天伺饋系統原理與設計

周俞

摘要：遙測系統能否穩定連續地跟蹤和獲取目標的測量數據，首先取決于天伺饋系統能否穩定和可靠控制天線對準目標。本文介紹了遙測系統的跟蹤體制、跟蹤網絡等，并對天伺饋系統的原理及設計進行了闡述。

關鍵詞：遙測系統；跟蹤體制；跟蹤網絡

中圖分類號：TJ203 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0162-03

1 引言

遙測系統在對運動目標的測量中，需要穩定性與可靠度較高的天伺饋系統控制天線對準目標，才能連續有效地跟蹤和獲取目標的測量數據。跟蹤性能的好壞，很大程度上取決于跟蹤體制、跟蹤網絡的設計及性能[1-3]。遙測系統的主要任務是獲取遙測數據，其跟蹤精度不需要像光學測量等外測設備要求那么高。綜合考慮系統的復雜性、穩定性、可靠性和收發天線共用等問題，目前國內新型S波段遙測系統通常采用單通道單脈沖跟蹤（簡稱SCM）體制[4-5]。單通道單脈沖體制的優點是系統復雜程度明顯簡化，工作的可靠性明顯提高，動態滯后明顯減少，節省了信道，簡化了技術交叉環節，降低了設備成本。

2 遙測系統天伺饋系統原理及設計

2.1 系統組成及原理

天伺饋系統由拋物面天線和饋源、天線座、天線驅動單元、天控器等組成，如圖1所示。

天饋部分實現目標的遙測信號的接收，伺服部分實現目標的跟蹤指向。系統跟蹤采用單通道單脈沖體制，遙測信號接收及跟蹤誤差信號的形成由饋源內的五元照射器和跟蹤網絡完成。

照射器為一個五元陣，如圖2所示。其中1、2、3、4單元天線采用半波振子天線。這四個單元天線按菱形排列組陣，工作時，上下兩個單元天線經180°橋輸出S頻段的俯仰誤差信號。同樣的方式，左右兩個單元天線輸出方位誤差信號。俯仰和方位二個誤差信號提供跟蹤信號。中間單元為一個寬頻帶振子天線，作為S頻段的下行接收。單元天線5置于拋物面反射器的焦點處，所以可獲得最高的增益，即有最大的和信號；而四個對稱的半波振子天線處于偏焦位置，僅用于產生誤差信號。

為實現左、右旋圓極化，五元照射器內的所有單元天線都設計成正交結構。而90°橋則緊連接在正交的單元天線之后，即先圓極化的傳輸方式。

2.2 跟蹤網絡的設計

跟蹤網絡為單通道單脈沖體制的波束形成網絡。其工作原理是：按一定陣形排列的四個單元天線經四個90°橋后形成八路左、右旋圓極化信號，經四個和差器處理后分別形成左、右旋的俯仰和方位誤差信號。然后按旋向分開，將俯仰和方位信號分別輸入0/π調制器。通過兩路相位差90°的1KHz方波，實現對俯仰和方位二路誤差信號的相位調制。被調制的二路誤差信號經相加器進行合并，再由一個12dB定向耦合器迭加到和通道上，最終將三路信號（Σ、△E、△A）變成一路輸出。饋源網絡框圖如圖3所示。

2.3 伺服工作原理

伺服部分是一種計算機控制和管理的多功能數字控制系統。智能控制板內DSP完成綜合數據處理和跟蹤系統數字控制計算，計算機進行智能化管理、對外通訊、系統自檢和故障輔助判斷、事后數據處理等任務。

伺服部分的原理框圖如圖4所示。它是一個多回路控制系統，經雙通道旋轉變壓器構成角位置回路，通過接收機構成目標角跟蹤回路。

伺服分系統的控制量可以根據形成閉環回路的不同分為兩大類型。一類是跟蹤時由目標和接收機構成的空間閉合回路，即角跟蹤回路，這時軟件開關K1閉合，K2斷開。另一類是在定點、手動、程控、引導、收藏等工作模式下，由旋變構成的角位置回路，這時軟件開關K2閉合，K1斷開。為了提高系統性能，在上面兩個回路內設計有電流環和速度環，這樣伺服分系統形成了一個多回路，多功能的閉環系統。

