光电跟踪系统噪声分析及其抑制

噪声是光电跟踪系统的一个关键问题。分析了影响光电跟踪系统跟踪性能的两种主要噪声-脱靶量噪声和力矩波动引起的噪声,及其与闭环带宽的关系。从抑制噪声的角度综合给出了速度回路和位置回路带宽的设计策略。分析表明,高的速度回路和位置回路带宽有利于抑制力矩波动引起的随机噪声,而对脱靶量噪声而言,低位置回路有利于对该噪声的抑制。进一步分析表明,力矩波动主要对速度回路的影响较大,也主要靠速度回路来抑制。力矩波动引起的随机跟踪误差比脱靶量噪声引起的随机跟踪误差小一个数量级,约为后者的1/6~1/10。因此在设计位置回路带宽时,可以不考虑力矩波动的影响。     

光电跟踪系统快速捕获时间最优滑模控制技术

针对光电跟踪系统目标的快速捕获过程,本文提出了时间最优滑模控制方法。该控制的滑模面函数为时间最优控制系统状态最优运动轨迹,保证系统状态变量沿着最优轨迹滑动;设计相应的指数趋紧率,使状态变量快速平稳趋近滑模面。以180°、90°、60°阶跃信号为捕获目标进行仿真与实验研究,实验结果为时间最优滑模控制调节时间比时间最优控制和滑模控制分别减小了约43.66%、59.67%,超调量为0,稳态波动量为0,稳态误差减小了约为44.94%和62.34%,与仿真结果相吻合。结果表明该方法调节时间短,超调小,稳态值平稳,稳态误差小,鲁棒性强等优点适合应用于光电跟踪系统目标快速捕获,具有重要的研究与应用价值。     

基于卡尔曼滤波器的等效复合控制技术研究

等效复合控制技术是一种比较理想的高精度跟踪技术手段。阐述了复合控制及等效复合控制技术的基本原理,分析了机动目标的随机加速度模型,给出了卡尔曼滤波预测算法的实现过程,并在假定目标满足随机加速度模型的基础上,建立了基于卡尔曼预测滤波技术的光电经纬仪的等效复合控制系统。针对脱靶量滞后问题,提出了一种人为将编码器延迟再和脱靶量合成,而后采用卡尔曼滤波进行外推来克服该问题对系统影响的新方法。仿真结果表明,所建立的等效复合控制系统,可以对60°sin0.573 t的等效正弦目标达到0.2'的跟踪精度,相对于传统的速度滞后补偿方法,精度提高了10倍。最后实验验证了等效复合控制系统的有效性。     

高精度倾角传感器在测量车载平台变形中的应用

为了分析车载平台变形对光电经纬仪测角误差的影响,提出了利用倾角传感器来测量车载平台变形的方法。基于平台变形对光电经纬仪测角误差的影响的基本原理,利用固定在垂直轴轴心的倾角传感器测量出因平台变形而导致经纬仪工作基准面中心点与水平面变化的夹角,计算其测量坐标系的变化量,推导出了倾角传感器输出值与测角误差的关系公式。选用双轴倾角传感器实时测量了经纬仪工作时车载平台的变形值,结果表明,车载平台变形量受方位方向速度影响较小,倾角传感器输出值经过滑动加权均值滤波处理后最小相差为0,最大相差为5.1″;受经纬仪视轴位置影响较大,高低角在0°～90°变化时,高低角越小,倾角传感器输出值越大。这种测量方法为进一步提高车载经纬仪的测角精度提供了理论依据。     

导航信息滞后补偿实现高速无人机对地精确定位

针对高速无人机光电侦查平台的实时对地目标定位误差,研究了基于惯导信息的光电平台目标定位算法。利用目标定位数学模型和误差模型,分析了影响目标定位精度的因素,建立了参数误差对于定位精度影响的数学仿真模型。通过仿真分析确定了卫星导航信息的实时性是造成定位误差的主要因素,提出了通过修正卫星导航信息延时时间来解决了光电侦察平台实时目标定位误差问题。进行了飞行试验以验证提出论点的正确性,结果表明:通过修正卫星导航信息延时时间,有效补偿了载机坐标信息滞后,提高了光电侦察平台目标定位精度,定位误差由补偿前的100m减少到小于40m。研究结果对高速飞行器的相关应用具有重要的参考价值。     

基于神经网络极限学习机数据融合的共轴跟踪

为了在光电跟踪伺服系统中实现共轴跟踪,采用神经网络极限学习机(ELM)对光电跟踪系统设备的运动状态及脱靶量进行了学习、训练和融合,得到了目标的速度和加速度信息.通过算法优化减少了ELM系统大约50％的运算量,使运算周期约为3.5 ms,满足光电跟踪系统的实时性要求.仿真结果表明,当目标运动速度为50°/s、加速度为30(°)/s2时,预测的目标速度在峰值时的误差大约为±3(°)/s.最后,通过跟踪光学动态靶标进行了共轴跟踪实验验证.结果显示,系统最大跟踪误差由速度、位置闭环时的11.35'减小到0.88',随机误差由8.2″减少到7.6″.与其它控制方法相比,提出的方法具有更高的实时性和精确度,能有效提高系统的跟踪精度.     

