一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法

摘要

一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法，涉及伺服控制系统领域，解决舰载经纬仪在没有船上姿态测量数据的情况下，实现经纬仪视轴稳定的问题。在舰载经纬仪的底座安装一台测量姿态的局部基准，利用局部基准的姿态测量数据去修正由船摇引起的经纬仪视轴晃动，实现经纬仪在船摇晃动下的视轴稳定。本发明中利用局部基准的姿态测量数据，经过大地坐标到甲板坐标的坐标转换，计算出经纬仪在船摇晃动下的速度修正量，送到经纬仪伺服控制的速度回路参与速度运算，从而抑制了经纬仪的船摇扰动，实现了船摇晃动下的视轴稳定。本发明适用于舰载经纬仪的视轴稳定跟踪，特别是针对舰载、车载经纬仪的视轴稳定跟踪具有显著效果。

说明书

技术领域

本发明涉及伺服控制系统领域，具体涉及舰载经纬仪船摇视轴稳定的 有效方法。

背景技术

近年来，随着海上测量技术的发展和各种武器设备的试验需求，舰载 经纬仪在海上的需求越来越多，因此舰载经纬仪在船摇下的视轴稳定 问题也越来越受到重视，成为了一种必须解决的问题。针对远望号等 国家大型测量舰船，船上配备了大型的高精度捷联惯导系统，利用捷 联惯导的姿态测量数据可以修正因为船摇晃动而引起的视轴晃动。但 是对于一些中小型海上测量船只，捷联惯导是没有配备的，或者测量 的精度和数据帧频较低，对于经纬仪来说这样的姿态数据是不可用的 。所以舰载经纬仪的视轴稳定问题不能仅仅依赖于船上的姿态测量设 备。

发明内容

本发明为解决现有利用捷联惯导系统的姿态测量数据存在精度和数据 帧频较低的问题，提供一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法。

一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将局部基准安装在经纬仪底座的下部或者一侧，使局部基准 的Y轴线与船的纵摇线平行，局部基准的X轴线与船的首尾线平行；

步骤二、采用局部基准的姿态数据，根据大地坐标系到甲板坐标系的 转化公式，分别计算出经纬仪的方位角的角度修正值和速度修正值以 及俯仰角的角度修正值和速度修正值；

所述方位角和俯仰角的修正角度计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ac}={\tan }^{-1}\left\{\right[\cos E[\cos R\sin A+\sin R\sin P\cos A]+\sin E\sin R\cos P]/[\cos E\cos P\cos A-\sin E\sin P\left]\right\}\\ \mathrm{Ec}={\sin }^{-1}\left\{\cos E\right[-\sin R\sin A+\cos R\sin P\cos A]+\sin E\cos R\cos P\}\end{array}\right)$

所述方位角和俯仰角的修正角速度计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ecv}={\omega }_P\cos R\cos \mathrm{Ac}-{\omega }_R\sin \mathrm{Ac}\\ \mathrm{Acv}={\omega }_P\sin R-\tan \mathrm{Ec}[-{\omega }_R\cos \mathrm{Ac}-{\omega }_P\cos R\sin \mathrm{Ac}]\end{array}\right)$

式中：A为经纬仪方位编码器的实测值；

E为经纬仪俯仰编码器的实测值；

R为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角度值；

P为局部基准测得的大地坐标系下X轴角度值；

ω_R为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角速度值；

ω_P为局部基准测得的大地坐标系下X轴角速度值；

Ac为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的方位角的角度修正值；

Ec为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的俯仰角的角度修正值；

Acv为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的方位角的速度修正值；

Ecv为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的俯仰角的速度修正值；

步骤三、将步骤二计算出的方位角的速度修正值Acv和俯仰角的速度修 正值Ecv输入到经纬仪的速度回路，用公式表示为： 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{eka}=\mathrm{ya}-\mathrm{aa}+\mathrm{Acv}\\ \mathrm{eke}=\mathrm{ye}-\mathrm{ee}+\mathrm{Ecv}\end{array}\right)$

其中：eka为经纬仪方位速度回路的速度偏差；

eke为经纬仪俯仰速度回路的速度偏差；

ya为经纬仪方位速度回路的速度输入值；

ye为经纬仪俯仰速度回路速度输入值；

aa为经纬仪方位速度回路速度测量值；

ee为经纬仪俯仰速度回路速度测量值； 

获得方位速度回路的速度偏差和俯仰速度回路的速度偏差；实现对船 摇扰动的修正，使视轴稳定。

本发明的工作原理：本发明中设计了一种舰载经纬仪视轴稳定的有效 方法，这种视轴稳定方法采用局部基准进行姿态测量，并将得到的姿 态测量数据带入本发明推导出的大地坐标系到甲板坐标系的两轴姿态 坐标转换公式，从而计算出修正船摇晃动所需的速度修正量，然后将 计算出的速度修正量带入速度回路，从而消除因船摇晃动而引起的视 轴晃动，实现了船摇下的视轴指向稳定。

