一種窄波束測控裝備車船搖隔離方法*

顧保國，郝耀峰，馬東陽，周立新，屠稼木

（中國人民解放軍63726 部隊，寧夏 銀川 750004）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和航天測控任務(wù)的需要，測控裝備由早期單一的固定地基式發(fā)展到目前車載、船載、機載、星載等多種承載形式[1]，其中船載式和車載式都是在運動的狀態(tài)下執(zhí)行測控任務(wù)，即“動中測”。

船舶在海上航行或漂泊時，受風(fēng)浪的影響，船載測控裝備在左右、上下和前后3 個維度上都存在不同程度的晃動。對于窄波束天線來講，由于其波束寬度一般遠比船搖幅度小，如果不采取任何措施，伺服系統(tǒng)進行目標捕獲是比較困難的[2]。與陸地固定測控裝備相比，船載測控裝備必須克服船搖的影響，以解決穩(wěn)定問題才能實現(xiàn)對目標的跟蹤[3]。

車載機動測控裝備是對地面固定測控網(wǎng)點的有效補充[4]，近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一車一站式車載測控裝備成為一種新的發(fā)展方向，它可以不依賴預(yù)設(shè)場地，在符合要求的公路上以車載機動的方式完成測控任務(wù)，將傳統(tǒng)的“動中測”由海上拓展到陸地。

在“動中測”模式下，需要采取一定的措施來減小船舶和載車的晃動對天線指向的影響，所謂車船搖隔離技術(shù)，就是在“動中測”時，所采取的穩(wěn)定天線指向的伺服自動控制技術(shù)。

1 車/船搖隔離技術(shù)

測控裝備安裝于載車、艦船等運動載體之上，由于天線轉(zhuǎn)臺底座與載體之間是剛性連接，運動載體自身的姿態(tài)變化將引起天線指向變化，雖然運動載體的姿態(tài)變化對天線伺服系統(tǒng)造成的擾動處于伺服系統(tǒng)位置跟蹤環(huán)內(nèi)，具有一定的隔離能力，但由于伺服跟蹤回路帶寬限制，無法對高頻擾動產(chǎn)生理想的隔離效果，當擾動幅值大、頻率高時將導(dǎo)致跟蹤誤差增大，嚴重時目標丟失，因而需采用一定的方法，提高伺服系統(tǒng)對車船搖擾動的隔離能力。車船搖隔離度就是用來衡量伺服回路對車搖或船搖擾動的抑制程度，即沒有穩(wěn)定措施時天線的搖擺角度與有措施時天線剩余搖擺角度的比值，一般用dB 表示，計算公式如式（1）所示：

其中，θm為沒有穩(wěn)定措施時天線的搖擺角度，Δθm為增加搖穩(wěn)定措施后天線的剩余搖擺角度，即隔離殘差。

目前在航天測量船上普遍采用的船搖隔離方法是反饋陀螺法[5]，這種方法與位置跟蹤環(huán)路聯(lián)合使用，船搖隔離度能達到38.8 dB 以上[6]，在幅度為7.5°的船搖情況下，隔離殘差在0.08°左右，這對于波束寬度在2°以上的寬波束天線，是能夠滿足使用要求的；但是對于波束寬度小于0.2°的窄波束天線來說，其隔離殘差幾乎達到了波束寬度的一半，是無法滿足正常跟蹤需求的。本文所研究的窄波束測控裝備，其天線波束寬度為0.2°，船搖隔離度的指標要求是不小于50 dB（船橫搖±7.5°、周期8 s，縱搖±3.0 °、周期5.5 s），車搖隔離度不低于20 dB（車搖±1 °，周期0.5 s）。

2 伺服系統(tǒng)建模

伺服系統(tǒng)通常包含電流環(huán)[7?9]、速度環(huán)[10?11]、位置環(huán)[12?15]（也稱作“位置跟蹤環(huán)”或“跟蹤環(huán)”）。為了便于對車載/船載測控裝備的伺服系統(tǒng)動態(tài)性能進行分析與評估，建立包含電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的模型，如圖1所示。為了使模型更接近真實情況，該模型還包括了負載天線等效的轉(zhuǎn)動慣量與摩擦力。

