捷聯式雙天線穩定平臺設計及坐標系變換?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

近年來,彈載SAR制導技術已成為SAR技術應用的又一重要方面[1]。對于導彈的制導來說,如果能通過裝載在導彈上的SAR獲取目標或目標附近典型地物地貌特征信息,形成實時圖,并與預先準備好且存儲在導彈中的基準圖(含位置信息)進行圖像匹配,從而控制導彈精確命中目標,則可大大提高導彈的攻擊能力[2]。彈體的角運動和質心運動,以及外部載荷如風、氣流等引起的擾動力矩會通過多種方式耦合到導引頭天線上,嚴重影響天線的穩定與跟蹤,為了實現可靠、高精度的目標跟蹤,必須采用穩定平臺來隔離彈體擾動[3]。在體積有限制的戰術導彈應用中,為了消除彈體姿態變化對目標測量的影響,往往采用捷聯穩定平臺[4-5]來實現天線穩定。

1 天線穩定平臺設計

捷聯穩定平臺是指導引頭上取消陀螺元件,利用彈上捷聯慣導的姿態信息,通過坐標變換和數學解算方法來達到視線穩定目的的一種基于數字補償的控制平臺,其核心是數學穩定算法[6-7]。

在設計天線穩定平臺時,通常采用三軸穩定平臺分別對應彈體姿態角度(俯仰角、橫滾角、偏航角)的變化。當導引頭艙內空間有限時,三軸伺服平臺在大姿態角的情況下易出現干涉現象,根據力學仿真結果,基座的振動量級傳遞到軸系會放大2～3倍,從而造成第三軸在遇到強烈振動和過載時產生震蕩,造成整個系統不穩定?；谝陨峡紤],將天線穩定平臺設計為捷聯式兩軸穩定平臺,采用方位、俯仰兩自由度萬向支架結構,天線安裝在內框軸上,可以繞方位軸和俯仰軸運動。方位、俯仰通道均采用直流力矩電機加旋轉變壓器的直接驅動型式,驅動天線運轉并形成速度與位置閉環控制。平臺方位環可360°旋轉 ,平臺俯仰環因結構空間限制對角度范圍進行機械限位和軟件限位。彈體在3個方向的姿態變化分解到天線穩定平臺的方位軸(外框)和俯仰軸(中框)。天線穩定平臺框架如圖1所示。

圖1 天線伺服平臺結構框圖

慣導系統輸出的位置、速度和姿態信息通過1553B總線傳遞給天線穩定平臺控制系統。在接收控制指令后,天線穩定平臺控制系統采用慣導系統精確測量的彈體航向、姿態等信號作為參考基準,通過坐標變換控制天線穩定平臺隔離載體的角運動,穩定天線指向控制角度;利用慣導提供的瞬時速度和加速度信號完成運動補償。

2 SAR天線穩定平臺系統坐標系定義

在SAR工作過程中,主要角度關系涉及到目標、導彈及天線穩定平臺,其定義如下:

(1)目標坐標系OXYZ:以目標中心為原點,Y軸為過原點的法線方向,向天為正。X軸沿航向方向為正,Z軸符合右手系定則。

(2)彈體坐標系OX d Y d Z d:以彈體重心為原點,X d軸沿導彈縱軸指向導彈頭部。Y d軸在導彈縱向對稱面內,垂直于X d軸,指向下為正。Z d軸由右手系定則確定。

(3)伺服平臺坐標系OX s Y s Z s:以SAR伺服平臺轉動中心為原點。與彈體坐標系的三軸分別平行,X s軸指向-Y d軸,Y s軸指向X d軸,Z s軸指向Z d軸。

彈體在目標坐標系中的姿態角定義為φ,ψ,γ,轉換次序為俯仰、偏航、滾動。目標中心坐標系與彈體坐標系間的轉換矩陣為

圖2 目標坐標系與彈體坐標系的位置關系

3 坐標變換原理

伺服平臺轉角確定SAR測量坐標系與彈體坐標系間的位置關系,當伺服平臺轉角處于零位時SAR測量坐標系的三軸與伺服平臺坐標系的三軸重合。伺服平臺由零位開始依次轉動外框θy(繞Y s軸正向)、中框θz(繞Z′s軸正向)、內框θx(繞X s軸正向),則伺服平臺坐標系與SAR測量坐標系間的轉換矩陣為

