光测装备车载不落地测量平台稳定性研究*

李 霁 贾海萨

（92941部队44分队 葫芦岛 125000）

1 引言

为提高靶场光测装备快速布站能力和高度环境适应性，充分发挥光测装备机动灵活的特点，摆脱地域限制，目前靶场主要采用车载不落地测量平台方式完成在硬质的戈壁、草原、水泥混凝土等场地无地基环条件下的试验任务，该方式具有适应性强，展开时间短等特点，用来替代传统的载车大梁落地或者主机落地基环的方式［1］。

但不落地测量平台是否具备与传统方式同样的稳定性与测量精度，是否能够满足靶场跟踪测量要求，并没有进行过有针对性的测试实验。特别是在某些任务中目标航路捷径短，飞行速度快，车载光测装备在不落地测量平台上工作时，经常出现极限条件下跟踪目标的情况，此时伺服系统电机的高激励量级激励使得光电经纬仪和不落地测量平台存在共振的可能［2］。

而且由于高精度调平支腿侧向刚度较弱，晃动和振动所引入的测量误差将会影响光测装备动态测量精度和跟踪稳定性；其中方位和俯仰轴系在快速跟踪状态下所带来的载荷对平台偏角是造成动态测量精度变化的主要因素［3］。因此，如果不落地测量平台稳定度差会导致光测装备跟踪目标稳定性急剧下降，测量精度降低，甚至目标超出视场丢失［4］。

为考核车载不落地测量平台的稳定性，检验高精度调平支腿、高刚度自调平支撑平台和设备系统的响应状态，分析光电经纬仪在各种伺服激励条件下载车系统关键点的加速度响应和位移响应，并考核在扰动状态下动态测角精度。本文分别进行稳定性实验与动态测角精度实验，验证车载不落地测量平台的稳定性、可靠性与平顺性［5］。

2 稳定性测试实验

2.1 实验平台及仪器

在该实验使用口径600mm在研的某型光测装备作为测试对象，整车重量约为13.7t（不包含载车与底盘），由于轻量化设计，其光电经纬仪质量约为6.5t。测试载车选用重汽生产的HOWO系列载车。光测装备处于典型和极限工作状态，底部利用螺栓连接主梁过渡基座和经纬仪底盘，载车调平腿落地，测试在实际的不落地工作模式下进行。位移传感器利用工装固定在靠近载车的地面上，速度与加速度传感器粘合固定在载车上，测试设备及参数指标如表 1［6］。

表1 测试设备及参数指标

2.2 测试设备布设位置分析

该实验着重考察光电经纬仪在典型工作状态下不落地测量平台在水平面内的晃动。经分析对平台影响最大的一是垂直Y方向和水平X方向的位移变化大小和作用时长，二是各个通道方向速度与加速度变化大小和作用时长，因此布设两类传感器，分别是激光位移传感器与加速度传感器，激光位移传感器用于测量车载不落地平台水平面内X方向与Y方向的晃动，加速度传感器用于测量支腿位置及光电经纬仪底板位置X方向与Y方向加速度响应［7］。加速度传感器、激光位移传感器布设情况汇总分别如表2、表3所示。

表2 位移传感器布设汇总

表3 加速度传感器布设汇总

2.3 实验结果

根据某型光测装备的实际性能指标，结合本系统的技术要求，设计高仰角大摆幅低加速度、方位俯仰小幅度中速和中摆幅高速度高加速度3种典型和极限正弦曲线运动工况、如表4所示。在各测试实验工况条件下，加速度和位移响应结果分别如表5、6、7所示，工况1、2、3的位移响应测试结果变化曲线图如图1所示，所有测试参数X均为载车行驶方向，Y方向按照右手法则确定［8］。

