動(dòng)態(tài)跟蹤條件下船載ACU雙機(jī)平穩(wěn)切換功能的實(shí)現(xiàn)

張 皓,陶 敏,夏佳峰

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

測量船是我國航天工程和衛(wèi)星測控網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著對火箭及航天器的跟蹤測量、定軌定姿、遙測監(jiān)視等任務(wù)，船載測控天線就是完成任務(wù)的核心設(shè)備。

船載天線伺服系統(tǒng)用于控制天線運(yùn)轉(zhuǎn)，ACU作為該系統(tǒng)的主要組成部分，具有極其重要的地位，對設(shè)備的可靠性和工作的穩(wěn)定性提出更高的要求[1]。為提高ACU的可靠性，對其進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)是目前最有效的方法之一，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間[2-3]。目前，某型號(hào)測量船船載ACU采用熱備份設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)切換主備機(jī)的功能，但只有在天線靜止?fàn)顟B(tài)下，才允許進(jìn)行主備機(jī)的切換。天線處于動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)時(shí)，若進(jìn)行主備機(jī)切換，切換過程中ACU自動(dòng)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，速度指令停發(fā)，會(huì)導(dǎo)致天線產(chǎn)生較大階躍，可能造成跟蹤目標(biāo)的丟失，弱化了熱備份的功能。針對該情況，本文根據(jù)產(chǎn)生階躍的原因，提出了一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤條件下ACU雙機(jī)平穩(wěn)切換的方法，確保天線在跟蹤過程中進(jìn)行主備機(jī)切換也不會(huì)造成較大階躍，從而導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)的丟失。

文章分為以下幾個(gè)部分：第一部分主要介紹跟蹤環(huán)及ACU雙機(jī)切換工作原理，分析實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下雙機(jī)切換的基礎(chǔ)和產(chǎn)生階躍的原因；第二部分提出動(dòng)態(tài)條件下平穩(wěn)切換的實(shí)現(xiàn)方法，針對問題進(jìn)行改進(jìn)；第三部分對新舊方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，比對其試驗(yàn)效果，從而證明新方法的優(yōu)越性和可行性；第四部分為得到的結(jié)論及還需要完善和解決的技術(shù)問題。

1 跟蹤環(huán)及ACU雙機(jī)切換工作原理

1.1 跟蹤環(huán)工作原理

自跟蹤方式是伺服系統(tǒng)的主要工作方式，即天線隨目標(biāo)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，主要分為主天線跟蹤(簡稱主跟蹤)、引導(dǎo)天線跟蹤以及光學(xué)跟蹤，文中只涉及主跟蹤。主跟蹤環(huán)工作時(shí)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生誤差，伺服系統(tǒng)接收來自雷達(dá)接收機(jī)或者基帶的誤差信號(hào)，經(jīng)數(shù)字處理、放大、驅(qū)動(dòng)天線朝減小誤差的方向移動(dòng)，以完成對目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。目前，船載設(shè)備采用的數(shù)字PID位置調(diào)節(jié)器[4]，跟蹤環(huán)系統(tǒng)如圖 1所示。

圖1 跟蹤環(huán)系統(tǒng)框圖

由跟蹤環(huán)工作原理可知，誤差電壓為整個(gè)環(huán)路的信號(hào)基礎(chǔ)，其信號(hào)流程如圖 2所示。

圖2 誤差電壓信號(hào)流程圖

圖2中，工控機(jī)A為主機(jī)，工控機(jī)B為備機(jī)，主機(jī)與備機(jī)的環(huán)路設(shè)置完全一致。

由圖 2可以看出，誤差信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理單元后，同時(shí)傳給ACU的主機(jī)和備機(jī)，因此，當(dāng)主機(jī)在線時(shí)，備機(jī)也能接收到相同的誤差電壓信號(hào)。由于主跟蹤模式的核心機(jī)理就是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生誤差，此誤差控制天線運(yùn)動(dòng)，天線運(yùn)動(dòng)使此誤差消除，從而達(dá)到跟蹤的目的，所以，當(dāng)誤差信號(hào)相同，即主機(jī)和備機(jī)的環(huán)路輸入相同，對于同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩個(gè)相同環(huán)路來說，可以進(jìn)行無縫切換，這是動(dòng)態(tài)跟蹤條件下雙機(jī)切換的基礎(chǔ)。

