捷聯(lián)式雙天線穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)及坐標(biāo)系變換?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

近年來,彈載SAR制導(dǎo)技術(shù)已成為SAR技術(shù)應(yīng)用的又一重要方面[1]。對(duì)于導(dǎo)彈的制導(dǎo)來說,如果能通過裝載在導(dǎo)彈上的SAR獲取目標(biāo)或目標(biāo)附近典型地物地貌特征信息,形成實(shí)時(shí)圖,并與預(yù)先準(zhǔn)備好且存儲(chǔ)在導(dǎo)彈中的基準(zhǔn)圖(含位置信息)進(jìn)行圖像匹配,從而控制導(dǎo)彈精確命中目標(biāo),則可大大提高導(dǎo)彈的攻擊能力[2]。彈體的角運(yùn)動(dòng)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng),以及外部載荷如風(fēng)、氣流等引起的擾動(dòng)力矩會(huì)通過多種方式耦合到導(dǎo)引頭天線上,嚴(yán)重影響天線的穩(wěn)定與跟蹤,為了實(shí)現(xiàn)可靠、高精度的目標(biāo)跟蹤,必須采用穩(wěn)定平臺(tái)來隔離彈體擾動(dòng)[3]。在體積有限制的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用中,為了消除彈體姿態(tài)變化對(duì)目標(biāo)測量的影響,往往采用捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)[4-5]來實(shí)現(xiàn)天線穩(wěn)定。

1 天線穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)

捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)是指導(dǎo)引頭上取消陀螺元件,利用彈上捷聯(lián)慣導(dǎo)的姿態(tài)信息,通過坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)解算方法來達(dá)到視線穩(wěn)定目的的一種基于數(shù)字補(bǔ)償?shù)目刂破脚_(tái),其核心是數(shù)學(xué)穩(wěn)定算法[6-7]。

在設(shè)計(jì)天線穩(wěn)定平臺(tái)時(shí),通常采用三軸穩(wěn)定平臺(tái)分別對(duì)應(yīng)彈體姿態(tài)角度(俯仰角、橫滾角、偏航角)的變化。當(dāng)導(dǎo)引頭艙內(nèi)空間有限時(shí),三軸伺服平臺(tái)在大姿態(tài)角的情況下易出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,根據(jù)力學(xué)仿真結(jié)果,基座的振動(dòng)量級(jí)傳遞到軸系會(huì)放大2～3倍,從而造成第三軸在遇到強(qiáng)烈振動(dòng)和過載時(shí)產(chǎn)生震蕩,造成整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定?；谝陨峡紤],將天線穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)為捷聯(lián)式兩軸穩(wěn)定平臺(tái),采用方位、俯仰兩自由度萬向支架結(jié)構(gòu),天線安裝在內(nèi)框軸上,可以繞方位軸和俯仰軸運(yùn)動(dòng)。方位、俯仰通道均采用直流力矩電機(jī)加旋轉(zhuǎn)變壓器的直接驅(qū)動(dòng)型式,驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)轉(zhuǎn)并形成速度與位置閉環(huán)控制。平臺(tái)方位環(huán)可360°旋轉(zhuǎn) ,平臺(tái)俯仰環(huán)因結(jié)構(gòu)空間限制對(duì)角度范圍進(jìn)行機(jī)械限位和軟件限位。彈體在3個(gè)方向的姿態(tài)變化分解到天線穩(wěn)定平臺(tái)的方位軸(外框)和俯仰軸(中框)。天線穩(wěn)定平臺(tái)框架如圖1所示。

圖1 天線伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的位置、速度和姿態(tài)信息通過1553B總線傳遞給天線穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)。在接收控制指令后,天線穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)采用慣導(dǎo)系統(tǒng)精確測量的彈體航向、姿態(tài)等信號(hào)作為參考基準(zhǔn),通過坐標(biāo)變換控制天線穩(wěn)定平臺(tái)隔離載體的角運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定天線指向控制角度;利用慣導(dǎo)提供的瞬時(shí)速度和加速度信號(hào)完成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

2 SAR天線穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)坐標(biāo)系定義

在SAR工作過程中,主要角度關(guān)系涉及到目標(biāo)、導(dǎo)彈及天線穩(wěn)定平臺(tái),其定義如下:

(1)目標(biāo)坐標(biāo)系OXYZ:以目標(biāo)中心為原點(diǎn),Y軸為過原點(diǎn)的法線方向,向天為正。X軸沿航向方向?yàn)檎?Z軸符合右手系定則。

(2)彈體坐標(biāo)系OX d Y d Z d:以彈體重心為原點(diǎn),X d軸沿導(dǎo)彈縱軸指向?qū)楊^部。Y d軸在導(dǎo)彈縱向?qū)ΨQ面內(nèi),垂直于X d軸,指向下為正。Z d軸由右手系定則確定。