在SAR測量坐標系中定義前視角、下視角。按照SAR測量坐標系中波束前視角θq、下視角θf的定義順序,將天線坐標系的波束指向旋轉到目標中心坐標系:

由于本天線穩定平臺只有兩軸,按照伺服平臺轉角θy(外框),θz(中框)順序,將天線坐標系的波束指向旋轉到目標中心坐標系。彈體姿態角定義為航向角φ,俯仰角ψ,橫滾角γ。

由式(5),根據波束前視角、下視角和彈體姿態角,通過坐標變換,解算出天線穩定平臺的內框角及外框角,將波束指向轉變為伺服平臺轉角并隔離彈體姿態運動。

4 同軸雙天線設計

在作用距離遠時,為保證天線增益,天線必須足夠大 ,在作用距離近時,為保證成像帶寬度,在仰角大范圍變化時,必須考慮天線是否和艙壁出現干涉,此時,天線尺寸必須減小。

為滿足上述要求,采用兩個長度尺寸不同的平板裂縫陣列天線,兩個天線成60°夾角安裝。在伺服控制程序中,必須隨工作模式實時切換天線,而控制程序中只能驅動兩個軸轉動,無法分辨兩個天線誰需要工作。根據不同的坐標公式來建立大(小)天線與平臺雙軸之間的關系,故在伺服控制程序中,大、小天線切換工作就是調用不同的坐標變換公式。

5 小天線坐標變換算法

小天線面與大天線面的夾角為60°,以大天線為基準確立坐標系和坐標零位,在計算小天線時,先將小天線測量坐標系轉換至大天線測量坐標系,然后再轉換至伺服坐標系。按照前視角θq、下視角θf的定義順序,將小天線坐標系的波束指向旋轉到目標中心坐標系:

由式(7),根據波束前視角、下視角和彈體姿態角,通過坐標變換,解算出小天線工作時穩定平臺的中框角及外框角,將波束指向轉變為伺服平臺轉角并隔離彈體姿態運動。

6 結束語

兩軸天線穩定平臺反應3個姿態變化是在某個姿態角變化較小時才能實現,在實際應用過程中,兩軸天線穩定平臺的可行性、穩定性和環境適應性經過了試驗考研,證明了該方法確實有效。同軸雙天線設計方式解決了不同工作狀態下對天線不同需求的問題,在設計過程中,由大天線或小天線建立基準坐標系,將另外一個天線坐標系先旋轉到基準坐標系下,然后再進行坐標變換。大、小天線的切換就是調用不同的坐標變換公式。

[1]趙振波,張剛,李相平.基于遺傳算法的彈載SAR彈道優化設計[J].雷達科學與技術,2012,10(3):257-261.

[2]鄭陶冶,俞根苗.彈載SAR脈沖重復頻率設計研究[J].雷達科學與技術,2010,8(3):217-222.

[3]周瑞青,呂善偉,劉新華.捷聯式天線穩定平臺動力學建模與仿真分析[J].北京航空航天大學學報,2005,31(9):953-957.

[4]RUDIN R T.Strapdown Stabilization for Imaging Seekers,AIAA-93-2660[R].Naval Air Warfare Center Weapons Division China Lake,1993:1-10.

[5]KENNEDY P J,KENNEDY R L.Direct Versus Indirect Line of Sight(LOS)Stabilization[J].IEEE Trans on Control Systems Technology,2003,11(1):3-15.

[6]賈筱媛,趙超.半捷聯穩定控制方案與制導信息提取方法[J].紅外與激光工程,2011,40(12):2474-2479.

[7]孫彪.相控陣雷達導引頭捷聯去耦數字平臺設計[J].電子設計工程,2012,20(13):79-82.