船體三維擾動(dòng)對(duì)三軸天線視軸的影響分析及抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)

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

為了有效實(shí)現(xiàn)抗擾動(dòng)功能，傳統(tǒng)的方案上需要同時(shí)采用多模式補(bǔ)償，利用至少6個(gè)速率陀螺檢測船體的三維擾動(dòng)信息和天線主動(dòng)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(bǔ)償和反饋閉環(huán)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的隔離。方案設(shè)計(jì)復(fù)雜、陀螺使用量大且冗余度不夠。

1 船體三維擾動(dòng)對(duì)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(dāng)俯仰角E=0°時(shí)，橫切軸與方位軸重合;當(dāng)俯仰角E=90°時(shí)，橫切軸與方位軸垂直。

當(dāng)船體以角速度矢量ωz=（ωpωyωh）表示擾動(dòng)。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(biāo)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(dāng)A=0°時(shí)，縱搖速度為ωp=0，只有橫搖量ωy;當(dāng)A=90°時(shí)，橫搖速度為ωy=0，只有縱搖量ωp。在天線主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和載體擾動(dòng)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(dòng)在天線三軸上的反映，伺服控制系統(tǒng)可以采用開環(huán)補(bǔ)償消除其對(duì)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(dòng)信息，伺服控制系統(tǒng)可以采用閉環(huán)方式消除其對(duì)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(dòng)使天線快速、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)是伺服系統(tǒng)抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)的核心。

2 抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)

船搖擾動(dòng)是作為一種干擾信號(hào)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(dòng)隔離方法主要有：速率陀螺前饋補(bǔ)償、速率陀螺反饋控制、復(fù)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(dòng)信息，無法區(qū)分?jǐn)_動(dòng)信息分量和隨動(dòng)信息分量。所以陀螺環(huán)路在對(duì)擾動(dòng)信息進(jìn)行抑制的同時(shí)，也對(duì)天線的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。相對(duì)而言，前饋補(bǔ)償是開環(huán)調(diào)整方式，測量出的就是擾動(dòng)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(dòng)，起到補(bǔ)償作用。同時(shí)，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(bǔ)償原理

前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ鞘固炀€向與擾動(dòng)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以克服擾動(dòng)的影響。依據(jù)上述三維擾動(dòng)在天線三軸上的反映，合理設(shè)計(jì)陀螺的安裝位置，使之感應(yīng)出船搖引起的天線三軸相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)速度，把這種運(yùn)動(dòng)速度作為對(duì)天線的擾動(dòng)，加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)

天線跟蹤設(shè)備的三軸穩(wěn)定控制采用測速機(jī)作為速度反饋，編碼器作為位置反饋，并將船搖擾動(dòng)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(bǔ)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(xiàng)

決定，而船搖擾動(dòng)消除能力由項(xiàng)

決定。從第二項(xiàng)可以看出消除船搖擾動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)角速度量由兩部分組成，一是慣性空間中視軸被擾動(dòng)的當(dāng)前角速度（目標(biāo)靜止）。二是由補(bǔ)償回路給出的當(dāng)前時(shí)刻擾動(dòng)量通過速度回路給出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)角速度。

依據(jù)完全不變性原理，當(dāng)（1+F（S）K2W2）ωf，即F（s）=-1/K2W2時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船搖擾動(dòng)的完全隔離，即滿足這個(gè)條件時(shí)，不論擾動(dòng)量ωf為多大，對(duì)輸出無影響。可是，速度回路K2W2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(shí)現(xiàn)完全的不變性，必然F（S）中要具有許多個(gè)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(shí)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(shí)際使用中，合理選擇前饋補(bǔ)償系數(shù)，使前饋回路最大化的消除當(dāng)前擾動(dòng)，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(shí)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(gè)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(bǔ)償。

俯仰陀螺安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，敏感軸與天線的俯仰軸平行，陀螺隨方位軸運(yùn)動(dòng)，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(duì)俯仰軸進(jìn)行開環(huán)前饋補(bǔ)償。

分析橫傾軸的擾動(dòng)（式（3））和方位軸的擾動(dòng)（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(xué)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(dòng)），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(dòng)），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(dòng)設(shè)計(jì)。在海上進(jìn)行搖擺實(shí)驗(yàn)，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(dòng)船的航向，使船升搖時(shí)測量俯仰軸的船搖隔離度。這時(shí)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(bǔ)償方案完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

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