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高速光电经纬仪变焦测量的测角精度分析

贾娜++张锐

摘 要：测角进度是事关光电经纬仪定位功能的重要因素。对光电经纬仪的测角误差进行分析，可以让这一设备的测角精度得到提升。本文主要从光电经纬仪的测角精度误差问题入手，对这一设备的测角精度问题进行了分析。

关键词：光电经纬仪；机架系统；测量精度

中图分类号：TH761.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0046-02

光电经纬仪主要指的是在对电视测量技术进行应用的基础上，发挥自动跟踪功能和实时测量功能的测量设备。这一设备主要应用于飞机轨迹、轮船轨迹和一些特种试验场空间目标运动轨迹测量工作之中。光电经纬仪的测角精度主要指的是广电经纬仪测量目标的方位角、俯仰角测量值与目标值的偏离程度。

1 光电经纬仪的测角精度误差分析

1.1 机架系统误差

一般而言，光电经纬仪的机架结构机架系统的误差主要由以下几方面内容：一是垂直轴误差；二是水平轴的误差；三是视准轴误差和编码器码盘与轴不垂直的情况下所产生的误差[1]。其中，垂直轴误差是在光电经纬仪垂直轴偏离铅垂线角量以后出现的误差；调平误差、垂直轴晃动误差和风载温度等因素引起的误差都可以被看作是机架系统的误差

1.2 测角单元误差

测角单元误差主要指的光电经纬仪的使用过程中，编码器在数据测量过程中出现的误差。编码器在定向、定零位的过程中出现的误差也可以被看作是测角单元误差。一般而言，编码器测量精度的影响因素主要涉及到了码盘光栅的质量问题，扫描信号的质量和信号处理电路的质量等多种因素。

1.3 脱靶量误差

脱靶量误差主要指的是目标图象相对与光轴在靶面的投影中心点的片力量的问题。这种误差通常是在时候判读以后得到的。假设判读仪所得出来的脱靶量为X和Y，X和Y的计算过程就可以用以下公式来形容

X=Xm+ΔX0

Y=Ym+ΔY0

在上面的两个公式中Xm和Ym主要指的是目标在坐标系中偏离靶面十字丝中心的量。ΔX0和ΔY0则为十字心中心的误差值。在对脱靶量X与Y的对应值进行确定以后，相关人员需要将误差值转换成目标脱靶量的角度值。假设这目标脱靶量的角度值分别为ΔA与ΔE。相关的物象几何关系和函数关系，以下公式就成为了脱靶量的简化关系式

ΔA=X/f·cosE

ΔE=Y/f

在上述公式中，ΔA和ΔE主要指的是方位与高低的脱靶量角量；E代表的是目标高低编码器的测量值。F可以被看作是光學系统的焦距。

系统布局误差与光电经纬仪的成像光学系统之间存在着密切的联系。一般而言，经纬仪编码器所给出的目标角度值主要以经纬仪三轴的交点为指向断点。误差问题产生于光学系统等效针孔与经纬仪三轴交点未实现有效融合的情况之下。从相关的研究结果来看，这一误差与光学系统等效针孔与三轴交点之间的距离之间存在着正相关的关系[2]。它也可以随着脱靶量的增大而增大。

2 光电经纬仪动态测角精度仿真测量分析

2.1 靶标运动规律仿真

旋转靶标是对动态测角精度进行检测的重要设备。从误差理论对靶标的要求来看，靶标的精度需要在被测量设备的设备精度的3至10倍以上。在对靶标的运动过程进行分析以后，我们可以发现，靶标在运动过程中的误差源主要涉及到了以下几方面内容：一是轴系晃动所带来的误差；二是编码器动态测角过程中所产生的误差，三是机械变形误差和靶标旋转半锥角、靶标旋转轴与水平面的夹角所产生的误差。其中，靶标旋转半锥角、靶标旋转轴与水平面的夹角所产生的误差已经包含在了静态误差的测量结果之中。从靶标的运动规律来看，在靶标参数一定的情况下，光电经纬仪跟踪的角速度和角加速度会表现出不可改变的特点。在角加速度满足系统要求的情况下，角加速度会表现出难以达到系统要求的问题。在实际测量工作中，相关人员通常会将角加速度看作是测量工作的主要依据。

