船舶稳定平台解决方案

船舶稳定平台解决方案陀螺稳定平台（gyroscope-stabilized platform）利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。

简称陀螺平台、惯性平台。

用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。

它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。

稳定平台作为一种安放在运动物体上的设备，具有隔离运动物体扰动的功能。

稳定平台在航空航天、工业控制、军用及商用船舶中都有比较广泛的用途，例如航拍、舰载导弹发射台、船载卫星接收天线等。

船舶上工作面或者平台姿态检测，船载天线稳定平台系统，会应用倾角传感器定时（较长时间）读取数值，通过计算后，对稳定平台进行校正。

平台的实际运动由单片机控制外部机械装置以达到对稳定水平平台进行修正，以保证其始终处于水平状态。

某些倾角传感器作为船体液压调平系统中的反馈元件，提供高精度的倾角信号。

既可用于水下钻进也可用于水下开采等。

在国外，陀螺稳定跟踪装置被广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载以及各种航天设备中。

20世纪40年代末，为了减少车体振动对行进间射击的影响，在坦克上开始安装火炮稳定器，从50年代起，双稳定器在坦克中得到了广泛的应用。

在英、美等国的先进武器系统中，基于微惯性传感器的稳定跟踪平台得到了广泛的应用，如美国的M1坦克、英国“挑战者”坦克、俄罗斯T-82坦克、英国“标枪”导弹海上发射平台和“海枭”船用红外跟踪稳定平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。

美国海军采用BEI电子公司生产的QRS-10型石英音叉陀螺，研制出WSC-6型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统，工作12万小时尚未出现故障；Honeywell公司以红外传感器平台稳定为应用背景，研制的以GG1320环形激光陀螺为基础的惯性姿态控制装置，很好的满足了稳瞄跟踪系统的要求。

美军配装的Honeywell公司采用激光陀螺技术研制的自行榴弹炮组件式方位位置惯性系统(MAPS6000) ，在工作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度和纬度输出，性能大大高于美军MAPS系统规范的要求。

在导弹制导方面，俄罗斯的X-29T、美国的“幼畜”AGM-65、以色列的“突眼”等成像制导导引头中，都采用了陀螺稳定跟踪平台。

在机载设备中，陀螺稳定平台在机载光-电火控系统和机载光电侦察平台中也得到极其广泛的应用，美国、以色列、加拿大、南非、法国、英国、俄罗斯等国家都已研制出多种型号产品装备部队。

如以色列的ESP-600C型无人机载光电侦察平台采用两轴平台，其方位转动范围360º×N、俯仰+10º----10º、最大角速度50º/s、最大角加速度60º/s2，其稳定精度达到15μrad，所达精度代表了国际先进水平。

国内对陀螺稳定平台的研究起步较晚，20世纪80年代开始研制瞄准具稳定平台，而90 年代初才开始陀螺稳定平台的研制。

虽有不少单位，如北京电子3所、长春光机所、中科院成都光电所、西安应用光学研究所、华中光电技术研究所和清华大学等都在开展该应用领域的研究工作，但在稳定跟踪平台技术的研究上与国外相比仍有较大差距，由于惯性元件的技术不过关，成本较高，致使该项技术的研究始终没有取得突破性的进展。

一、船用红外/可见光陀螺稳定平台近年来，随着精密机械、电子技术、数字信号处理技术和模式识别技术的飞速发展，陀螺伺服稳定跟踪系统的性能也有了很大的提高。

陀螺伺服稳定跟踪系统，其主要任务是完成隔离载体角运动对视轴的扰动和伺服跟踪给定的位置指令信号(此位置指令信号可以是视频图像处理模块给出的角度位置信号，也可以是计算机给出的仿真位置指令信号)。

而伺服稳定跟踪装置的核心是陀螺稳定装置，主要作用在于隔离载体的角运动，使安装在载体上的光学传感器的视线轴或其他被稳定对象的指向在惯性空间内保持稳定，为图像传感器提供一个良好的测量环境。

因此，高精度伺服稳定跟踪平台控制器研制须解决两方面的问题:①陀螺稳定系统的实现；②在陀螺稳定的基础上实现目标位置的精确跟踪。

产品介绍船用红外/可见光陀螺稳定平台是新一代海上光电监视系统，具有性能指标先进、操作运行灵活方便、可昼夜工作、显示图像实时直观、体积小、重量轻、适装性强等特点。

图1 船用红外/可见光陀螺稳定平台应用场合•海上辑私•海防监视•执行海上救援任务性能特点•能昼夜搜索、观察、监视和识别海上各类运动船只•能实时显示目标红外/可见光图像和方位角、高低角的数据•能实时录取目标图像、记录海上各类目标的活动情况该系统产品是高精度伺服稳定跟踪平台，其核心部分是数字控器器部分，现对其进行分析。

伺服稳定跟踪平台结构与控制系统设计伺服跟踪平台系统机械主体结构由底座摇摆台和负载框架组成。

机械台体由方位摇摆轴系、俯仰摇摆轴系和方位稳定轴系、俯仰稳定轴系构成串联式UOO的框架结构。

负载(CCD摄像头或红外摄像头)通过专用夹具安装在平台俯仰稳定框架上。

其中底座摇摆台为2个轴系的非稳定伺服系统，用于为负载框架提供在方位和俯仰2个轴系的标准干扰信号；负载框架为2个轴系的陀螺稳定伺服系统，主要作用在于使框架的方位和俯仰2个轴向在惯性空间内保持稳定；并且，在负载内框(俯仰框)上装有CCD摄像机或红外摄像机的情况下，实现对目标的视频跟踪。