实时特征级数据融合系统在光电经纬仪的应用

为满足光电经纬仪跟踪实时性的要求,保证跟踪的精度与可靠性,设计并研制了符合多指令多数据流（MIMD）架构的计算系统,采用卡尔曼滤波方式,对多个脱靶量信息进行数据融合。简要介绍了经纬仪的工作原理,对含有多个成像系统的经纬仪数据融合问题进行了数学推导,该推导证明对数据融合求解需要大量的数值计算。为满足上述计算要求,保障实时性,开发出一套的具有双DSP+单FPGA的三个运算单元的专用并行计算系统。描述了三个运算单元的连接方式,分析了每个运算单元的实时运算的时间开销。对专用计算系统进行了硬件仿真,结果表明,在具有三个成像系统的光电经纬仪中,CCD采样频率为50Hz时,光电编码器采样频率为800hz时,该系统可以满足1.25ms的实时性要求。     

应用坐标变换动态修正光电经纬仪脱靶量

分析了目前采用的脱靶量修正模型的适用条件,采用坐标变换法推导出经纬仪脱靶量修正公式,获得了与球面三角学相一致的推导结果,并在此基础上推导出成像系统无照准轴平行约束条件的通用脱靶量合成公式.采用光学系统的物方焦点作为摄像机系统的投影中心,推导出投影中心与经纬仪回转中心不重合条件下摄像机投影中心在测量坐标系中的坐标值.经测量设备的实际验证表明,该修正方法突破了现有修正模型的局限性,适用于多传感器经纬仪成像系统.对于水平不平行度为6.13°,物方焦点到固联中心的距离为0.247 m的成像系统,脱靶量合成修正误差＜16.0"(高低角为65°);投影中心位置误差＜0.04 m.     

应用跟踪误差等效模型评价光电经纬仪跟踪性能

针对目前光电经纬仪跟踪性能室内检测方法的缺陷,提出了评价光电经纬仪跟踪性能的新方法。基于系统辨识理论建立了光电经纬仪跟踪误差等效模型,将等效正弦信号输入等效模型,通过对模型输出进行数据处理来评价光电经纬仪的跟踪性能。介绍了建立等效模型的原理和等效模型阶次,给出了根据光电经纬仪检测指标进行等效正弦信号设计的方法。为得到精确的模型参数,采用动态靶标目标角频率连续调制模式实现了对光电经纬仪动态性能的持续激励。仿真和实验结果显示,得到的跟踪误差等效模型估计误差均值为(2.5872×10-6)°≈0°,最大值为1.8″,标准差为1.1″,表明建立的等效模型能够满足跟踪性能评价要求,实现了对光电经纬仪跟踪性能的合理、准确评价。     

利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度,构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先,利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据;然后,利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息;最后,将目标角速度信息前馈到速度回路,从而构成复合控制系统。实验结果表明:采用复合控制结构后,目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。     

利用动态靶标谐波特性评价光电经纬仪的跟踪性能

提出了一种利用动态靶标实现光电经纬仪跟踪性能等效正弦评价的新方法。分析了动态靶标目标及相应跟踪误差的幅度谱和功率谱特性,提出将动态靶标看作由有限项基频谐波和整数倍基频高次谐波的加权和组成的谐波源。根据被检光电经纬仪跟踪性能设计等效正弦信号,利用动态靶标产生与等效正弦信号同频率的谐波信号完成光电经纬仪跟踪误差系统在该频率下幅频特性函数值的测试。等效正弦的幅值和测得的幅频特性值乘积即为跟踪等效正弦信号的跟踪误差最大值,从而实现了跟踪性能评价。利用该方法测得方位方向的最大跟踪误差为0.65′,远小于4′的指标要求,而利用动态靶标直接检测的值为4.7′。实验表明该方法准确、可行,同时避免了直接利用动态靶标检测时可能使跟踪伺服系统出现过度校正的问题。     

应用径向基函数神经网络的经纬仪跟踪误差建模

提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络建立光电经纬仪等效跟踪误差模型的方法来评价光电经纬仪的跟踪性能.分析了光电经纬仪存在的非线性因素,说明了采用理论建模方法难以准确描述其全部过程的原因.然后,介绍了RBF神经网络和靶标系统,基于一组靶标参数建立了RBF神经网络模型,并更换靶标参数进行模型验证.最后,对更换后的靶标参数进行重新训练建模,并改变参数周期,对模型进行了验证.实验结果表明:所建的神经网络模型精度与靶标参数有关,当动态靶标的半椎角a为21.2°,倾角b为43.8°,靶标匀速运行周期T为8.5s时,网络模型在靶标速度最大时误差也达到最大为3.18′,其它时刻均小于0.6′.当a为16.6°,b为37.5°,T为13 s时,模型最大误差为1.8′左右,在此模型下真实输出与网络模型输出的最大偏差为2.4′左右,其它时刻均小于1.2′.结果表明,采用RBF神经网络所建立的跟踪误差模型能够反应真实系统的情况,是可行实用的,且具有较高的精度和泛化能力.     

