大動態(tài)目標(biāo)快速捕獲跟蹤技術(shù)

張冰 喬建江

摘要：針對黑障區(qū)目標(biāo)運(yùn)動特性以及目標(biāo)出黑障區(qū)的運(yùn)動特性，在大速度和高加速度的情況下，提出了測控天線大動態(tài)目標(biāo)快速自適應(yīng)捕獲跟蹤技術(shù)，解決了對于某些任務(wù)弧段，由于中心給定的理論預(yù)報可能與實(shí)際存在較大誤差，或任務(wù)實(shí)施階段出現(xiàn)異常情況，造成軌道偏差較大，同時目標(biāo)動態(tài)特性、天線速度加速度高的情況下快速捕獲跟蹤目標(biāo)的難題。

關(guān)鍵詞：黑障 快速捕獲 大動態(tài)目標(biāo)跟蹤

中圖分類號：TN850 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract：Aim at the movement characteristic of the maneuvering targets in the blackout， a quick capture and tracking method is studied. It may be hard to catch the target because there is some error between the academic orbit and the real orbit due to the effect of the blackout. This method solved the puzzle of capture and tracking high speed maneuvering targets which is moving with a high speed.

Key words： blackout， quick capture， tracking high speed targets

天線跟蹤的方位速度和加速度以及俯仰速度和加速度的提出是依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動規(guī)律決定的，這些和目標(biāo)的軌跡、速度、加速度以及地面測站的設(shè)置位置有關(guān)。分析飛行器的飛行軌跡可以知道，飛行器飛行軌跡可以大致分為如下幾種形式：高彈道、低彈道、正常彈道三種，對于每種飛行彈道來說，都有初始段和飛行再入段，根據(jù)項目背景需求分析可以知道，對于某系統(tǒng)來說主要跟蹤的是高彈道的再入段、低彈道的再入段、高彈道的初始段、低彈道的初始段。在飛行器的起飛降落階段主要是俯仰角速度和角加速度比較大；在正常彈道飛行階段主要是方位角速度和角加速度比較大；各種彈道的初始段或再入段也是方位角速度和角加速度比較大。由自動控制原理可知，系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度存在矛盾，獲得良好動態(tài)性能的同時可能會損失穩(wěn)態(tài)精度，對于測控站大動態(tài)目標(biāo)的捕獲和跟蹤來說，不但要求實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速捕獲，而且跟蹤精度要高，解決動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾可以采用多模式自適應(yīng)控制技術(shù)，即在捕獲模式和跟蹤模式下采用不同的控制結(jié)構(gòu)。（如圖1所示）

1技術(shù)原理

1.1目標(biāo)特性分析

在某車載多波束測控系統(tǒng)校飛過程中，目標(biāo)運(yùn)動線速度約為800km/h，近端航路捷徑為550m。地面測站跟蹤飛行器，假設(shè)在某一較短時間內(nèi)可認(rèn)為地面測站所能跟蹤的區(qū)域目標(biāo)等高、勻速、直線飛行，如圖2所示。

在不同的仰角時，對于跟蹤航路捷徑均為550m時，飛行器飛行的高度是不同的，但是伺服方位最大跟蹤角速度是相同的，都為23.162°/s，方位最大跟蹤角加速度為6.082（°）/s2。實(shí)際上我們在跟蹤動態(tài)目標(biāo)時，這種情況基本是不會出現(xiàn)的，僅僅出現(xiàn)某一個點(diǎn)（某個方位角和俯仰角）達(dá)到方位的最大角速度和角加速度。

針對如此高動態(tài)的目標(biāo)，該系統(tǒng)的位置環(huán)閉環(huán)環(huán)路帶寬為4.5Hz左右才能實(shí)現(xiàn)過頂跟蹤而不丟失目標(biāo)，這就要求天線座機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振頻率達(dá)到18Hz才能滿足要求，以目前的技術(shù)條件是絕對不可能實(shí)現(xiàn)的。在天線的實(shí)際測試過程中，該測控系統(tǒng)的天線座機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際諧振頻率只有6Hz左右，即使考慮到空間仰角方位上的正割補(bǔ)償因素，仍然無法實(shí)現(xiàn)過頂跟蹤。

1.2多模自適應(yīng)捕獲跟蹤切換控制技術(shù)