1.2 雙機(jī)切換工作原理

上節(jié)中提到的主機(jī)與備機(jī)(分別定義為A機(jī)和B機(jī))為互相備份，只有在線狀態(tài)的不同，目前默認(rèn)A機(jī)為主機(jī)。A/B機(jī)通過臺(tái)面上“A機(jī)/B機(jī)”按鍵進(jìn)行主備機(jī)切換，按下此鍵，切換信號(hào)通過操控按鍵單元和信號(hào)調(diào)理與切換單元將在線權(quán)從A機(jī)轉(zhuǎn)到B機(jī)，以保證同一時(shí)間只有一套ACU處于在線狀態(tài)，能向外發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，但兩套ACU同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)并接收數(shù)據(jù)，且環(huán)路狀態(tài)相同。兩套ACU采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)工作方式狀態(tài)同步，通過網(wǎng)線將在線ACU的工作狀態(tài)同步給備機(jī)，即當(dāng)A機(jī)轉(zhuǎn)換為主跟蹤模式，B機(jī)的跟蹤環(huán)路同時(shí)轉(zhuǎn)為主跟蹤環(huán)路，保證了主備機(jī)狀態(tài)的一致性。由于ACU和驅(qū)動(dòng)的串口是查詢式的，因此只有在線主機(jī)能反映驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)[4]。主要設(shè)備組成如圖3所示。

圖3 主要設(shè)備組成圖

圖3中，PLC為驅(qū)動(dòng)的邏輯處理模塊，主跟蹤環(huán)路所需要的誤差電壓由基帶或者雷達(dá)終端通過串口發(fā)送給ACU。

信號(hào)流程如圖4所示。

圖4 雙機(jī)切換信號(hào)流程圖

圖4中，A/B機(jī)切換信號(hào)選用Boolean型信號(hào)，即此鍵按下，則輸出信號(hào)“1”，彈起則為“0”。當(dāng)輸入到操控按鍵板的信號(hào)為“1”時(shí)，ACU進(jìn)行雙機(jī)切換流程。天線控制軟件采用Borland Delphi進(jìn)行開發(fā)[5]。目前，程序中進(jìn)行雙機(jī)切換的代碼如下：

procedure ABSwitchDeal;

begin

if(ABSwitchCommand<>

ABSwitchLastCommand)

then

begin

AcuSetStandbyMode;

end;

end;

由代碼可知，若天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一旦進(jìn)行雙機(jī)切換，在線主機(jī)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入待機(jī)模式，此時(shí)速度指令輸出為0，直到切換完畢，新的在線主機(jī)開始向驅(qū)動(dòng)發(fā)送速度指令，天線才能正常工作。這樣造成的后果是，如果轉(zhuǎn)換時(shí)間超過驅(qū)動(dòng)維持速度指令的時(shí)間，驅(qū)動(dòng)收到的速度指令就會(huì)變?yōu)?，若天線處于跟蹤狀態(tài)，就會(huì)造成較大的階躍，致使天線無法正常跟蹤。

2 動(dòng)態(tài)條件下平穩(wěn)切換實(shí)現(xiàn)方法

2.1 問題分析

目前，ACU發(fā)送速度指令的頻率為40 Hz，與驅(qū)動(dòng)的接收頻率相同，因此驅(qū)動(dòng)采用的速度指令接收策略是將接收到的速度指令保持一個(gè)發(fā)送周期(25 ms)不變，25 ms后，驅(qū)動(dòng)接收ACU發(fā)送的下一幀速度指令進(jìn)行指令替換。正常跟蹤時(shí)，由于每一幀之間的間隔時(shí)間很短，對于天線來說，相鄰兩幀之間的速度指令電壓變化很小，體現(xiàn)在天線的運(yùn)動(dòng)上基本不會(huì)發(fā)生太大變化，但當(dāng)處理切換流程的時(shí)間超過了25 ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的速度指令就會(huì)突變?yōu)?，天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，無法正常運(yùn)行，處理切換流程的時(shí)間越長，天線運(yùn)動(dòng)受到的影響越大。