表4 测试实验工况条件

表5 工况1加速度和位移响应

表6 工况2加速度和位移响应

表7 工况3加速度和位移响应

图1 工况1、2、3的位移响应变化曲线

由于每个测量通道加速度为均为随机矢变量，按各个通道均符合正态分布情形考虑，各个测量通道加速度最大值aMAX、最小值aMIN与加速度合成均方根值aRMS用来衡量各个通道方向速度与加速度变化大小，加速度峰峰值aPP用来衡量各个通道方向加速度作用时长［9］。同理衡量水平面内X方向与Y方向的晃动位移变化大小和作用时长分别用σMAX、σMIN、σRMS和σPP表示，其表达式由下式（1～4）得出［10］。

通过平台稳定性实验结果可以看出，在3种测试工况条件的角速度角加速度激励下，从伺服系统传递到载车的能量极小，电机激励载荷对载车稳定性的影响基本可以忽略，无明显共振响应发生，各检测通道的加速度RMS均＜0.05m/s2；X与Y方向上的位移RMS均＜2μm。该平台设计满足靶场最大加速度 ≥30°/s2条件下稳定跟踪测量要求。

3 动态测角精度实验

3.1 实验平台及仪器

在该实验中，高刚度自调平支撑平台的设计考虑设备对平台中心的静负载、光电经纬仪在最大伺服跟踪角加速度激励下的动态负载等因素，平台谐振频率远高于伺服跟踪带宽上限［11］。平台和高精度调平支腿利用多个螺栓连接，连接刚度足够。因此平台对动态测角精度的影响主要来源于高精度调平支腿自身。测试设备仍然选用实验1的光电经纬仪主机和自调平载车平台作为测试对象，配备平行光管（测试目标），高精度莱卡全站仪，实验流程情况如图2所示。

图2 动态测角精度测试实验系统流程框图

3.2 实验主要步骤

动态测角精度检测实验的主要步骤如下。

一是使用徕卡全站仪将检测架平行光管夹角真值进行标定，标定后角度值作为真值用于与测量值进行比较，检测系统精度［12］；

二是在光学探测器视场范围内，光电经纬仪对高角平行光管作正弦扰动，当以保精度角速度（0.02～20）°/s、角加速度（0～7）°/s2工作时，计算机实时记录仪器方位角度A、俯仰角度E、时间T，同时记录视频图像信息，并事后判读仪器的目标方位角度脱靶量ΔA和俯仰角度脱靶量ΔE，计算在Ti时刻目标合成值Ai测、Ei测［13］；

三通过下面算式1和2得到动态测角总均方根误差，其中A测为光学探测器对空间目标方位角测量值；A标为徕卡全站仪对空间目标方位角标定值；E测为光学探测器对空间目标俯仰角测量值；E标为徕卡全站仪对空间目标俯仰角标定值；b为光电经纬仪横轴差；C为照准差；N为一个周期测量数据［14］。

3.3 实验结果

通过分析和对比光电经纬仪在落地和不落地两种测量方式下测量值与真值的之差，得到其动态的测角精度，其实验结果数据如表8所示；光电经纬仪对平行光管做正弦扰动，相当于在方位和俯仰轴系引入晃动量，可模拟跟踪高速目标状态［15］。从实验结果可以看出，不落地方式下方位与俯仰方向上的测角误差明显大于落地方式，但不落地方式下两个方向的测角精度仍然可以控制在20"以内，满足靶场光电经纬仪不落地方式方位、俯仰实时动态测角精度 ≤25"指标要求。

表8 实验结果数据

4 结语

车载不落地测量平台稳定性问题一直是靶场装备发展的关键性问题，是光测装备摆脱地域限制，发挥快速机动灵活特点的基础，是光测装备跟踪目标稳定度提高的前提。本文依据靶场跟踪测量技术指标要求，通过多组实验数据考核该平台的稳定性，检验高精度调平支腿、高刚度自调平支撑平台和设备系统的响应状态，分析在各种伺服激励条件下载车系统关键点的加速度响应和位移响应，并考核其在正弦扰动状态下的动态测角精度。虽然目前该平台具有实际应用的稳定性与可靠性，在工程应用方面也有了长足的进步，但是还存在诸如操作复杂、自动化能力弱、平台实时测量响应慢、采样频率低等很多不足，下一步需要在以上方面加大研究力度。