0 引　言

随着反舰导弹、无人机蜂群等高速高机动目标带来的威胁日益加剧，现代海战对舰载防御系统提出了“发现即摧毁”的严苛要求。传统舰载武器如近防炮、导弹在拦截低空高速目标时，存在反应时间长、弹药消耗大、成本高等局限，而舰载激光武器凭借高精度（指向误差≤100 μrad）、光速打击（响应时间＜1 ms）以及仅受限于能源供应的持续作战能力，成为未来海战中末端防御与精确打击的核心装备，以确保复杂海况下激光束稳定指向目标^{[1 − 3]}。

舰载激光武器在反导、反无人机集群、反舰威慑等作战场景中展现出显著技术优势与独特作战定位：反导作战中，可在导弹末段飞行阶段（距离≤5 km）快速烧蚀其导引头或战斗部，有效弥补近防炮拦截窗口短的缺陷；反无人机集群时，通过多目标跟踪算法与稳定平台协同，实现对无人机集群的“点穴式”打击，单光束成本控制在1美元/次以下；反舰威慑方面，高能量激光能够破坏中小型舰艇的传感器、通信天线，甚至烧穿船体薄装甲，形成非致命与致命相结合的双重打击能力^[4]。

作为激光武器的“眼睛与手臂”，多自由度稳定平台需在复杂舰载环境中兼具运动隔离、快速响应与环境适应能力：不仅要实时补偿舰艇六自由度运动对激光指向的干扰以确保目标跟踪精度，还要在目标机动角速度≥30°/s时将跟踪误差控制在≤0.1 mrad，并能在盐雾、10～2000 Hz振动、−40℃～+60℃温度等严苛条件下可靠运行。其性能直接决定激光武器的有效射程和打击成功率，是实现激光武器作战效能的关键支撑^{[5 − 6]}。

目前主流技术路线包括机械式、液压式、电磁式3类，其核心性能对比如表1所示。通过分析可以发现，传统机械式平台依赖齿轮传动，在舰艇高频振动环境下，传动链间隙会导致指向误差放大，而液压式平台受油液黏度影响显著，抗扰动能力不足；采用方位+俯仰的两轴稳定架构无法补偿横滚运动对激光束的耦合影响，当舰艇横摇速度＞10°/s时，跟踪误差超过100 μrad，超出激光束典型束散角（50 μrad），存在动态响应滞后问题，难以满足舰载激光武器对高精度稳定指向的需求^{[7 − 8]}。

本文提出一种直接驱动电机（DD电机）+高精度谐波减速器的多自由度稳定平台设计方案，在控制上采用多轴耦合自适应控制算法，最大程度提升平台的控制精度和响应速度。

1 多自由度稳定平台方案设计 1.1 设计需求分析

舰载激光武器在复杂海况下面临多维度技术挑战，舰艇横摇、纵摇、垂荡、横荡、纵荡、艏摇六自由度运动，载体姿态变化直接影响光束指向。其中横摇、纵摇引起的角度偏差与垂荡导致的距离波动耦合，会显著放大激光束的瞄准误差，而海洋环境载荷的动态扰动具有强非线性、宽频带特性，需建立包含随机海浪谱、风载荷模型的联合扰动模型，以准确模拟其对平台稳定性的叠加影响。此外，光束质量保持与快速跟踪瞄准形成技术闭环，高海况下平台振动会引发光学元件形变，导致波前畸变，需通过主动光学技术控制发散角；而目标机动与载体运动的复合作用，要求跟踪系统具备毫秒级响应能力，即延迟≤10 ms，以确保激光束实时锁定目标。

1.2 方案设计

图1为舰载激光武器多自由度稳定平台方案设计，整体架构围绕主机控制与方位、俯仰、横滚三轴系展开，形成一个精密协同的系统。该方案通过主机控制与三轴系的紧密配合，实现了激光武器多自由度稳定平台的高精度、闭环控制，能够有效应对复杂环境，保障激光武器的稳定指向与精确跟踪。