在空間閉合回路狀態下，由天線波束與目標的相對位置形成角誤差信號，經接收機放大和檢波以后，形成角誤差電壓。計算機通過A/D轉換讀取角誤差的數字量，由數字位置調節器按照給定的控制律產生數字控制量，送給數字穩定回路，從而控制天線座上的執行元件驅動天線向著減小誤差的方向運動，直至天線的波束對準目標。

角位置回路狀態下，計算機經過雙通道旋轉變壓器和RDC變換器讀取天線的當前角度，與輸入指令比較產生誤差信號，同樣由數字位置調節器按照給定的控制律產生數字控制量，通過D/A變換器輸出電壓信號，送給數字穩定回路，從而控制天線座上的執行元件驅動天線向著減小誤差的方向運動，直至誤差趨于零，天線到達指令位置。伺服分系統可以采用多種控制規律和算法，取得滿意的跟蹤性能。如：快速最優控制、自適應PID控制器、前饋復合控制等。

在小角度范圍內，數字位置調節器采用自適應PID控制器，可以取得很好的穩態性能和動態性能。同時PID控制器使伺服系統成為數字二階無靜差系統，實現了對等速輸入目標無穩態誤差的跟蹤。

PID控制器的傳遞函數為：

PID控制器原理圖如圖5所示。

PID控制器中由于含有純積分項KI∫e（t）dt，因此將使跟蹤系統為一個二階無靜差系統，實現對速度輸入量的無穩態誤差跟蹤。

為了用計算機軟件實現PID控制器，需要將PID控制器離散化，離散化的PID型式為：

PID控制器的輸出通過D/A變換器送到模擬控制組合的模擬速度環。

本系統中設計位置環帶寬為2.2Hz，設計參數為：KP=51.4，KI=140，KD=-3.2。

在大角度范圍轉動天線時，數字位置調節器采用對速變輸入量的快速最優控制，實現大失調角時快速、平穩、無超調追趕調轉。為了提高系統的動態精度，附加前饋復合控制輔助通道來組成復合控制系統，在使用前饋復合控制后，系統加速度常數可以大大提高，減小了動態滯后誤差，跟蹤精度能夠得到滿足。伺服分系統的方位支路具有正割補償功能，以適應不同仰角的跟蹤要求。

未捕獲到目標信號之前，可以在預定目標空域進行搜索。搜索方式有：手動搜索、數字引導等。搜索可以是俯仰或方位單軸進行，也可以是雙軸同時進行。天線接收到目標信號后，當接收信號的AGC電平、鎖定信號、誤差信號滿足給定條件時，天線進入自跟蹤狀態，實現對目標的平穩準確跟蹤。

當跟蹤低仰角飛行目標時，由于反射影響，產生多路徑效應，它使跟蹤設備跟蹤目標抖動，嚴重時甚至丟失目標。因此，在低仰角跟蹤目標時，采用平滑濾波算法及利用波束寬度限制天線仰角等措施，確保跟蹤平穩。

3 結語

通過以上介紹，較好地闡述了天伺饋系統跟蹤目標的原理及過程，有助于技術人員對系統的維護與操作，也為進一步分析遙測系統跟蹤精度提供了理論基礎。

參考文獻

[1]鐘順時.無線理論與技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]欒秀珍，邰佑誠等.天線與電波傳播[M].大連：大連海事大學出版社，2002.

[3]戴晴.黃紀軍等.現代微波與天線測量技術[M].電子工業出版社，2008.

[4]胡世祥.無線電遙控遙測[M].國防科學技術出版社，2005.

[5]紀傳禮.遙控遙測技術[M].電子工業出版社，2008.