在多波束測控系統(tǒng)中，波束控制系統(tǒng)使用掃描的方法對天線陣的每一個饋源進(jìn)行掃描，查找信號最大值，根據(jù)最大值的位置查表獲得偏差量后引導(dǎo)天線控制系統(tǒng)對準(zhǔn)目標(biāo)主波束。這種工作體制導(dǎo)致了引導(dǎo)數(shù)據(jù)存在三個缺點(diǎn)，首先是引導(dǎo)數(shù)據(jù)的階躍跳變，由于波束控制系統(tǒng)通過查找接收到最強(qiáng)信號的饋源位置，受到饋源自身寬度和饋源之間安裝間隙的影響，饋源與饋源之間必然產(chǎn)生盲區(qū)，因而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的不連續(xù)。其次是由于波束控制系統(tǒng)遍掃所有饋源需要一定的時間，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)更新率低于天線控制系統(tǒng)閉環(huán)控制頻率。再次當(dāng)天線運(yùn)動至主波束邊緣時，波束控制分系統(tǒng)與基帶分系統(tǒng)引導(dǎo)數(shù)據(jù)在交接上存在跳變。由于這三個缺點(diǎn)的同時存在，使用傳統(tǒng)的PID控制算法必然導(dǎo)致了天線的震蕩和收斂調(diào)整時間的延長，對于高速運(yùn)動的目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)捕獲。天線軸角曲線與波束控制系統(tǒng)引導(dǎo)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

假設(shè)將目標(biāo)視為靜止不動的，由于受到機(jī)械伺服帶寬、電波束帶寬和基帶帶寬的共同影響，所以天線相對于目標(biāo)的運(yùn)行速度不能太大，此相對運(yùn)動速度Vm的數(shù)據(jù)可以通過實(shí)驗(yàn)獲得，當(dāng)相對運(yùn)動速度超過Vm時，就會導(dǎo)致電波束丟失，無法完成引導(dǎo)捕獲。將捕獲區(qū)間的運(yùn)動速度相對于角度偏差進(jìn)行歸一化處理，即可得到天線相對的靜止目標(biāo)的速度控制模型：

Vt=Vme/θ

式中，Vt為天線控制速度；

e為目標(biāo)預(yù)測偏差；

θ為天線的多波束天線掃描區(qū)域?qū)挾取?/p>

由于高動態(tài)目標(biāo)通常具有較大的運(yùn)動速度，所以僅僅使用上述的速度控制算法無法完成對高動態(tài)目標(biāo)的捕獲，尤其是當(dāng)目標(biāo)過頂時，目標(biāo)的運(yùn)動速度達(dá)到最大值，甚至超出了相對速度運(yùn)動的允許最大值，因此根本不可能完成目標(biāo)捕獲。要完成高動態(tài)目標(biāo)的快速捕獲就需要對目標(biāo)的運(yùn)動速度進(jìn)行預(yù)測計算，根據(jù)波束控制分系統(tǒng)的引導(dǎo)數(shù)據(jù)，將目標(biāo)的運(yùn)動軌跡擬合為曲線

在獲得了目標(biāo)的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度的情況下，即可知道目標(biāo)相對于天線的運(yùn)動方向，所以對于高動態(tài)目標(biāo)絕對運(yùn)動速度控制即可建模如下：

為了進(jìn)一步提高捕獲的動態(tài)特性，快速減小目標(biāo)與天線的相對位置，使用基于相對速度截止控制的捕獲控制原則，從而保證相對速度小于極限值的情況下，盡可能快得完成捕獲。動態(tài)切換控制過程是：在跟蹤系統(tǒng)接收到引導(dǎo)鎖定信號，立即使伺服機(jī)構(gòu)在最大加速度力矩作用下加速，在最短時間內(nèi)， 使系統(tǒng)達(dá)到最大相對速度Vm運(yùn)動，并保持最大相對速度不變；當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)某個合適的位置時，再以上述的速度控制算法控制系統(tǒng)減速，使系統(tǒng)以一定精度到達(dá)目標(biāo)指示位置時， 伺服機(jī)構(gòu)的速度正好與目標(biāo)速度一致， 以減小模式切換所造成的超調(diào)，完成對目標(biāo)的捕獲過程。相對速度與脫靶量的控制關(guān)系示意圖如圖5所示。