本发明的有益效果：本发明方法在多种型号经纬仪上得到了应用，并 且实现的视轴稳定精度较高。本发明采用小型局部基准进行姿态测量 ，采用两轴坐 标转换公式实时计算速度修正量，采用抑制扰动的控制原理实现船摇 晃动下的视轴稳定，方法有效而简洁，使用方便。同样本发明也适用 于实现动机座经纬仪的视轴稳定，比如车载经纬仪的视轴稳定。

附图说明

图1为本发明所述的一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法中局部基准 在摇摆台上的安装示意图；

图2为本发明所述的一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法采用电视或 数引跟踪方式下船摇修正原理框图；

图3为本发明所述的一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法采用单杆跟 踪方式下船摇修正原理框图；

图4为本发明所述的一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法中5度幅值 10秒周期正弦摇摆信号下电视跟踪误差曲线示意图；

图5为本发明所述的一种舰载经纬仪的船摇视轴稳定的方法中5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示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，一种舰载经纬仪的 船摇视轴稳定的方法，该方法采用XW-ADU7635局部基准进行船摇姿态 测量，将局部基准的姿态测量数据带入由大地坐标系转换到甲板坐标 系的船摇修正公式，从而计算出船摇角位置和角速度修正量，利用计 算出的速度修正量去修正船摇视轴晃动，从而达到视轴稳定。该方法 由以下步骤实现：

步骤一、将局部基准安装在经纬仪底座的下部或者一侧，使局部基准 的Y轴线与船的纵摇线平行，局部基准的X轴线与船的首尾线平行；

步骤二、利用局部基准的姿态数据，按照大地坐标系到甲板坐标系的 转化公式计算出经纬仪方位、俯仰修正角度和方位、俯仰修正角速度 。

所述方位角和俯仰角的修正角度计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ac}={\tan }^{-1}\left\{\right[\cos E[\cos R\sin A+\sin R\sin P\cos A]+\sin E\sin R\cos P]/[\cos E\cos P\cos A-\sin E\sin P\left]\right\}\\ \mathrm{Ec}={\sin }^{-1}\left\{\cos E\right[-\sin R\sin A+\cos R\sin P\cos A]+\sin E\cos R\cos P\}\end{array}\right)$

所述方位角和俯仰角的修正角速度计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ecv}={\omega }_P\cos R\cos \mathrm{Ac}-{\omega }_R\sin \mathrm{Ac}\\ \mathrm{Acv}={\omega }_P\sin R-\tan \mathrm{Ec}[-{\omega }_R\cos \mathrm{Ac}-{\omega }_P\cos R\sin \mathrm{Ac}]\end{array}\right)$，

式中：A为经纬仪方位编码器的实测值；

E为经纬仪俯仰编码器的实测值；

R为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角度值；

P为局部基准测得的大地坐标系下X轴角度值；

ω_R为局部基准测得的大地坐标系下Y轴角速度值；

ω_P为局部基准测得的大地坐标系下X轴角速度值；

Ac为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的方位角的角度修正值；

Ec为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的俯仰角的角度修正值；

Acv为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的方位角的速度修正值；

Ecv为经大地坐标系到甲板坐标系转换后的俯仰角的速度修正值；

步骤三、将步骤二计算出的方位角的速度修正值Acv和俯仰角的速度修 正值Ecv输入到经纬仪的速度回路，用公式表示为： 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{eka}=\mathrm{ya}-\mathrm{aa}+\mathrm{Acv}\\ \mathrm{eke}=\mathrm{ye}-\mathrm{ee}+\mathrm{Ecv}\end{array}\right)$，

其中：eka为经纬仪方位速度回路的速度偏差；

eke为经纬仪俯仰速度回路的速度偏差；

ya为经纬仪方位速度回路的速度输入值；

ye为经纬仪俯仰速度回路速度输入值；

aa为经纬仪方位速度回路速度测量值；

ee为经纬仪俯仰速度回路速度测量值； 

从而实现船摇扰动的修正，保证视轴稳定。

结合图2至图5说明本实施方式，图2为采用电视跟踪或数引跟踪方式下 船摇扰动修正的原理框图，其中G1是位置回路控制器，G2是速度回路 控制器加负载模型传函，1/S是编码器引进的位置积分环节，R(t)是位 置回路输入，-S是船摇晃动F(t)的位置差分取反。图3为单杆跟踪方式 下的船摇扰动修正的原理框图，其中各个符号的意义和图2中相同，只 是没有位置闭环。其中图4为电 视跟踪下的船摇隔离误差曲线。船摇隔离度的计算是采用公式： d B ，其中move是船摇晃动量，error是视轴晃动误差，h是船摇隔离度 ，船摇隔离度的单位是dB，dB表示两个量的比值，在电视跟踪方式下 可以做到船摇隔离度大于45dB，图5为单杆跟踪下的船摇隔离数据曲线 ，在单杆跟踪方式下可以实现船摇隔离度大于27dB。 

本实施方式中局部基准的安装精度很重要，如果局部基准的X轴线与船 的首尾线平行度差，或者局部基准的Y轴线与船的纵摇线平行度差，将 会直接影响局部基准的姿态测量精度，从而影响视轴稳定精度。