船載雷達補償跟蹤技術研究及應用

姚熠飛， 李志堅， 常 碩， 郭書明

(中國衛星海上測控部 江陰 214431)

船載雷達補償跟蹤技術研究及應用

姚熠飛， 李志堅， 常 碩， 郭書明

(中國衛星海上測控部 江陰 214431)

一般大型雷達天線的伺服系統，由于機械結構的諧振頻率不高，伺服系統帶寬受到限制，跟蹤動態目標時滯后誤差較大。對于二階無靜差系統來說，主要是加速度滯后誤差較大。為了解決這個問題，防止丟失目標，提出一種復合控制技術，在系統中采用前饋補償的方法，可以顯著減小跟蹤動態滯后。

船載雷達； 補償； 復合控制

引 言

船載雷達伺服系統是測角系統的重要組成部分，它接收來自接收機的誤差信號，經數字處理、放大后送給伺服電機，驅動天線向減少誤差的方向運動，從而完成對目標的跟蹤。目標角加速度和角加加速度都會導致目標跟蹤的動態滯后。為了減小動態滯后誤差，要求跟蹤環具有高的開環放大倍數和快的動態響應能力[1]。

負反饋系統一般都是靠位置校正網絡對誤差信號進行變換來改善系統的穩定性和暫態性能[2]。如果要求顯著提高系統的精度，同時又具有一定的暫態指標，則采用單一的校正方法很難實現。為解決這個問題，文本提出一種復合控制方法，又稱前饋補償。

1 傳統方法

天線控制的根本目的就是實現對目標的快速捕獲及精確跟蹤，并使之達到系統要求的跟蹤性能和跟蹤精度。系統采取經典控制理論設計，即環路結構。各個環的信號處理仍將是基于偏差控制，并采用頻率域的方法進行設計校正[3]。在控制結構上采用典型的位置環、速度環、電流環三環結構，其中位置環是保證跟蹤性能的外環[4]。

傳統的單回路系統基本結構如圖1所示[5]。

我們可利用系統開環傳遞函數KW(s)計算系統的動態性能指標。

圖1 單回路系統

雷達自動跟蹤目標時，目標運動會造成電軸指向與目標真實方向間的差異，具體說就是目標相對于雷達運動的角位移、角速度、角加速度會造成測量誤差，稱為動態滯后誤差。天線自跟蹤環路采用二階無靜差系統，動態滯后主要是由目標相對于雷達運動的角速度的變化，即相對角加速度引起的[6]。目標相對于雷達運動的角加速度越大，動態滯后誤差越大。實際標校中，可以使雷達自跟蹤航路捷點附近目標，此時，目標離雷達距離最近，目標相對于雷達運動的角加速度最大，信噪比最高，接收機熱噪聲等其它誤差較小，誤差電壓主要是由動態滯后引起的，因而近似地可以用此段路徑上的誤差電壓和角誤差靈敏度來表征相應點的動態滯后誤差，即

式中，ΔU為誤差電壓，μ為角誤差靈敏度，Δθ為動態滯后空間誤差角[7]。

2 前饋補償方案

基于前饋補償的復合控制系統基本結構如圖2所示。

與傳統的單回路系統相比，復合控制系統除了一般的閉環系統之外，還包含一個開環控制部分KcWc(s)。

系統的閉環傳遞函數為

圖2 復合控制系統結構

由式(3)可以看出，只要KcWc(s)中沒有不穩定環節，則增加一個開環控制部分，對系統的穩定性沒有影響。

要減小誤差，就是要使輸出與輸入相一致。

令θ0(s)＝θi(s)，解得

此時，沒有誤差，即實現所謂的完全不變性。

對于實際伺服系統，K2W2(s)中含有一個積分環節，即

式中，Tc為濾波時間常數。

因此要實現完全的不變性，不僅困難，而且往往會產生相反的效果，這是因為此時雖然由于目標引起的動態滯后誤差減到最小，但KcWc(s)的引入使該支路噪聲等干擾直接進入高帶伺服內環，而增大了隨機誤差，導致未必一定能夠得到好的總體效果。

為了減小動態滯后誤差，同時又不致過多地增大隨機誤差，復合控制系統提取目標的速度信號，在目標較近時加入KcWc(s)通道，可在低頻段近似實現不變性，能顯著改善雷達系統的動態跟蹤性能。