圖1 伺服系統(tǒng)模型

3 船搖隔離度分析

在進行船搖隔離度的仿真分析時，采用等效的正弦信號代替真實的船橫搖與縱搖，其中橫搖為幅值7.5°、周期8 s 的正弦信號，縱搖為幅值3.0°、周期5.5 s 的正弦信號。為評估伺服系統(tǒng)對船搖擾動的最大隔離能力，假設(shè)橫搖、縱搖擾動量全部疊加在天線軸上。

3.1 僅采用位置環(huán)的船搖隔離度分析

在位置跟蹤回路中增加上述的正弦信號來代替船搖擾動，隔離度仿真結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 僅位置回路策略下橫搖隔離仿真結(jié)果

圖3 僅位置回路策略下縱搖隔離仿真結(jié)果

從結(jié)果中可以看出：對于方位軸，橫搖隔離殘差為0.182°，隔離度約為32.3 dB，縱搖隔離殘差為0.155°，隔離度約為25.7 dB；對于俯仰軸，橫搖隔離殘差為0.169°，隔離度約為32.9 dB，縱搖隔離殘差為0.143°，隔離度約為26.4 dB。僅僅依靠位置環(huán)，橫搖和縱搖的隔離殘差均超過窄波束天線的半波束寬度，無法滿足跟蹤要求。

3.2 疊加船搖前饋補償?shù)拇瑩u隔離度分析

為進一步提高伺服系統(tǒng)的船搖隔離度，在位置環(huán)的基礎(chǔ)上疊加船搖前饋補償策略。利用安裝于天線座底部的慣導(dǎo)來測量船搖，通過坐標變換計算出船搖引起的在天線方位、俯仰軸上的擾動速度分量，并將該速度信號饋入速度回路輸入端，以進行速度補償。慣導(dǎo)安裝時，慣導(dǎo)坐標系與船體坐標系重合，船體坐標系示意圖如圖4 所示，其中ωH為航向角速度，ωR為橫搖角速度，ωP為縱搖角速度。

圖4 船體坐標系示意圖

在此坐標系下，船搖在方位軸上的擾動角速度分量為：

在俯仰軸上的擾動角速度分量為：

疊加船搖前饋補償后的仿真結(jié)果如圖5 和圖6所示。

圖5 船搖前饋補償策略下橫搖隔離仿真結(jié)果

圖6 船搖前饋補償策略下縱搖隔離仿真結(jié)果

從圖5 和圖6 中可以看出，疊加船搖前饋補償策略后，方位軸橫搖隔離殘差減小到0.018°，隔離度約為52.4 dB，縱搖隔離殘差減小到0.016°，隔離度約為45.5 dB；俯仰軸橫搖隔離殘差減小到0.014°，隔離度約為54.6 dB，縱搖隔離殘差減小到0.012°，隔離度約為47.9 dB，伺服系統(tǒng)船搖隔離度指標顯著提高。由于系統(tǒng)隔離度與擾動頻率相關(guān)，頻率越高隔離能力越弱[16]，縱搖擾動頻率比橫搖高，因而其隔離度低一些。

3.3 疊加陀螺穩(wěn)定環(huán)的船搖隔離度分析

經(jīng)上一節(jié)仿真分析，在采用疊加船搖前饋補償后，伺服系統(tǒng)船搖隔離度指標顯著提高，為進一步提高伺服系統(tǒng)的船搖隔離度，通?？紤]在船搖前饋補償?shù)幕A(chǔ)上，增加陀螺穩(wěn)定環(huán)[17]。

