光电稳定平台框架结构探讨

　　1 引 言

　　机载光电侦察稳定平台是航空侦察的重要设备之一， 它能够在机载环境下迅速捕获、 跟踪、 瞄准运动目标。 光电侦察稳定平台的框架形式一般为双轴二框架稳定、 三框架三轴稳定、 四框架两轴稳定等, 依据稳定精度、 搜索范围的要求而定[1]。 本文主要分析上述几种平台框架形式的特点。

        2 稳定平台系统分析

　　2.1 双轴二框架稳定平台系统

　　双轴二框架结构是航空侦察平台中使用最多的一种， 技术较为成熟。 即将光电传感器等侦察设备置于相互正交的俯仰、 方位两个框架组成的平台上(如图 1 所示) , 通过陀螺敏感平台相对惯性空间运动， 然后经陀螺稳定回路驱动框架力矩电机, 克服外界干扰力矩, 达到稳定目的。 这种两框架平台是一种非常成熟的、 常规的稳定装置， 其对于小负载、 高　　精度的稳定是十分有效的。 随着光电侦察技术及装备的发展, 侦察设备一般由电视、 红外、 激光等组成,其负载较重, 因而会导致各种有害干扰力矩急剧增加; 按照目前的二框架平台系统的设计和工艺技术水平， 要使稳定精度达到微弧级 (μrad) 是十分困难的[2]。 另外, 双轴二框架系统的跟踪角范围是很有限的, 俯仰角运动范围一般在±65°之间 (视轴水平方向　　定义为俯仰 0°角)， 在这个范围之外， 跟踪精度随着俯仰角的增加会大幅度降低， 而实际应用中往往高达 70°～80°左右, 这很容易造成平台自锁 ( 失去 1 个自由度) 或误差过大　　[3]。 同时， 由于方位轴不会总与瞄准线正交, 这就使二环架处于极限俯仰角时难以稳定, 特别是无法实现对载机正下方及其附近目标的侦察或测量， 从而无法满足垂直对地跟踪。 因为瞄准线垂直对地时, 瞄准线与两轴惯性稳定平台方位轴平行, 方位的跟踪误差无穷大。 另外, 在双轴二框架结构平台系统中, 跟踪只能实现瞄准线的轴线的稳定,即实现侦察设备在确定的方位上任一时刻都紧紧地瞄准目标, 达到最佳的效果, 而不能实现瞄准线绕自身轴系的旋转变化稳定, 即不能保证探测器得到的图像相对于惯性坐标系是稳定的, 直接影响跟踪系统的平稳性及动态跟踪精度。 同时由于飞机姿态摇摆幅度及摇摆方向的随机性, 不同时刻、 不同位置成像平面的旋转角度大小及方向不同， 造成光电成像图像平面在不同的位置图像的旋转角度不同。 对于这样的曲变图像， 从图像学的角度分析， 实现图像恢复处理将是非常困难的。

　　2.2 三框架三轴稳定平台系统

　　三框架三轴稳定平台是一个有 3 个自由度的系统: 方位、 俯仰、 横滚， 是在双轴两框架的基础上增加一根横滚轴， 用于补偿由于飞机姿态变化而引起的瞄准线绕自身轴系的旋转变化, 使其光电探测成像不再受飞机随机摇摆扰动影响， 实现图像相对于惯性坐标系的稳定， 为航空侦察提供了较为理想的目标探测成像环境， 亦称为捷联式三轴稳定控制。 如　　图 2 所示， 方位框与光侦察设备固连, 同时方位框通过方位轴与俯仰框相连， 方位框可以绕方位轴相对于俯仰框转动; 俯仰框通过俯仰轴与横滚框相连，俯仰框可以绕俯仰轴相对于横滚框转动; 横滚框是最外面的框架， 它通过横滚轴与基座相连， 并可以绕其轴相对于基座转动， 基座固连在飞机上。 方位力矩、 俯仰力矩和横滚力矩由力矩电机通过 3 个转动轴作用在 3 个框架上。 在三轴稳定控制的方式下，由横滚轴和俯仰轴来隔离运动载体的扰动而实现稳定， 由方位轴和俯仰轴来实现稳定跟踪。 该控制系统分为速度内回路和位置外回路， 位置外回路的作用是补偿光电探测器测得的角位置跟踪误差———即光电探测器的瞄准线相对目标视线的夹角; 速度内回路的作用是跟踪角速度指令和抑制机载环境下的各种干扰。 虽然三框架三轴稳定平台克服了双轴两框架稳定平台系统的缺点， 但由于瞄准线的稳定控制原理是由载体摇摆参数和瞄准空间参数计算出跟踪轴角状态参数， 驱动跟踪伺服机构， 实现瞄准线稳定， 因此控制复杂; 同时， 由于捷联式三轴稳定跟踪台工作时对象呈现出非线性、 强耦合和参数变化等特点， 故而系统在稳态精度、 响应时间、 稳定性等　　方面的要求较高。 与双轴两框架稳定平台系统相比，三框架三轴稳定平台系统具有明显的优点: (1) 三框架三轴稳定平台系统是稳定瞄准线轴系的稳定， 故能克服双轴两框架稳定平台系统稳定跟踪产生图像不稳定的原理缺陷; (2) 分析计算证明[4]， 在大俯仰角跟踪目标时， 三轴稳定跟踪用于补偿飞机在飞行过程中的附加速度和加速度比两轴的小， 因而盲区较两轴的小， 采取一定措施时， 甚至可以实现垂直对地跟踪; (3) 虽然比双轴两框架稳定平台系统多一根轴， 但体积和重量都小， 这对飞机来讲是十分重　要的， 能有效提高其稳定性和机动性能; (4) 由于其实现的是瞄准线轴系的稳定， 故比两轴稳定跟踪的应用范围广等。