值10S周期正弦信号的情况下，电视跟踪方式下可以做到视轴稳定隔离度大于40DB，单杆跟踪方式下可以做到视轴稳定隔离度大于25DB。5度幅值10秒周期摇摆信号下电视跟踪误差15010050050100150128957786511531441172920172305259328813169345737454033单位001秒单位角秒图65度幅值10秒周期正弦摇摆信号下电视跟踪误差曲线5度幅度10秒周期正弦摇摆下单杆跟踪视轴稳定数据曲线2000015000100005000050001000015000200001218435652869108613031520173719542171238826052822单位001秒单位角秒图75度幅值10秒周期正弦摇摆信号下单杆跟踪方式下视轴晃动误差曲线经纬仪的视轴驱动电机目前选定适合30KM空间环境的力矩电机，电机采用高效省电的PWM驱动方式，位置测量传感器选用高精度光电编码器。3球载经纬仪视轴空间定向问题球载经纬仪要跟踪空间目标，必须向确定自身的空间位置和空间指向，带有差分GPS的小型组合惯导平台本身可以测量空间经纬度等姿态数据，也可以定向，但误差相对大一些，所内经纬仪上已经有过使用经理。星敏感器也是空间定向的一种常规传感器，国外的一些球载经纬