船載通信天饋系統的抗干擾設計

　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(huì )使天線(xiàn)視軸晃動(dòng)，容易造成窄波束天線(xiàn)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(dòng)給天線(xiàn)跟蹤帶來(lái)的擾動(dòng)，需建立一套抗擾動(dòng)穩定系統，使天線(xiàn)輸出視軸隔離船體擾動(dòng)而穩定在慣性空間坐標系。保證系統的跟蹤能力和跟蹤性能的要求。

　　為了有效實(shí)現抗擾動(dòng)功能，傳統的方案上需要同時(shí)采用多模式補償，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(xiàn)主動(dòng)的旋轉信息，根據天線(xiàn)三軸(方位軸、俯仰軸、橫切軸)結構，結合前饋開(kāi)環(huán)補償和反饋閉環(huán)補償，實(shí)現對擾動(dòng)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(dòng)對三軸天線(xiàn)視軸的影響

　　三軸天線(xiàn)系統(橫切軸C、方位軸A、俯仰軸E)，是在傳統的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(shí)，橫切軸與方位軸重合;當俯仰角E=90°時(shí)，橫切軸與方位軸垂直。

　　當船體以角速度矢量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(xiàn)，艏為正，OYc為垂直甲板平面，向上為正，OZc按右手規確定。

　　由圖l(a)可得：

　　當A=0°時(shí)，縱搖速度為ωp=0，只有橫搖量ωy;當A=90°時(shí)，橫搖速度為ωy=0，只有縱搖量ωp。在天線(xiàn)主動(dòng)驅動(dòng)和載體擾動(dòng)的共同作用下，天線(xiàn)各軸的總的旋轉速度為：

　　式(2)～式(4)是船體三維擾動(dòng)在天線(xiàn)三軸上的反映，伺服控制系統可以采用開(kāi)環(huán)補償消除其對天線(xiàn)跟蹤的影響。式(5)～式(7)是天線(xiàn)三軸在慣性空間總的轉動(dòng)信息，伺服控制系統可以采用閉環(huán)方式消除其對天線(xiàn)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(dòng)使天線(xiàn)快速、穩定跟蹤目標是伺服系統抗擾動(dòng)設計的核心。

　　2 抗擾動(dòng)設計

　　船搖擾動(dòng)是作為一種干擾信號引入伺服系統，穩定控制的原理就是檢測這種干擾，采取閉環(huán)或開(kāi)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)上是誤差調整方式。陀螺測量出的是綜合擾動(dòng)信息，無(wú)法區分擾動(dòng)信息分量和隨動(dòng)信息分量。所以陀螺環(huán)路在對擾動(dòng)信息進(jìn)行抑制的同時(shí)，也對天線(xiàn)的主動(dòng)運動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制，降低了系統的響應速度，同時(shí)使系統的穩定性變差。相對而言，前饋補償是開(kāi)環(huán)調整方式，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(xiàn)軸以與船搖相反的速度轉動(dòng)，起到補償作用。同時(shí)，由于不改變跟蹤環(huán)路的結構和參數，使系統的帶寬不受影響、環(huán)路的穩定性好。

　　2.1 補償原理

　　前饋補償的方法是使天線(xiàn)向與擾動(dòng)相反的方向轉動(dòng)，以克服擾動(dòng)的影響。依據上述三維擾動(dòng)在天線(xiàn)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(xiàn)三軸相對于慣性空間的運動(dòng)速度，把這種運動(dòng)速度作為對天線(xiàn)的擾動(dòng)，加入速度環(huán)的輸入端，使天線(xiàn)軸轉動(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

　　天線(xiàn)跟蹤設備的三軸穩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(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;K2W2為速度回路閉環(huán)傳遞函數，F(S)為補償通道傳遞函數，系統傳遞函數為：

　　由式(8)可知：回路跟隨能力是由項

決定，而船搖擾動(dòng)消除能力由項

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

　　依據完全不變性原理，當(1+F(S)K2W2)ωf，即F(s)=-1/K2W2時(shí)，實(shí)現對船搖擾動(dòng)的完全隔離，即滿(mǎn)足這個(gè)條件時(shí)，不論擾動(dòng)量ωf為多大，對輸出無(wú)影響?？墒?，速度回路K2W2中含有積分環(huán)節、慣性環(huán)節、二階環(huán)節，如果要實(shí)現完全的不變性，必然F(S)中要具有許多個(gè)微分環(huán)節，這樣 F(S)的輸出將充滿(mǎn)噪聲，使系統根本無(wú)法工作。但是實(shí)現局部的不變性是可能的。即用低階微分代替高階微分，并使其系數滿(mǎn)足某種條件，從而滿(mǎn)足系統精度的要求。

　　實(shí)際使用中，合理選擇前饋補償系數，使前饋回路最大化的消除當前擾動(dòng)，在此基礎上結合環(huán)路的跟隨能力，有效的消除視軸的偏差，實(shí)現高精度跟蹤。因此，前饋回路起到粗調節的作用，而位置跟蹤回路則可稱(chēng)為精調節。

　　2.3 工程應用

　　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(kāi)環(huán)補償。

　　俯仰陀螺安裝在方位轉臺上，敏感軸與天線(xiàn)的俯仰軸平行，陀螺隨方位軸運動(dòng)，敏感不到方位軸的旋轉、俯仰軸的旋轉、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(jìn)行開(kāi)環(huán)前饋補償。

　　分析橫傾軸的擾動(dòng)(式(3))和方位軸的擾動(dòng)(式(4))，無(wú)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，根據俯仰角E用數學(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盤(pán)上(隨方位軸轉動(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(xiàn)控制系統采用抗擾動(dòng)設計。在海上進(jìn)行搖擺實(shí)驗，在典型海況參數(搖擺振幅±6°，搖擺周期12s)下。天線(xiàn)指向衛星自跟蹤，轉動(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(xiàn)方位角轉至90°或270°;測量橫傾軸的船搖隔離度，使天線(xiàn)方位角轉至0°或180°。隔離度測試結果如圖 3所示。圖中，曲線(xiàn)系列1表示加前饋跟蹤數據;曲線(xiàn)系列2表示無(wú)前饋跟蹤數據。測試結果為：船搖隔離度為46.4 dB;跟蹤精度為0.031°。由以上數據分析，可以得出開(kāi)環(huán)補償方案完全滿(mǎn)足系統設計的性能指標要求。

　　3 結束語(yǔ)

　　前饋補償并未改變原閉環(huán)系統的極點(diǎn)和閉環(huán)零點(diǎn)。因此，不會(huì )影響系統的伺服帶寬和穩定性。工程使用時(shí)融合了前饋補償和反饋控制的應用，在保證功能、性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化系統、提高設備的可靠性和使用壽命，實(shí)際使用效果顯著(zhù)。