舰载机光电着舰系统视轴稳定技术的研究

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摘要：舰载机光电着舰引导系统是航空母舰上重要的设备，本文设计了一套具有红外传感器、可见光电视和激光测距机的光电着舰引导系统，并对其视轴稳定技术进行了研究， 采用了双速度稳定环设计了伺服回路，并对抗干扰性能进行了仿真分析。

关键词：光电着舰引导 陀螺稳定 伺服控制系统

中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0104-02

1、引言

舰载机的着舰有很大的风险性，首先飞机的甲板长度有限，舰载机必须保证以一定的着舰高度、一定的降落角和合适的姿态降落到甲板上，同时要求着舰点的位置要求非常准确，这样在着舰时才能钩住阻拦索，其次，航母由于受到海浪的影响，其甲板会产生艏摇、横摇、纵摇和升沉的运动，这样的运动会使舰载机的理想着舰点位置发生变化，为了保证舰载机安全着舰，现代的航母都装备一套完整的着舰引导系统，向飞机提供精确的着舰引导数据。

目前，国内用于舰载的光电跟踪设备很多，但真正用于舰载机引导的光电跟踪设备还很少，作为用于着舰引导的光电跟踪设备，为了能够准确安全的引导舰载机着舰，光电经纬仪必须采用高精度的视轴稳定控制方法，克服船摇的影响，从飞机进场到安全着舰的过程中稳定跟踪飞机。

2、光电着舰引导系统

光电着舰引导系统是集可见、中波、测距功能于一体的光电跟踪设备，具有随动跟踪、单站定位的功能。由光电跟踪转台和机下控制台组成，光电跟踪转台上安装了激光测距机、变焦距可见电视和中波红外三个传感器系统。这3个传感器组合在一起，可实现对远、近距离目标的捕获、跟踪和测量。变焦距可见电视焦距变化范围大，可实现对近距离目标的捕获、跟踪；中波红外系统的探测器的波长为3-5μm，主要实现低能见度时对目标的捕获、跟踪和测量；激光测距系统的激光波长为1.57μm，为人眼安全的激光波长，可实现对目标距离的测量，实现光电跟踪测量系统单站定位的功能。其光电跟踪转台的设计效果如图1所示。

3、视轴稳定跟踪技术

安装在舰船上的跟踪设备，为使设备正常工作，必须采用稳定控制方法，从稳定技术角度看，目前采用的方法可分为机械平台和视轴自稳定控制。

光电着舰引导系统采用视轴稳定技术是陀螺稳定技术，属于视轴自稳定控制方法，将两个互相垂直的单自由度的陀螺安装在俯仰框上，两个陀螺分别敏感经纬仪在方位和俯仰方向相对于惯性空间的运动，并将此信号作为速度反馈实现陀螺稳定。其两轴陀螺稳定伺服机构组成框图如图2所示。

从控制原理的角度上看，视轴自稳定控制技术有两种方法，第一种方法为船摇速度前馈法，第二种方法为速率陀螺反馈法。

3.1 船摇速度前馈法

利用船上惯导系统或其它稳定基准实时测量船摇运动的横摇、纵摇、艏摇角度和角速度，经过计算机平滑处理和解算外推，求出船摇速度前馈量。分别输入到伺服控制系统方位和高低回路，进一步补偿船摇扰动引起的指向误差[2]。

3.2 速率陀螺反馈法

速率陀螺反馈法，即将两个正交速率陀螺安装在天线俯仰支臂上，分别敏感船摇运动在天线横向及俯仰轴向引起的扰动信号，并负反馈到角伺服控制系统各只路中组成各自的稳定回路。这种方法已经在我所研制的设备上得到了应用。

其伺服控制结构有两种如图3、4所示。

比较两种方法可知，前者由于在陀螺反馈稳定回路中除包含基座机械谐振频率外，还存在速率陀螺本身的闭环谐振频率，因此对稳定回路的稳定性影响较大，使陀螺稳定回路频率展宽受到限制，对高频扰动的隔离度降低，但它设计、调试比较容易。后者在稳定回路内少了一个陀螺谐振环节，使稳定回路频带可做得更高，它对高频船摇扰动隔离效果更好，但设计与调试的技术难度大[4]。

本论文采用以编码器测速组成了速度内环，陀螺反馈作为速度稳定外环组成双速度环稳定控制的方法。内环包含了驱动电机及负载平台，主要作用是克服控制对象非线性和摩擦力矩对跟踪精度的影响；在速度稳定外环中，速率陀螺测量出框架相对于惯性空间的转速，主要用于敏感载体扰动，通过伺服控制实现视轴稳定，这样的控制方法把抗摩擦力矩干扰功能和隔离载体干扰功能采用分层设计。

3.3 控制方法的抗干扰性分析

为了显示双速度稳定环在抗干扰方面的优越性，本文接下来分别采用船摇前馈的控制方法、采用陀螺反馈的单速度环的控制方法和采用陀螺反馈的双速度环的控制方法对光电经纬仪的伺服控制器进行了设计。并对三种控制器的抗干扰性能进行分析。抗干扰性的分析方法是在船摇扰动的输入处施加与舰船摇运动相近周期和幅值的正弦干扰信号，然后比较经纬仪角度输出端处的响应[3]。输入的干扰信号如图5所示，图6为三种控制方法对干扰的输出响应曲线。通过三个输出响应曲线我们可以得到如下结论：采用陀螺反馈的双速度环的视轴控制方法对干扰的抑制能力最强，采用速度前馈的控制方法对干扰的抑制能力最差。

4、结语

本文针对舰载机着舰过程的复杂性和危险性，设计了一套光电着舰引导系统，用于在舰载机着舰的过程中向飞行员提供精确的着舰引导数据。同时针对其视轴稳定这一关键技术进行了研究，采用基于陀螺的双速度环的控制方法对伺服控制系统进行了设计，通过对抗干扰性能的分析，表明此控制方法有效可行，可以提高系统的隔离度。

参考文献

[1]郑峰婴.舰载机着舰引导技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[2]王凤英.船载电视跟踪仪自稳定问题研究.大连海事大学，硕士论文，2005.

[3]李洁.机（舰）_载目标真值测量设备伺服控制系统的研究.中科院博士学位论文，2002.

[4]李志勇，高宏昌.瞄准线稳定跟踪的计算机控制系统.电光与控制，1994，56（4）：8-11.