在主机控制部分，传感器融合与控制算法作为核心单元，负责处理各轴编码器反馈的角度信息及外部传感器数据，通过算法生成精准的控制指令，驱动各轴运动。操作按钮供人工输入指令，实现对平台的直接操控；电源模块为整个系统提供稳定电力支持，确保各部件正常运行；通信接口用于与上位机、其他舰载系统进行数据交互，实现指令接收与状态上报；显示模块则实时呈现平台的工作状态、角度信息等，便于操作人员监控。

对于方位、俯仰、横滚三轴系，均采用DD电机+ 驱动作为动力源，搭配高精度谐波减速器实现高精密传动，确保平台转动的准确性与稳定性。各轴编码器实时监测轴系角度，将数据反馈至传感器融合与控制算法单元，形成闭环控制，从而精准调整电机驱动，实现对轴系位置的精确控制。当方位轴系接收到转动指令时，DD电机在驱动装置作用下运转，通过高精度谐波减速器传递动力，带动方位轴转动，同时编码器实时反馈角度，若有偏差，控制算法立即调整电机，确保方位轴准确到达指定位置。

1.3 硬件方案设计

图2为设计的舰载激光武器多自由度稳定平台的3D效果图。该平台底部是直径为800 mm的圆形基座，选用高强度合金材料，经特殊工艺处理，其结构强度可抵御舰载环境下舰艇发射武器时的后座冲击、恶劣海况下的剧烈摇晃等复杂冲击与振动，确保平台稳固安装。上方机械结构支撑着高度为600 mm的圆柱形激光发射装置，主尺度设计紧密结合舰载空间布局，充分考虑舰艇甲板及舱内空间限制，同时满足载荷要求，即激光武器及其附属设备的重量承载。装置侧面布设线路用于传输电力及控制信号，配套高精度惯性测量单元，精度可达0.1°/h，可实时监测平台姿态，能够适应舰艇航行中颠簸、摇晃的复杂航行状态，保障平台在动态工况下的稳定性。整体结构紧凑且布局科学，多自由度稳定平台在舰载环境下可实现对激光武器的可靠支撑与精准控制。

舰载激光武器多自由度稳定平台包括3个轴系，每一个轴系采用直接驱动电机（DD电机）+高精度谐波减速器的方案，这种方案具有传动方式回差小、精度高的优点。图3为设计的高精度谐波减速器，高精度谐波减速器由刚轮、柔轮和波发生器组成，波发生器为主动件，柔轮为从动件，刚轮固定或参与传动。在不同角度下，波发生器转动，迫使柔轮发生变形，使其齿与刚轮齿依次啮合。随着波发生器的旋转，柔轮与刚轮的啮合位置循环变化，柔轮产生周期性的弹性变形，从而实现运动传递。

1.4 软件方案设计

对于舰载激光武器的多自由度稳定平台而言，快速高精度定位对于发挥激光武器的威力是至关重要的，因而在软件方案上采用复合控制架构，即位置环（PID）+速度环（鲁棒控制）+电流环（矢量控制）的3层嵌套结构，如图4所示。电流环通过矢量控制，将三相交流电流经坐标变换转换为旋转坐标系下的直流量，实现励磁电流与转矩电流的解耦，能快速跟踪电流指令并抑制纹波，提升了系统的动态响应能力，为整个控制架构提供了坚实基础。速度环运用鲁棒控制，针对电机参数变化如转动惯量波动以及外部扰动如摩擦转矩变化，通过优化控制律确保速度跟踪误差在有限范围，增强了系统在宽频带内的稳定性，保障了速度控制的准确性。

位置环利用PID调节，其中比例环节能快速响应误差，积分环节可消除稳态误差，微分环节则预测误差变化并抑制超调，三者协同工作，使系统能够快速平稳地达到目标位置。这3层控制环通过嵌套协同的机制，从底层的电流控制到中层的速度控制，再到上层的位置控制，层层递进、紧密配合，为舰载激光武器多自由度稳定平台提供了精确控制，确保激光武器在复杂的舰载环境下能够实现快速高精度定位，从而充分发挥其作战威力。