2.2 記憶跟蹤

由上節(jié)可知，ACU在切換時(shí)，由于天線由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)致切換時(shí)產(chǎn)生階躍，因此，本文針對性提出了將待機(jī)改為記憶跟蹤的方式，規(guī)避切換時(shí)產(chǎn)生的階躍。

記憶跟蹤是一種在應(yīng)急情況下，為了保持對目標(biāo)的跟蹤，所采取的保持天線正常運(yùn)轉(zhuǎn)的有效機(jī)制[6]，普遍運(yùn)用于測控天線設(shè)備。當(dāng)前，某型號(hào)測量船采用的記憶跟蹤方式是當(dāng)目標(biāo)信號(hào)丟失時(shí)，ACU保持天線轉(zhuǎn)記憶跟蹤狀態(tài)前最后一幀的速度，作為速度指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)，使天線保持此速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最長可持續(xù)5秒，5秒后，ACU自動(dòng)轉(zhuǎn)為手速狀態(tài)。

根據(jù)記憶跟蹤的工作原理，提出改進(jìn)方法，并對ACU程序中的雙機(jī)切換代碼進(jìn)行修改，即當(dāng)進(jìn)行雙機(jī)切換時(shí)，在線主機(jī)進(jìn)入記憶跟蹤方式，直到新的在線主機(jī)開始工作，天線轉(zhuǎn)為主跟蹤模式，向驅(qū)動(dòng)發(fā)送新的速度指令。雙機(jī)切換代碼可改寫為：

procedure ABSwitchDeal;

begin

if(ABSwitchCommand

<>ABSwitchLastCommand)

then

begin

if MainTrkLock then

begin

if MemoryFlag then

begin

MemoryFlag := False;

MemoryTime := 0;

end;

AutoTrkManage;

end

else

begin

MemoryFlag := True;

if MemoryTime < 40 then

MemoryTime := MemoryTime + 1

else

AcuSetStandbyMode;

end

end

end

根據(jù)設(shè)備操作實(shí)際和記盤數(shù)據(jù)分析，切換過程時(shí)間不超過1秒，因此在代碼中設(shè)定記憶時(shí)間持續(xù)1 s，即40個(gè)周期。這段時(shí)間內(nèi)，天線保持轉(zhuǎn)記憶跟蹤狀態(tài)前最后一幀的速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到ACU將新的速度指令發(fā)出，天線退出記憶跟蹤。由于在跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)時(shí)，天線是變加速或變減速運(yùn)動(dòng)，記憶跟蹤方法在天線低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，對目標(biāo)的跟蹤影響不大，但當(dāng)天線為高仰角、高速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線每一幀的速度變化都會(huì)增大，記憶跟蹤相對目標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離度就會(huì)大幅增加，針對這種情況，還可以在記憶跟蹤的基礎(chǔ)上使用差分疊加法進(jìn)行平滑處理。

2.3 差分疊加法

差分疊加法基于差分法[7]，即在記憶跟蹤的過程中，對天線速度指令進(jìn)行平滑處理，防止天線出現(xiàn)較大階躍的一種方式。當(dāng)數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)有效時(shí)，ACU根據(jù)數(shù)字引導(dǎo)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)引速度的計(jì)算。ACU的數(shù)據(jù)采樣頻率為20 Hz，當(dāng)采集到第N幀數(shù)引數(shù)據(jù)時(shí)，ACU對第N幀和第(N-1)幀數(shù)引數(shù)據(jù)作差，得到一階差分處理結(jié)果，轉(zhuǎn)化為電壓值，疊加到記憶跟蹤的第N幀速度指令中。由于記憶跟蹤時(shí)速度指令保持不變，疊加處理后的速度指令近似真實(shí)指令，可以使天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)近似于主跟蹤狀態(tài)。

3 平穩(wěn)切換方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用該測量船上搭載的某測控天線進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在ACU處操控天線，監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)記錄。