陀螺穩(wěn)定環(huán)介于速度環(huán)與位置環(huán)之間，是一個反饋穩(wěn)定回路。利用陀螺空間測速機的原理，將雙軸速率陀螺安裝于天線背面的基準面上，直接感應(yīng)方位、俯仰軸在慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度信息，并進行反饋控制，構(gòu)成陀螺穩(wěn)定環(huán)。在實際應(yīng)用中，設(shè)有“無陀自跟蹤”工作方式，就是在船搖不是很嚴重的條件下，斷開陀螺環(huán)，以保證跟蹤性能。即，建立陀螺穩(wěn)定環(huán)來提高抗船搖擾動的能力是要以犧牲一些跟蹤性能為代價的。在船搖前饋補償策略的基礎(chǔ)上，增加陀螺穩(wěn)定回路的仿真模型如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖7 陀螺穩(wěn)定策略下仿真模型

圖8 陀螺穩(wěn)定策略下橫搖隔離仿真結(jié)果

圖9 陀螺穩(wěn)定策略下縱搖隔離仿真結(jié)果

從圖8、圖9 中可以看出，采用“位置環(huán)路+船搖補償+陀螺穩(wěn)定”的隔離策略之后，方位軸橫搖隔離殘差減小到0.005 53°，隔離度約為62.6 dB，縱搖隔離殘差減小到0.006 8°，隔離度約為52.9 dB；俯仰軸橫搖隔離殘差減小到0.005 50°，隔離度約為62.7 dB，縱搖隔離殘差減小到0.006 5°，隔離度約為53.3 dB，隔離船搖的能力進一步提高[18]。

3.4 仿真小結(jié)

綜合上述仿真結(jié)果，該伺服系統(tǒng)船搖隔離度仿真結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 船搖隔離度仿真結(jié)果

在采用“位置回路+船搖前饋補償”的策略，方位與俯仰的橫搖隔離度均能夠達到50 dB、縱搖隔離度達到45 dB；再增加陀螺穩(wěn)定環(huán)設(shè)計，則橫搖隔離度能夠達到約62 dB，縱搖隔離度約52 dB，能夠滿足窄波束天線的跟蹤要求。

4 車搖隔離度分析

在伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)固定時，系統(tǒng)對擾動的隔離度只與擾動的頻率有關(guān)，無論是車搖還是船搖，在相同的擾動頻率下，其擾動隔離度是固定的。通常情況下，船搖的擾動頻率較低，相應(yīng)的系統(tǒng)隔離能力較強，隔離度較高；而車搖的擾動頻率相對較高，相應(yīng)的系統(tǒng)隔離能力變?nèi)酰綦x度較低，但是車搖的擾動幅度比船搖小。

4.1 僅采用位置環(huán)的車搖隔離度分析

對于機動平臺的測控裝備來說，無論是車載模式還是船載模式，其伺服系統(tǒng)是完全相同的。當僅使用位置跟蹤回路對車搖擾動進行隔離時，根據(jù)圖1 所示的模型，在擾動幅度均為1°的情況下，可得到不同擾動頻率下的隔離度，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 位置環(huán)車搖隔離度仿真結(jié)果

從表2 中可以看出，僅使用位置跟蹤回路進行擾動隔離，當擾動頻率為0.1 Hz 時，方位、俯仰隔離度分別為36.1 dB 和37.7 dB；當擾動頻率為1 Hz 時，方位、俯仰的隔離度下降為1.0 dB 和1.8 dB；當擾動頻率上升為1.2 Hz 時，隔離度為0，已沒有擾動隔離能力。因此，在僅僅使用位置跟蹤環(huán)路進行隔離時，無法滿足車載狀態(tài)下的隔離度要求，需要使用額外的隔離措施，以提高系統(tǒng)擾動隔離能力。

4.2 疊加前饋補償?shù)能嚀u隔離度分析

與船搖前饋補償方法相同，可利用車搖速率補償，即通過安裝于天線座底盤上的慣導(dǎo)系統(tǒng)實時檢測車搖擾動速率信號，并將其饋入系統(tǒng)速度回路，以補償擾動速率的影響，提高車搖隔離度。采用車搖前饋補償策略，不同擾動頻率下的隔離度仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 疊加車搖前饋補償隔離度仿真結(jié)果