2 多自由度稳定平台性能测试

在Matlab环境下，对舰载激光武器多自由度稳定平台的目标跟踪性能开展仿真测试。首先构建多自由度稳定平台数学模型，并设定其运动参数。仿真模拟场景为低空无人机于舰船前方进行低速运动，多自由度稳定平台接收第三方平台提供的无人机实时位置信息后，迅速调整方位、俯仰和横滚角度，实现对无人机的动态跟踪，并最终将其击毁。

仿真过程中，无人机的运动轨迹由直线运动与三角函数曲线相结合，模拟真实复杂运动情况。多自由度稳定平台则依据与无人机的实时距离实施跟踪策略，当两者间距小于预设的击毁阈值时，判定无人机被成功击毁。此后，平台与无人机的位置保持固定，不再发生变化。仿真结果如图5所示，直观呈现了平台从接收目标信息、动态跟踪直至完成击毁的全过程，为评估平台目标跟踪性能提供数据支撑。

对本文建立的多自由度稳定平台进行实测，利用六自由度运动平台模拟舰艇运动，横摇幅度为±15°、纵摇幅度为±10°、艏摇幅度为±20°，通过高精度经纬仪（精度：±0.1″）实时测量激光束指向偏差。在不同振动等级（低振动：10～100 Hz，中振动：100～500 Hz，高振动：500～2000 Hz）下重复测试，连续测量5次，记录每一次的指向误差（见图6），测试的结果表明在不同工况下多自由度稳定平台具有较高指向精度，能够满足舰载激光武器的指向精度要求。

1）低振动工况

低振动工况下其指向误差相对较低，在测试编号1时指向误差约为41 μrad，在测试编号2时达到45 μrad，之后在测试编号3～4维持在42 μrad，测试编号5时略上升至43 μrad。整体波动相对较小，说明在低振动工况下，平台的指向精度较为稳定。

2）中振动工况

中振动工况下指向误差整体高于低振动工况。测试编号1时指向误差为48 μrad，在测试编号2达到51 μrad，测试编号3降至47 μrad，随后在测试编号4～5又逐渐上升至约49 μrad。

3）高振动工况

指向误差在高振动工况中最高。测试编号1和测试编号2时为55 μrad，测试编号3降至53 μrad，测试编号4回升至55 μrad以上，测试编号5降至52 μrad。高振动工况下指向误差波动较大，表明高振动对平台指向精度产生较大干扰，指向误差相对不稳定。

3 结　语

随着现代海战对舰载防御系统“发现即摧毁”能力的迫切需求，舰载激光武器多自由度稳定平台作为实现精确打击的核心载体，其性能提升对增强海军作战能力、革新海上作战模式具有深远意义，未来有望在航母编队防空、岛礁防御等关键场景中发挥核心作用。本文通过对舰载激光武器多自由度稳定平台的研究，可得出以下结论：

1）提出的“直接驱动电机+高精度谐波减速器”的设计方案与“位置环+速度环+电流环”的复合控制架构，经仿真测试与实际验证，在复杂海况模拟环境下展现出卓越性能。无论是应对舰艇六自由度运动干扰，还是跟踪低空低速无人机目标，平台均能将指向误差控制在较低水平，在低振动工况下平均指向误差仅约42.6 urad，充分满足舰载激光武器对高精度稳定指向的严苛要求。

2）通过对比分析机械式、液压式、电磁式等主流技术路线发现，本文设计方案有效克服了传统平台在响应速度、精度保持、环境适应性等方面的局限。其无间隙传动与高频响应特性，使其在高海况、强振动等极端条件下仍能稳定运行，为舰载激光武器在末端防御、多目标打击等作战场景中的实战化应用提供了可靠技术支撑。