船載通信天線系統(tǒng)的抗擾亂設(shè)計及應(yīng)用

由于船體受海浪影響，而發(fā)生隨機性搖擺(橫搖、縱搖、偏航)會使天線視軸晃動，容易造成窄波束天線跟蹤性能下降，甚至造成丟失目標。為準確跟蹤目標，減小載體運動給天線跟蹤帶來的擾動，需建立一套抗擾動穩(wěn)定系統(tǒng)，使天線輸出視軸隔離船體擾動而穩(wěn)定在慣性空間坐標系。保證系統(tǒng)的跟蹤能力和跟蹤性能的要求。

　　為了有效實現(xiàn)抗擾動功能，傳統(tǒng)的方案上需要同時采用多模式補償，利用至少6個速率陀螺檢測船體的三維擾動信息和天線主動的旋轉(zhuǎn)信息，根據(jù)天線三軸(方位軸、俯仰軸、橫切軸)結(jié)構(gòu)，結(jié)合前饋開環(huán)補償和反饋閉環(huán)補償，實現(xiàn)對擾動的隔離。方案設(shè)計復雜、陀螺使用量大且冗余度不夠。

　　1 船體三維擾動對三軸天線視軸的影響

　　三軸天線系統(tǒng)(橫切軸C、方位軸A、俯仰軸E)，是在傳統(tǒng)的A-E型座架基礎(chǔ)上，在俯仰軸上疊加與之垂直的橫切軸，橫切軸垂直于電軸。當俯仰角E=0°時，橫切軸與方位軸重合;當俯仰角E=90°時，橫切軸與方位軸垂直。

　　當船體以角速度矢量ωz=(ωpωyωh)表示擾動。其中：ωy為船橫搖速度，ωp為船縱搖速度，ωh為船航向速度。船搖參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換到橫傾軸、方位軸、俯仰軸的速度分量，如圖1所示。設(shè)ωRE為船搖附加的方位速度，ωRC為船搖附加的橫傾速度，ωRE為船搖附加的俯仰速度甲板坐標系：OXc為船艏艉線，艏為正，OYc為垂直甲板平面，向上為正，OZc按右手規(guī)確定。

　　由圖l(a)可得：

　　當A=0°時，縱搖速度為ωp=0，只有橫搖量ωy;當A=90°時，橫搖速度為ωy=0，只有縱搖量ωp。在天線主動驅(qū)動和載體擾動的共同作用下，天線各軸的總的旋轉(zhuǎn)速度為：

　　式(2)～式(4)是船體三維擾動在天線三軸上的反映，伺服控制系統(tǒng)可以采用開環(huán)補償消除其對天線跟蹤的影響。式(5)～式(7)是天線三軸在慣性空間總的轉(zhuǎn)動信息，伺服控制系統(tǒng)可以采用閉環(huán)方式消除其對天線跟蹤的影響。因此，設(shè)法正確測量出這些信息，并采取合適的控制模式，抑制擾動使天線快速、穩(wěn)定跟蹤目標是伺服系統(tǒng)抗擾動設(shè)計的核心。

　　2 抗擾動設(shè)計

　　船搖擾動是作為一種干擾信號引入伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定控制的原理就是檢測這種干擾，采取閉環(huán)或開環(huán)方式降低或消除其影響。擾動隔離方法主要有：速率陀螺前饋補償、速率陀螺反饋控制、復合控制等方法。由于陀螺閉環(huán)控制本質(zhì)上是誤差調(diào)整方式。陀螺測量出的是綜合擾動信息，無法區(qū)分擾動信息分量和隨動信息分量。所以陀螺環(huán)路在對擾動信息進行抑制的同時，也對天線的主動運動進行動態(tài)抑制，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。相對而言，前饋補償是開環(huán)調(diào)整方式，測量出的就是擾動信息，把此信息加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸以與船搖相反的速度轉(zhuǎn)動，起到補償作用。同時，由于不改變跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)的帶寬不受影響、環(huán)路的穩(wěn)定性好。

　　2.1 補償原理

　　前饋補償?shù)姆椒ㄊ鞘固炀€向與擾動相反的方向轉(zhuǎn)動，以克服擾動的影響。依據(jù)上述三維擾動在天線三軸上的反映，合理設(shè)計陀螺的安裝位置，使之感應(yīng)出船搖引起的天線三軸相對于慣性空間的運動速度，把這種運動速度作為對天線的擾動，加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸轉(zhuǎn)動與船搖方向相反、大小相等的速度量，起到抑制作用。
2.2 控制實現(xiàn)