從結(jié)果中可以看出，疊加車搖前饋補償后，當擾動頻率小于1.5 Hz 時，俯仰隔離度滿足20 dB 要求，擾動頻率為2 Hz 時隔離度為19 dB 左右；因方位轉(zhuǎn)動慣量遠大于俯仰轉(zhuǎn)動慣量，導(dǎo)致方位高頻響應(yīng)要慢一些，其隔離度在擾動頻率小于1.3 Hz 時能達到20 dB，當擾動頻率為2 Hz 時隔離度約為15 dB，仍然不能滿足指標要求。

4.3 疊加陀螺穩(wěn)定車搖隔離度分析

在車搖前饋的基礎(chǔ)上疊加陀螺穩(wěn)定回路，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 增加陀螺穩(wěn)定回路后的車搖隔離度仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，在擾動幅度為1°時，當車搖擾動頻率在2 Hz 以內(nèi)時，方位與俯仰支路的隔離度均能達到20 dB，滿足指標要求。

4.4 車體隔振處理

與船搖相比，車搖擾動的頻率較高，隔離難度大，通過使用不同控制策略的隔離效果改善很有限。因而，考慮對載車和方艙采取一定的隔振措施，使整車的擾動頻率變?yōu)? Hz 以內(nèi)，則根據(jù)前述仿真結(jié)果，此時車搖隔離度可達到20 dB 左右。

4.5 仿真小結(jié)

車搖擾動頻率比船搖情況下要高，隔離問題復(fù)雜，實現(xiàn)難度大。仿真結(jié)果表明，采用“位置環(huán)+車搖前饋+陀螺穩(wěn)定環(huán)路”的車搖隔離策略時，當車搖擾動頻率小于2 Hz 時，方位支路的車搖隔離度可達到 20.1 dB，俯仰支路的車搖隔離度可達到 22.7 dB，滿足指標要求。

5 伺服系統(tǒng)動態(tài)跟蹤性能分析

假定目標高度為10 km，以5 Ma 速度直線勻速飛行，航捷（即測站與目標的距離最近距離）為10 km，最遠距離為100 km，此時天線跟蹤目標的方位角速度如圖10 所示。

圖10 目標方位角速度曲線

在過航捷點，角速度達到最大值，在目標跟蹤過程中，伺服系統(tǒng)需要同時實現(xiàn)對目標的精確跟蹤和船搖擾動抑制。

假設(shè)在跟蹤過程中，船搖始終對方位產(chǎn)生幅值7.5°、周期8 s 的正弦波擾動，根據(jù)3.3 節(jié)所述的模型，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 船搖擾動下的目標動態(tài)跟蹤方位誤差

仿真結(jié)果表明，未到達航捷點附近時，跟蹤誤差峰值小于0.01°；到達航捷點附近時，跟蹤誤差峰值約為0.02°，整個目標跟蹤過程中的跟蹤誤差均方根值約為0.007 2°，滿足窄波束天線的跟蹤要求。

6 結(jié)論

在“動中測”的測控需求下，隔離載車或者艦船的搖擺對測控天線的影響，使得天線不受車體或船體的搖擺而搖擺，保證天線空間指向的穩(wěn)定性，是車載/船載伺服系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。本文針對車載/船載窄波束測控裝備的跟蹤需求，建立經(jīng)典的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)伺服系統(tǒng)模型，分別采用“僅位置環(huán)”“位置環(huán)+車船搖前饋補償”和“位置環(huán)+車船搖前饋補償+陀螺穩(wěn)定環(huán)”3 種策略，在船舶橫搖±7.5°、周期8 s，縱搖±3.0°、周期5.5 s，車搖±1°、周期0.5 s 的條件下進行仿真分析，仿真結(jié)果表明，采用“位置環(huán)+車船搖前饋補償+陀螺穩(wěn)定環(huán)”的車船搖隔離方法，橫搖隔離度方位62.6 dB、俯仰62.7 dB；縱搖隔離度方位52.9 dB、俯仰53.3 dB；車搖隔離度方位20.1 dB、俯仰22.7 dB；對飛行高度為10 km，航捷為10 km，以5 Ma 飛行的高速目標的角度跟蹤誤差小于0.007 2°，能夠滿足窄波束測控設(shè)備的跟蹤要求。