从光电经纬仪的实际测量要求来看，在跟踪角的角速度高于30°/s的情况下，跟踪角的加速度高于20°/s2。从光电以跟踪的方位角速度、方位角加速度变化曲线、俯仰角速度和俯仰角加速度的变化曲线的变化情况来看，方位角的速度为29.8°/s，方位角加速度为20.0°/s2。光电经纬仪跟踪的俯仰角速度和加速度分别为12.6°/s和12.6°/s2。在这样的情况下，俯仰角的加速度要远远低于相关的要求，对此，先关人员需要对光电经纬仪的方位动态测角精度进行测量。从光电经纬仪在靶标为41.4°/s的等速运转情况分析结果来看，光电经纬仪可能会表现出难以正常工作的问题，为了对这一问题进行解决，相关人员需要对靶标的正弦运动规律进行分析。

2.2 动态测角精度仿真测量

在对靶标运动的精度问题进行分析以后，我们可以发现，光电经纬仪的动态测角进度的方针测量工作主要涉及到了以下因素：第一，相关人员需要借助靶标静态精度标定的步骤对靶标编码器的的零点进行确定。第二，在光电经纬仪的安置过程中，光电经纬仪的三轴旋轴中心需要置于靶标旋转光锥的顶点处，并要借助GPS授时功能对靶标和光电经纬仪之间的时统终端进行调试。在时统终端调试工作完成以后，相关人员可以将靶标编码器的采样频率控制在50Hz以内，并要让靶标编码器的采样频率与光电经纬仪的采样频率保持一致性。从跟踪测量的仿真结果来看，相关人员可以借助仿真结果对靶标的等速和正弦运动参数进行设置，进而让光电经纬仪在靶标的运动过程中自动跟踪靶标。在稳定跟踪以后，相关人员需要借助光电经纬仪记录至少一个周期的数据。在高精度旋转靶标建立以前，相关工作人员主要借助与动态系统误差和动态随机误差有关的测量方式开展测量，这一测量方式所应用的公式如下所示

σ2=σ2S+σ2r+σ2Δ

在上述公式中，σ指的是光电经纬仪的动态测角误差，σS主要指的是静态测角系统误差的均方值，σr表示的是动态随机误差均方值，σΔ主要指的是动态误差的测量。

3 提升光电经纬仪测角精度的措施

从测角误差的来源和误差的分布特性来看，在对各项测角误差进行综合hu汇总以后，针对一些高角为65°的点目标，电视投影到水平面和垂直面的方位角和俯仰角的均方根误差需要控制在5.2"以内。在焦距得到精确标定以后，光电经纬仪的指向精度需要控制在2"以内。为了对光电经纬仪的测角进度进行保障，相关人员可以对垂直轴滚道的直径和水平轴两轴承的跨距进行增加，以便对光电经纬仪在实际应用过程中出现的晃动误差问题进行避免。第二，在对编码器多个位置的误差值进行确定以后，相关人员可以借助拟合的方式对误差曲线进行分析，进而借助差值对编码器的输出值进行修正。第三，为了对光电经纬仪的测角精度进行提升，相关人员也需要让相机曝光的中间时刻与编码器的采样时刻之间保持一致性的特征；第四，相关人员在光电经纬仪的使用过程中，需要对相关修通的跟踪精度和跟踪平稳性进行提升[3]。一些膨胀系数相对较小和热稳定性相对较强的材料可以被应用在设备的主要构件之中。

4 结语

光电经纬仪测量精度的影响因素主要涉及到了机架系统和系统布局等多方面因素。事后空间指向精度2"是当前工艺水平下光电经纬仪事后空间指向精度的最佳值。从相机曝光时间和系统跟踪进度等因素进行优化，可以让光电经纬仪的测角精度得到有效的提升。

参考文献

[1]杜俊峰，张孟伟，张晓明.光电经纬仪测角精度分析[J].应用光学，2012，03：466-473.

[2]贺庚贤，沈湘衡，周兴义.光电经纬仪动态测角精度仿真测量[J].系统仿真学报，2008，12：3127-3129+3137.

[3]赵怀学，赵建科，田留德，段炯.光电经纬仪动态测角精度随机误差检测方法研究[J].应用光学，2013，06：1010-1013.endprint