3.1 雙機(jī)切換存在“階躍”

采用原代碼，利用目標(biāo)模擬器模擬某航天器最高仰角為50°左右的飛行彈道。為保證設(shè)備安全，在彈道的俯仰角10°以下隨機(jī)選取某一時(shí)刻，進(jìn)行雙機(jī)切換，發(fā)現(xiàn)誤差電壓產(chǎn)生較大值，存在明顯階躍現(xiàn)象。選取監(jiān)控計(jì)算機(jī)部分記盤數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可以看出，切換過程中ACU狀態(tài)為待機(jī)，驅(qū)動(dòng)失去對天線的控制，天線處于慣性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，切換時(shí)間最短為450ms，最長為550 ms，即在18～22個(gè)發(fā)送周期之間，遠(yuǎn)超過驅(qū)動(dòng)保持速度指令的時(shí)間。

表1 原代碼操作后監(jiān)控計(jì)算機(jī)部分記盤數(shù)據(jù)

分析跟蹤弧段中切換過程，如圖5、圖6所示。

圖5 原程序運(yùn)行時(shí)，雙機(jī)切換過程方位誤差電壓圖和方位角度變化圖

圖6 原程序運(yùn)行時(shí)，雙機(jī)切換過程俯仰誤差電壓圖和俯仰角度變化圖

從表1、圖5和圖6中可以看出，選取數(shù)據(jù)中第36點(diǎn)至第45點(diǎn)為切換過程。此過程中由于天線處于慣性失控狀態(tài)，天線偏離角度較大，導(dǎo)致誤差電壓也產(chǎn)生了較大變化，切換完成后，由于慣性作用，天線還會(huì)繼續(xù)偏開一定角度，并存在超調(diào)現(xiàn)象，其方位、俯仰的誤差電壓分別變化約0.8 V和1 V，方位、俯仰角度分別變化大約0.1°和0.12°，雖然小于S波段天線的半波束寬度，但已經(jīng)逼近了C波段天線的半波寬度，甚至超過了X波段天線的半波寬度，不能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，天線速度提高后，其變化幅度會(huì)大幅增加，從而增加了天線的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 平穩(wěn)切換實(shí)現(xiàn)

在雙機(jī)切換的代碼中只采用記憶跟蹤命令替代原先的待機(jī)命令，不增加差分疊加的效果，利用目標(biāo)模擬器回放上節(jié)內(nèi)容中的跟蹤弧段。在相似的切換試驗(yàn)弧段，進(jìn)行雙機(jī)切換操作，過程中可以發(fā)現(xiàn)階躍基本消失，誤差電壓變化在正常范圍內(nèi)。選取監(jiān)控計(jì)算機(jī)部分記盤數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可以看出，切換過程中ACU狀態(tài)為記憶跟蹤，驅(qū)動(dòng)持續(xù)對天線進(jìn)行速度控制，天線處于正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

分析記錄數(shù)據(jù)，可得圖7和圖8。

圖8 新程序運(yùn)行時(shí)，雙機(jī)切換過程俯仰誤差電壓圖和俯仰角度變化圖

同樣選取數(shù)據(jù)中第36點(diǎn)至第45點(diǎn)為切換過程，由表 2、圖 7、圖 8中可以看出，此過程中由于天線處于記憶跟蹤狀態(tài)，天線保持的運(yùn)動(dòng)速度不變，由于天線整體運(yùn)動(dòng)速度不快，因此天線重新轉(zhuǎn)為主跟蹤狀態(tài)時(shí)，天線偏離角度很小，誤差電壓變化也不大，方位最大誤差電壓變化不超過0.08 V，俯仰基本與正常的誤差電壓波動(dòng)相同，方位和俯仰的變化基本與正常變化無異，幅度在C波段和X波段天線的半波寬度內(nèi)，天線平穩(wěn)過渡完成，且具有良好的穩(wěn)定性。

對比圖 5～圖8，可以看出，切換過程相同的情況下，圖 7(a)和圖 8(a)中的方位、俯仰誤差電壓的變化明顯分別遠(yuǎn)小于圖 5(a)和圖 6(a)中的誤差電壓變化量，角度變化趨勢與誤差電壓相同，證明方法改進(jìn)初步成功。