　　天線跟蹤設(shè)備的三軸穩(wěn)定控制采用測速機作為速度反饋，編碼器作為位置反饋，并將船搖擾動經(jīng)速率陀螺檢測前饋于速度回路。工作原理框圖如圖2所示。

　　圖2中，K1W1為位置回路校正控制傳遞函數(shù);K2W2為速度回路閉環(huán)傳遞函數(shù)，F(xiàn)(S)為補償通道傳遞函數(shù)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

　　由式(8)可知：回路跟隨能力是由項

決定，而船搖擾動消除能力由項

決定。從第二項可以看出消除船搖擾動的電機驅(qū)動角速度量由兩部分組成，一是慣性空間中視軸被擾動的當前角速度(目標靜止)。二是由補償回路給出的當前時刻擾動量通過速度回路給出的電機驅(qū)動角速度。

　　依據(jù)完全不變性原理，當(1+F(S)K2W2)ωf，即F(s)=-1/K2W2時，實現(xiàn)對船搖擾動的完全隔離，即滿足這個條件時，不論擾動量ωf為多大，對輸出無影響?？墒牵俣然芈稫2W2中含有積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)，如果要實現(xiàn)完全的不變性，必然F(S)中要具有許多個微分環(huán)節(jié)，這樣 F(S)的輸出將充滿噪聲，使系統(tǒng)根本無法工作。但是實現(xiàn)局部的不變性是可能的。即用低階微分代替高階微分，并使其系數(shù)滿足某種條件，從而滿足系統(tǒng)精度的要求。

　　實際使用中，合理選擇前饋補償系數(shù)，使前饋回路最大化的消除當前擾動，在此基礎(chǔ)上結(jié)合環(huán)路的跟隨能力，有效的消除視軸的偏差，實現(xiàn)高精度跟蹤。因此，前饋回路起到粗調(diào)節(jié)的作用，而位置跟蹤回路則可稱為精調(diào)節(jié)。

　　2.3 工程應(yīng)用

　　2.3.1 安裝與測量

　　采用3個速率陀螺測量出因船體搖擺引起的附加在方位軸、橫傾軸和俯仰軸方向的速度，用于開環(huán)補償。

　　俯仰陀螺安裝在方位轉(zhuǎn)臺上，敏感軸與天線的俯仰軸平行，陀螺隨方位軸運動，敏感不到方位軸的旋轉(zhuǎn)、俯仰軸的旋轉(zhuǎn)、船體的航向速率等，它敏感的是船體的橫搖、縱搖速率，如式(2)所示，可直接對俯仰軸進行開環(huán)前饋補償。

　　分析橫傾軸的擾動(式(3))和方位軸的擾動(式(4))，無法用一只陀螺直接測量到，可用間接的方法獲得。用2只陀螺分別測量cosAωy+s- inAωp和ωh，根據(jù)俯仰角E用數(shù)學的方法得到式(3)和式(4)。這樣，測量ωh分量的速率陀螺安裝在方位底座(不隨方位軸轉(zhuǎn)動)，其敏感軸與方位軸平行，輸出主要為船體的航向速率信息。測量cosAωy+sinAωp分量的速率陀螺安裝在方位轉(zhuǎn)盤上(隨方位軸轉(zhuǎn)動)，其敏感軸與橫傾軸平行。

　　2.3.2 測試與分析

　　某船載三軸天線控制系統(tǒng)采用抗擾動設(shè)計。在海上進行搖擺實驗，在典型海況參數(shù)(搖擺振幅±6°，搖擺周期12s)下。天線指向衛(wèi)星自跟蹤，轉(zhuǎn)動船的航向，使船升搖時測量俯仰軸的船搖隔離度。這時天線方位角轉(zhuǎn)至90°或270°;測量橫傾軸的船搖隔離度，使天線方位角轉(zhuǎn)至0°或180°。隔離度測試結(jié)果如圖 3所示。圖中，曲線系列1表示加前饋跟蹤數(shù)據(jù);曲線系列2表示無前饋跟蹤數(shù)據(jù)。測試結(jié)果為：船搖隔離度為46.4 dB;跟蹤精度為0.031°。由以上數(shù)據(jù)分析，可以得出開環(huán)補償方案完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的性能指標要求。

　　3 結(jié)束語

　　前饋補償并未改變原閉環(huán)系統(tǒng)的極點和閉環(huán)零點。因此，不會影響系統(tǒng)的伺服帶寬和穩(wěn)定性。工程使用時融合了前饋補償和反饋控制的應(yīng)用，在保證功能、性能的同時，簡化系統(tǒng)、提高設(shè)備的可靠性和使用壽命，實際使用效果顯著。