三轴转台初始位姿对准误差的测试方法

雷达仿真实验用卧式三轴飞行仿真转台的三轴交汇中心与射频阵列仿真系统球面的球心同心,转台的初始姿态满足一定要求,以减小雷达仿真时的误差。为了三轴转台位姿的精确对准,提出了一种能补偿经纬仪竖直轴线铅垂度误差和俯仰轴零位误差的对准方案,首先根据精确的已知基点的坐标,通过经纬仪对各基点的观测结果采用最小二乘迭代处理方法,确定了经纬仪的三轴交汇中心的位置,再通过经纬仪对转台的内、中环轴轴端安装的靶标进行观测,确定了三轴转台的位置与初始姿态。通过实际测试与调整,解算出了三轴转台的三轴交汇中的坐标为-0.485,0.203和-0.475mm,外环轴指向误差为-59″。该测试结果在位置误差1mm,姿态误差2′的要求范围之内,实现了三轴转台的位姿对准任务。     

基于智能陀螺经纬仪实现快速初寻北

机械陀螺经纬仪初寻北时间的长短是决定其寻北效率的关键因素.从陀螺仪寻北的原理出发,在智能寻北系统中引入了一种快速寻北新方法--加速度判定法.该方法通过计算光标运动的速度与加速度值,能够在陀螺开始寻北数秒后即测量出真北值,并且能够弥补电子罗盘初寻北精度过低的问题,是全自动寻北策略的重要组成部分.以JT-15陀螺仪为样机的寻北实验表明,将加速度判定法应用于智能寻北系统中,仪器初寻北测量精度优于3′54″,满足了JT-15陀螺仪精寻北的条件要求,保证了全自动寻北的速度和精度,对于机械陀螺的快速及智能化寻北具有现实意义.     

经纬仪交会精度定量预测的研究

为了解决已知经纬仪单项差指标时,交会精度的定量预测问题,建立了一系列的公式和图表,用于两经纬仪交会精度的研究。首先给出了用于目标的3维位置估计的基本的多传感器三角交会法的公式,同时利用各个测量误差的泰勒展开式导出了误差传播等式。接下来,在测量误差中引入高斯分布,建立了测量误差的标准差和和目标位置估计的标准差之间的关系式,给出了各误差传播系数的变化曲线图。结果表明,两经纬仪交会角为90度时交会误差最小,交会角在20度到60度之间时,交会误差变化较小。最后,给出了一套等式和图形用于设计一个两经纬仪系统使之满足具体的精度要求。     

基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。     

用经纬仪测量大尺寸三维导轨垂直度的方法

基于经纬仪将运动直线引出来的原理,提出了一种测量大尺寸三维导轨垂直度的新方法。首先在水平直线移动的Y导轨的动基座上安装经纬仪并观察静止靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合出了经纬仪视准轴分别与运动X导轨和Y导轨平行时的水平角,继而测量了X-Y导轨间的垂直度误差。然后将经纬仪固定在地基上,通过观测水平移动导轨上靶标的竖直角的微小变化,采用最小二乘法拟合了X、Y导轨的水平度误差;通过观测与Z导轨固定的靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合了Z导轨的二维铅垂度误差,利用X,Y导轨的水平度和Z导轨的铅垂度换算出了Z-X间,Z-Y间导轨的垂直度误差。最终实现了三维导轨X-Y之间、Y-Z之间、X-Z之间的垂直度的检测,并对测量的垂直度误差进行了精度分析。在研制的月球软着陆系统垂直度的调试中进行了应用,证明了该方法能够满足测量的精度要求。     

组合Kalman隔点预测法用于跟踪机动目标的仿真研究

将Kalman预测法用于经纬仪跟踪机动目标,对不同靶标旋转速度下的机动目标跟踪进行了仿真研究.提出了状态方程输入矩阵G(k),用以弥补等角速度方程的加速度项.根据Kalman预测曲线与实测曲线误差的标准方差最小原则,确定了状态噪声与测试噪声的方差比值Q/R,并优化了适合经纬仪的比值Q/R.提出了组合Kalman隔点预测法,进行了1,2,3个隔点的仿真预测研究.仿真结果表明,组合Kalman隔点预测法可以实现经纬仪隔点跟踪目标.     

光学经纬仪三坐标测量系统的计算方法及误差分析

用光学经纬仪可以对超大工件的形状和位置进行检测。根据经纬仪测量系统的测量原理,对较大范围内检测点的空间坐标计算方法及其误差进行了探讨;通过对系统误差来源的分析,为超大工件三坐标测量系统性能检测规范的制定提供了帮助。     

摄影经纬仪焦距偏差对测角精度的影响

文中针对摄影经纬仪光学镜头调焦系统的设计原理,通过统计工程应用上的焦距偏差范围,定量分析了其中的各个影响因素,并给出了焦距偏差对摄影经纬仪测角精度的影响大小及规律.结果表明:调焦带来的焦距偏差会对测量精度造成一定影响,镜头焦距越小,焦距偏差越大,对测角精度的影响就越大.这是经纬仪研制时所必须考虑的一个因素.