3.3 差分疊加法效果驗(yàn)證

考慮到高仰角弧段雙機(jī)切換的可靠性，采用修改后的程序，增加差分疊加法平滑處理，并進(jìn)行效果驗(yàn)證。利用目標(biāo)模擬器模擬上一節(jié)中相同彈道進(jìn)行檢驗(yàn)，在確保安全的前提下，選擇在天線仰角運(yùn)動(dòng)到20°左右進(jìn)行試驗(yàn)。

首先不增加差分疊加法，由記盤數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)天線俯仰角度在20°左右時(shí)，若不利用差分疊加法，天線在切換過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡與模擬軌跡相比出現(xiàn)了較大角度偏差，偏差值在0.4°左右，天線發(fā)生較大階躍，險(xiǎn)些造成天線失去控制，危及天線安全。

若采用差分疊加法進(jìn)行平滑處理，經(jīng)過試驗(yàn)，俯仰角度在20°左右時(shí)，切換過程中的天線的角度變化基本與正常運(yùn)行無異，天線過渡平穩(wěn)，安全有效。進(jìn)一步選擇俯仰角度在40°左右時(shí)進(jìn)行切換，天線運(yùn)行情況良好，雖然誤差電壓存在小幅度波動(dòng)，但主要原因在于高仰角時(shí)目標(biāo)動(dòng)態(tài)滯后的存在，會(huì)影響天線的跟蹤狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，差分疊加法效果良好。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前ACU雙機(jī)切換只能在天線待機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，導(dǎo)致在跟蹤目標(biāo)過程中切換主、備機(jī)會(huì)造成天線較大階躍的問題，分析了跟蹤環(huán)路及雙機(jī)切換工作原理，得出產(chǎn)生階躍的原因是由于切換過程中ACU發(fā)送給驅(qū)動(dòng)的速度指令會(huì)因?yàn)榇龣C(jī)命令而變?yōu)榱悖页掷m(xù)時(shí)間較長，致使驅(qū)動(dòng)對天線失去控制，進(jìn)而提出用記憶跟蹤命令替代原程序中的待機(jī)命令，并在記憶跟蹤的基礎(chǔ)上進(jìn)行差分平滑處理。

結(jié)果表明：

1)在低仰角情況下，即使不用差分平滑處理，記憶跟蹤也可以有效避免天線的大幅度階躍，其誤差電壓變化量不超過0.08 V，效果良好；

2)若需要在高仰角、高動(dòng)態(tài)條件下也能夠進(jìn)行平穩(wěn)切換，則必須進(jìn)行差分平滑處理，結(jié)果表明，即使存在目標(biāo)動(dòng)態(tài)滯后的影響，也可以使天線實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，效果良好；

3)改進(jìn)后的程序同時(shí)可以滿足船載S、C、X三個(gè)頻段天線的跟蹤要求，增強(qiáng)了雙機(jī)熱備的效能，極大提高了船載伺服動(dòng)態(tài)跟蹤的穩(wěn)定性；

4)改進(jìn)后的方法也可以運(yùn)用到光學(xué)跟蹤環(huán)路、引導(dǎo)天線跟蹤環(huán)路、數(shù)字引導(dǎo)環(huán)路以及互引導(dǎo)環(huán)路中，使天線可以在任何工作模式下都能進(jìn)行雙機(jī)切換，提升設(shè)備的可靠性。

對于此項(xiàng)改進(jìn)，受限于實(shí)際操作中，若真正出現(xiàn)在線ACU故障無法發(fā)出速度指令甚至天線失控的情況，還是需要崗位人員進(jìn)行判斷后進(jìn)行操作，其判斷時(shí)間不可控，存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。對此，后續(xù)研究中可以考慮用電腦進(jìn)行故障判斷，建立相應(yīng)的故障檢測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)ACU雙機(jī)切換的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，避免人工操作帶來的不確定性和不準(zhǔn)確性，此項(xiàng)工作對于海上航天測控具有重要發(fā)展前景。