稳定平台方案采用整体稳定式，即把CCD摄像机或红外摄像机与陀螺同时安装在由直流力矩电机驱动的负载框架上。

系统工作时，控制器控制系统底座摇摆台2个轴分别同时对负载框架2个轴产生标准干扰信号，在负载框架上装有2个光纤速率陀螺，用于敏感负载框架在惯性空间的2个轴向(方位轴和俯仰轴)的转动角速率，经由A/D转换，送DSP处理后输出控制信号驱动与负载框架直接相连的2个力矩电机，使摄像机的视轴在惯性空间上保持稳定。

另外，此高精度伺服稳定跟踪平台的4个轴上都装有高精度增量式旋转编码器，用于测量4个轴相对于各自轴起始零点的转动角度，通过这4个角度值可以推导出假想视轴(不带CCD 摄像机或红外摄像机的情况下) 在惯性空间的位置。

在没有图像反馈的情况下，实现负载框架的位置随动。

针对本平台系统的要求，控制器核心选用TI 公司TMS320LF2407A数字信号处理器，惯性反馈元件选用俄罗斯产VG941 23AM光纤速率陀螺，角位置测量选用海德汉高精度增量式角度编码器ERN180，将四轴伺服电机的控制集成在同一运动控制器上。

图2为稳定轴系单轴伺服系统框图。

图2 单轴伺服系统框图如图2所示，陀螺稳定平台伺服控制系统采用前馈-反馈复合控制，前馈控制器的作用是对目标位置进行滤波和预测，以超前的控制作用补偿系统的动态滞后，提高系统的响应速度，解决系统稳定性和精度之间的矛盾。

前馈控制器的引入不影响原闭环系统的稳定性。

系统反馈控制中，内环为框架惯性速率环，外环为位置跟踪环。

此处的惯性速率环本质上与普通的电机控制速率环不同，其反馈元件为速率陀螺，其敏感的是框架相对于惯性空间的角速率，而在普通的电机速率控制中，测速元件测量的是电机转子相对于各自旋转轴的角速率。

速率环的调整范围与增益成正比，而最低平稳速率与环路增益成反比，与转矩波动系数成正比。

二、船载卫星天线稳定平台系统随着社会的进步和信息化技术的提高，人们对移动中通过卫星网络接收卫星电视节目、进行电信通信和接入互联网的需求越来越大。

卫星天线接收卫星信号须使天线接收器指向卫星的方位，这样才能保证卫星信号接收质量清晰和稳定。

但是安装在运动船体上的卫星天线会随着船体摇摆运动而运动，如果卫星天线接收器不能对准卫星的方位，会造成接收信号微弱甚至丢失。

因此，天线稳定跟踪技术己成为了当前移动载体稳定跟踪系统应用领域的一大研究热点。

图3 船载卫星天线船载卫星天线稳定平台总体设计方案很多，我们只提出基于姿态敏感传感单元的稳定平台。

该系统的执行机构是步进电动机，主控单元通过驱动电路驱动步进电机，可以使卫星天线跟随着船体的运动而反向运动，实时隔离船体的摇摆变化，确保接收卫星天线快速、准确地对准卫星，从而使卫星信号接收稳定。

我们称该系统为“动中通”。

“动中通”自动跟踪系统是在初始静态情况下，由GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。

在载体运动过程中，测量出载体姿态的变化，通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。

该系统跟踪方式有自跟踪和惯导跟踪两种。

自跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺惯导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。

这两种跟踪可根据现场情况自动切换。

当系统对星完毕转入自动跟踪后，以自跟踪方式工作；与此同时，惯导系统也进入工作状态，并不断输出天线极化、方位和俯仰等数据。

当由于遮挡或其它原因引起天线信标信号中断时，系统自动切换到惯导跟踪方式。

同时，利用先进的移动卫星通信系统传输广播电视信号，达到现场转播效果。

图4 ADU7610系统主机ADU7610是由湖北信正科技有限公司自主开发并生产的一款高精度姿态方位组合导航系统。

它有别于一般的GPS/INS产品，ADU7610采用两个高精度高动态的GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波相位差分技术和快速求解整周模糊度技术，可精确计算运动载体的方位角；并加以惯性测量技术辅助测姿导航。

由于ADU7610设计时融合了双GPS定位定向、单GPS定位定向及自寻北技术，在内部采用了信正科技最新的择优算法，所以该系统在只有一个GPS接收天线时仍然能达到相同的测量精度，而且当GPS信号受到干扰后，不论GPS失锁时间多久，系统均能输出高精度的数据。

由于惯性导航具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗干扰性强、全天候工作等优点，一种能够提供多种导航参数，完全自主的导航系统。

但它的精度随时间而变化，长时间工作会累积较大误差，这使惯性导航系统不宜作长时间导航。

而全球卫星定位系统具有较高的导航精度，但由于运动载体的机动变化，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁。

为发挥两种技术的优势，很多厂家采用高精度的惯性器件研制开发了GPS/INS组合导航系统。

这些系统虽然性能较好，但价格昂贵，一般用户难以承受。

而ADU7610克服了单一器件的不足，充分发挥了GPS精度高、无累积误差、无漂移、价格低和惯性产品动态性能好、抗干扰能力强、不需外部信号源就能自主工作等特点，提高了系统整体的姿态方位测量精度、导航精度及实时跟踪对准性能。