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入主波束后，立即切換為自適應(yīng)跟蹤控制，同時將捕獲模式的速度控制量對PID控制環(huán)路進(jìn)行初始化，從而實(shí)現(xiàn)捕獲到跟蹤的平滑切換。使用上述速度控制方法，可以最大限度的發(fā)揮的動態(tài)特性，很快將目標(biāo)引導(dǎo)至主波束區(qū)域內(nèi)，完成天線對目標(biāo)的快速捕獲，轉(zhuǎn)入高精度自跟蹤工作方式。自適應(yīng)捕獲跟蹤控制器原理框圖如圖6所示。多模自適應(yīng)捕獲跟蹤切換技術(shù)與傳統(tǒng)捕獲方法測試曲線如圖7所示。

1.3高仰角自適應(yīng)跟蹤控制技術(shù)

方位-俯仰型天線座架又稱為平式天線座架，是目前航天測控地面站跟蹤系統(tǒng)中使用最為廣泛的一種座架形式，這種座架形式在天頂附近存在著一個“盲區(qū)”，天線這一區(qū)域跟蹤目標(biāo)的方位轉(zhuǎn)動角度在數(shù)學(xué)意義上是無窮大，必然會造成目標(biāo)的丟失，地面站必須采取有效措施來解決過頂跟蹤的問題。

在線性PID控制器中，比例控制參數(shù)決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性，比例控制系統(tǒng)越大響應(yīng)速度越快，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分控制參數(shù)有助于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的精度，但是太大則會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于高動態(tài)目標(biāo)，在跟蹤初始階段受到多徑效應(yīng)或黑障效應(yīng)的影響，目標(biāo)下行信號波動較大，且在任務(wù)開始段需要完成從引導(dǎo)至單脈沖跟蹤的切換，這就要求系統(tǒng)的帶寬要寬，響應(yīng)速度要快，收斂震蕩次數(shù)要少。而跟蹤模式下，則要減小反饋帶寬，以減小傳感器噪聲的影響，但需要大的低頻反饋增益以減少抖動，消除穩(wěn)態(tài)誤差，滿足跟蹤精度。故應(yīng)用單獨(dú)的線性控制器時，在控制器設(shè)計中做某種折中，不可能很好的同時滿足適應(yīng)捕獲和跟蹤的要求。為了提高伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度和響應(yīng)速度，使用了一種非線性PID控制方法，采用增量式算法，傳統(tǒng)的PID控制器表達(dá)式離散化后為

對于航天測控系統(tǒng)，在跟蹤初始階段系統(tǒng)動態(tài)特性要好，因此要有較大的比例控制參數(shù)Kp，以使系統(tǒng)動作靈敏，響應(yīng)速度加快。此時偏差較大，積分控制左右較小。在跟蹤時，系統(tǒng)要提高穩(wěn)態(tài)精度，比例控制參數(shù)Kp可稍小，而積分控制參數(shù)Ki要加大。

非線性PID控制器表示如下

2測試結(jié)果

經(jīng)過某車載多波束測控系統(tǒng)的多次校飛和任務(wù)的執(zhí)行，該技術(shù)的優(yōu)越性得到了充分的驗(yàn)證，目標(biāo)的捕獲時間從原來的12～15秒提高到了4～5秒，大大延長了任務(wù)的測控時間，并且測角精度也得到了很大的提升。

從圖8和9中可以看出， 采用高仰角自適應(yīng)跟蹤控制技術(shù)，大大減小了天線在航路捷徑時的動態(tài)滯后，使得測角精度得到了很大的提高。

3結(jié)語

本技術(shù)使用創(chuàng)新的控制算法技術(shù)，針對測控領(lǐng)域大動態(tài)目標(biāo)的飛行特點(diǎn)，以及目標(biāo)剛剛出黑障區(qū)時高速度和高加速度的情況下跟蹤捕獲難題，提出了大動態(tài)目標(biāo)快速跟蹤捕獲技術(shù)，解決了由于理論預(yù)報與實(shí)際存在較大誤差，同時目標(biāo)動態(tài)特性、天線速度加速度高的情況下快速捕獲跟蹤目標(biāo)的難題，從而減小了硬件研發(fā)的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王德純 等.精密跟蹤測量雷達(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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