對于濾波時間常數Tc，若取值過大，則所提取的目標速度信號損失大，前饋效果差，但相應地由此而引入的隨機誤差較小；若Tc過小，則所提取的目標速度信號損失小，前饋效果好，但相應地由此而引入的隨機誤差較大，因此Tc需根據系統實際情況進行選擇[8]。

3 設計與驗證

3.1 總體方案

陀螺穩定環、自跟蹤環設計為典型的二階系統，其校正運算在計算機內完成，同時采用智能算法對大小信號的模型變化及調節器的積分項進行補償。

伺服系統主要由天線控制單元、天線驅動系統等部分組成，其控制對象為天線座。天線控制單元由計算機系統、A/D、D/A、信號調理、控保系統、顯示器等組成。它的主要任務是實現位置閉環，對天線進行位置控制[9]。

復合控制原理如圖3所示。復合控制也稱為補償，補償輸入點在陀螺環的指令輸入處，補償功能是通過計算機軟件實現的。

圖3 復合控制原理

3.2 軟件設計

天線控制單元軟件在Win2000環境下，使用DELPHI語言編程。當選擇復合控制功能時，將目標前饋變量加入陀螺環前端，前饋效果通過環路作用于電機，驅動天線，達到減小動態滯后誤差的目的。程序關鍵語句如圖4所示。

圖4 復合控制功能實現程序

在進行設備調試時，需先進行加速度誤差常數測試，其軟件流程為：由天線控制單元軟件自動產生一個勻加速運動指令S＝(1/2)at2，經插值列表后作用于天線伺服系統，程序控制天線運動。計算機自動記錄帶時標的天線角位置數據，將當時的數據θ實際與理論計算數據θ理論作比較，由計算機自動計算出加速度誤差常數。

3.3 試驗驗證

以某船載雷達系統為例，分別對方位和俯仰無/加補償狀態下的加速度誤差常數進行測試，結果如表1所示。加速度誤差常數體現了雷達系統跟蹤動態快速目標的能力，其數值越大，跟蹤性能越佳。

從表1中數據可以看出，加前饋補償后加速度誤差常數得到顯著改善，雷達系統穩定跟蹤性能更佳，與理論模型分析結果一致。

表1 加速度誤差常數測試結果

利用雷達系統跟蹤國際空間站等快速運動目標，在不加補償和加補償兩種狀態下分別進行動態滯后誤差測試，結果如表2所示。

表2 動態滯后誤差測試結果

在兩種狀態下分別進行測角隨機誤差統計，結果如表3所示。從表3中數據可以看出，無補償和加前饋補償后的測角隨機誤差基本一致，并未增大。

表3 測角隨機誤差測試結果

根據上述數據分析，加前饋補償后，在未增大隨機誤差的情況下，方位和俯仰動態滯后誤差角度明顯減小，總體跟蹤效果良好。

4 結束語

加速度誤差常數的大小直接取決于結構諧振頻率的大小，環路調節器的設計只是在有限的范圍內作調整，以保證系統滿足必要的相位裕度。使用復合控制技術可以大幅提高加速度誤差常數，當雷達系統跟蹤快速運動目標時，動態滯后誤差將顯著減小。本文通過試驗分析，驗證了補償跟蹤技術的實用性和可靠性。

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[2]江文達.航天測量船[M].北京：國防工業出版社，2002.

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[5]姚景順，楊世興.艦載雷達的動態標校[J].火力與指揮控制，2008，(03)：128～134.

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[8]瞿元興.航天測量船測控通信設備船搖穩定技術[M].北京：國防工業出版社.

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Investigation and App lication of Com pensatory Tracking Technique for Shipborne Radar

Yao Yifei， Li Zhijian， Chang Shuo， Guo Shuming

The bandwidth of servo system for shipborne radar is confined，because of the low resonant frequency.The main factor is the error of acceleration lag for the second-order steady-state zero-error system.The paper puts forward a new technique of complex control to solve this problem and prevent the loss of target.Themethod of feed-forward compensation is adopted，and the dynamic lag decreases obviously.

Shipborne radar； Compensation； Complex control

V556.6

A

CN11-1780(2014)06-0067-04

姚熠飛 1989年生，大學本科，助理工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統。

李志堅 1983年生，大學本科，工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統。

常 碩 1986年生，大學本科，助理工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統。

郭書明 1978年生，大學本科，工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統。

2013-12-17 收修改稿日期：2014-04-15