(3)伺服平臺(tái)坐標(biāo)系OX s Y s Z s:以SAR伺服平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為原點(diǎn)。與彈體坐標(biāo)系的三軸分別平行,X s軸指向-Y d軸,Y s軸指向X d軸,Z s軸指向Z d軸。

彈體在目標(biāo)坐標(biāo)系中的姿態(tài)角定義為φ,ψ,γ,轉(zhuǎn)換次序?yàn)楦┭?、偏航、滾動(dòng)。目標(biāo)中心坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣為

圖2 目標(biāo)坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系的位置關(guān)系

3 坐標(biāo)變換原理

伺服平臺(tái)轉(zhuǎn)角確定SAR測量坐標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系間的位置關(guān)系,當(dāng)伺服平臺(tái)轉(zhuǎn)角處于零位時(shí)SAR測量坐標(biāo)系的三軸與伺服平臺(tái)坐標(biāo)系的三軸重合。伺服平臺(tái)由零位開始依次轉(zhuǎn)動(dòng)外框θy(繞Y s軸正向)、中框θz(繞Z′s軸正向)、內(nèi)框θx(繞X s軸正向),則伺服平臺(tái)坐標(biāo)系與SAR測量坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣為

在SAR測量坐標(biāo)系中定義前視角、下視角。按照SAR測量坐標(biāo)系中波束前視角θq、下視角θf的定義順序,將天線坐標(biāo)系的波束指向旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)中心坐標(biāo)系:

由于本天線穩(wěn)定平臺(tái)只有兩軸,按照伺服平臺(tái)轉(zhuǎn)角θy(外框),θz(中框)順序,將天線坐標(biāo)系的波束指向旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)中心坐標(biāo)系。彈體姿態(tài)角定義為航向角φ,俯仰角ψ,橫滾角γ。

由式(5),根據(jù)波束前視角、下視角和彈體姿態(tài)角,通過坐標(biāo)變換,解算出天線穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框角及外框角,將波束指向轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧脚_(tái)轉(zhuǎn)角并隔離彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

4 同軸雙天線設(shè)計(jì)

在作用距離遠(yuǎn)時(shí),為保證天線增益,天線必須足夠大 ,在作用距離近時(shí),為保證成像帶寬度,在仰角大范圍變化時(shí),必須考慮天線是否和艙壁出現(xiàn)干涉,此時(shí),天線尺寸必須減小。

為滿足上述要求,采用兩個(gè)長度尺寸不同的平板裂縫陣列天線,兩個(gè)天線成60°夾角安裝。在伺服控制程序中,必須隨工作模式實(shí)時(shí)切換天線,而控制程序中只能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng),無法分辨兩個(gè)天線誰需要工作。根據(jù)不同的坐標(biāo)公式來建立大(小)天線與平臺(tái)雙軸之間的關(guān)系,故在伺服控制程序中,大、小天線切換工作就是調(diào)用不同的坐標(biāo)變換公式。

5 小天線坐標(biāo)變換算法

小天線面與大天線面的夾角為60°,以大天線為基準(zhǔn)確立坐標(biāo)系和坐標(biāo)零位,在計(jì)算小天線時(shí),先將小天線測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至大天線測量坐標(biāo)系,然后再轉(zhuǎn)換至伺服坐標(biāo)系。按照前視角θq、下視角θf的定義順序,將小天線坐標(biāo)系的波束指向旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)中心坐標(biāo)系:

由式(7),根據(jù)波束前視角、下視角和彈體姿態(tài)角,通過坐標(biāo)變換,解算出小天線工作時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)的中框角及外框角,將波束指向轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧脚_(tái)轉(zhuǎn)角并隔離彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

6 結(jié)束語

兩軸天線穩(wěn)定平臺(tái)反應(yīng)3個(gè)姿態(tài)變化是在某個(gè)姿態(tài)角變化較小時(shí)才能實(shí)現(xiàn),在實(shí)際應(yīng)用過程中,兩軸天線穩(wěn)定平臺(tái)的可行性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性經(jīng)過了試驗(yàn)考研,證明了該方法確實(shí)有效。同軸雙天線設(shè)計(jì)方式解決了不同工作狀態(tài)下對(duì)天線不同需求的問題,在設(shè)計(jì)過程中,由大天線或小天線建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系,將另外一個(gè)天線坐標(biāo)系先旋轉(zhuǎn)到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下,然后再進(jìn)行坐標(biāo)變換。大、小天線的切換就是調(diào)用不同的坐標(biāo)變換公式。

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