船載通信天線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設計

為了完成遠洋航天測控和通信業(yè)務，大型精密跟蹤天線要安裝在測控和通信測量船上。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信息，根據(jù)天線三軸(方位軸、俯仰軸、橫切軸)結構，結合前饋開環(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。

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　　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)的變化轉換到橫傾軸、方位軸、俯仰軸的速度分量，如圖1所示。設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：

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　　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。在天線主動驅動和載體擾動的共同作用下，天線各軸的總的旋轉速度為：

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　　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)抗擾動設計的核心。

　　2 抗擾動設計

　　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)控制本質上是誤差調整方式。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動，起到補償作用。同時，由于不改變跟蹤環(huán)路的結構和參數(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，合理設計陀螺的安裝位置，使之感應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，使天線軸轉動與船搖方向相反、大小相等的速度量，起到抑制作用。