艦載遙測裝備伺服系統抗船搖設計與試驗

李海鵬，于軍亮

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

艦載遙測裝備伺服系統不同于陸地伺服系統，需要進行抗船搖設計[1]。艦船在海上受風浪影響而不斷產生隨機運動，引起天線伺服系統位置和姿態的無規律變化，而地面系統并無此隨機運動，因此要克服船搖產生的隨機運動。目前常采用陀螺穩定策略隔離船搖對天線伺服系統的影響[2]。陀螺穩定策略主要利用天線俯仰臂上速率陀螺敏感出天線方位俯仰速率進行閉環控制，進而隔離船搖，該環路不足之處在于，天線軸主動運動時，它也進行動態抑制，降低了天線軸的反應速度，從控制概念上，一個物理量進行2次閉環控制是不必要的[3-4]。

實現伺服系統的穩定跟蹤，伺服系統閉環采取以下2種方式：① 在自動跟蹤工作方式下，通過速率陀螺信號前饋加船搖速度補償進行跟蹤環路閉環[5]；② 在數字引導等工作方式下，根據指令角和角度反饋進行位置環路閉環。2種工作方式原理類似，但輸入信號不同，需要用不同的方法進行設計。利用船上慣導設備采集的船搖速度信息進行坐標變換，得出天線伺服系統方位俯仰軸的速度環路補償量，實現船搖速度補償算法，并在實際系統中進行了驗證。

1 跟蹤環抗船搖設計

跟蹤環抗船搖采用速率陀螺信號前饋加船搖速度補償方案進行設計，跟蹤環路自身具有一定的船搖隔離度，速率陀螺信號前饋方案具有一定的船搖隔離度，整個跟蹤環路的船搖隔離度為二者之和[6]。

1.1 跟蹤環自身的船搖隔離度

伺服系統在擾動條件下的自跟蹤環路框圖如圖1所示。

圖1 擾動條件下的跟蹤環路框圖

圖1中，θi為目標位置角度；θo為天線指向位置角度；Δθ為角誤差；K1W1為位置環校正環節傳遞函數；K2W2為速度環閉環傳遞函數；1/(Ns)為電機速度到天線位置的傳遞函數；θf為船搖擾動信號。

圖1中，天線指向角θo對目標位置θi是隨動關系，而船搖θf是對θo的擾動。系統的作用是使輸出量θo隨動輸入量θi，而且要克服θf的擾動。θi變化時，θo也必須跟隨變化，其誤差Δθ必須控制在規定的范圍之內，這就是隨動過程。安裝在甲板上的天線座，因和船體一起搖擺，直接改變了天線的指向角θo(相當有θf擾動加入)，從而使Δθ增加，通過跟蹤環路的調整，θo仍應隨動θi。θf引起的Δθ也必須在允許的范圍之內[7]。擾動是通過天線在甲板的運動改變了θo的指向，自跟蹤環路的作用是使天線軸的運動方向與擾動方向相反，以保證Δθ在規定的范圍之內，這就是自跟蹤環路克服船搖擾動的過程。工程中通常應用簡化形式計算隔離度[8]：

Lz≈20lg1/(1+K)=20lg1/(1+16.7)=-25 dB。

一般跟蹤環自身的船搖隔離度實測值在20 dB左右，設計值與其相符，也說明上述設計計算的合理性。但是船搖隔離度的系統指標是40 dB，需要在跟蹤環路增加專門的船搖隔離措施，即下面討論的速率陀螺信號前饋方案。

1.2 速率陀螺信號前饋的船搖隔離度

速率陀螺信號前饋屬于自動控制理論中前饋復合控制技術的擾動信號前饋方法[9]。通過擾動信號的前饋，可以達到理想的隔離效果。系統環路框圖如圖2所示。

圖2 含速度前饋的自跟蹤環框圖

圖2中，Kbs為速率陀螺前饋補償傳遞函數；Kb為補償系數。

根據疊加定理，系統可以看作由θi、θf兩個輸入分別對輸出的作用，再進行疊加。據此對系統框圖進行等效變換，如圖3所示。

圖3 含速度前饋的自跟蹤環等效框圖

圖3中，Δθf就是船搖干擾θf對系統輸出的影響，令Wb=1+KbK2W2/N，則船搖隔離度為：

Lb=20lgΔθf/θf=20lgWb。

若使得Wb=-N/(K2W2)，則Lb=-∞，船搖完全被隔離,這顯然是做不到的，不可能令Kb精確到和-N/(K2W2)完全相等[10]。即使可以精確到相等，由于前饋引入的噪聲，系統也不可能將干擾全部隔離。在工程中，通常設計Kb為一常數，即只有速度信號前饋，而不含加速度和更高階信號的前饋，通過調整Kb的取值，可以得到滿足指標要求的設計方案。即調整Kb的取值，使Lb≥30 dB,則L=Lz+Lb≥50 dB，滿足指標要求。該方法在工程實踐中取得了理想的船搖隔離效果。

2 位置環抗船搖設計

這里的位置環指的是在數字引導等工作方式下，系統根據指令角和反饋角的差值進行閉環控制的方式[11]。

在數字引導工作方式下，指令角由船上中心機給出，是根據目標位置和慣導給出船的位置解算出的大地角。天線控制單元需要根據慣導給出的船搖姿態信息[12]，將大地角解算成在船上的實際指向角，也就是甲板角。只要數據源和解算速度足夠快，船搖就被隔離。實際情況中10 ms接收一幀數引數據，閉環周期也是10 ms，一次坐標系轉換在一個閉環周期內完成，在這樣的條件下船搖被隔離，伺服系統可以在數字引導工作方式下準確跟蹤目標。

可見，位置環抗船搖方案的關鍵是大地角到甲板角的坐標系轉換。由大地角轉換為甲板角的公式如下[13]：

Aj= arctan(sinθ×sinψ×cosEd×cos(Ad-Kc)-cosθ×

sinψ×sinEd+cosψ+cosψ×cosEd×sin(Ad-Kc))/

sinEd×sinθ+cosEd×cosθ×cos(Ad-Kc)

Ej= arcsin(cosEd×sin(Ad-Kc)×sinψ+cosθ×cosψ×

sinEd-cosEd×sinθ×cosψ×cos(Ad-Kc))，

式中，Ed為大地俯仰角；Ad為大地方位角；ψ為船搖的橫搖角；θ為船搖的縱搖；Kc為航向角；Ej為甲板俯仰角；Aj為甲板方位角。

3 試驗與結果分析

通過實例，對船搖隔離度指標進行實測驗證。艦船生減搖鰭模擬高海況下船體搖擺，為保證測試結果更加有效，艦船與目標來向盡可能呈90°夾角，即方位甲板角在90°附近，此時方位軸受船搖影響較小，俯仰軸受船搖(橫搖)影響最嚴重[14]，俯仰軸的船搖隔離度可作為船搖隔離度的指標依據[15]。

3.1 減搖鰭生搖數據分析

減搖鰭生搖主要生橫搖，減搖鰭最大輸出能力下的橫搖變化曲線如圖4所示。

圖4 減搖鰭最大輸出能力的橫搖變化曲線

從圖4中可以看出，橫搖角呈正弦規律變化，周期略高于10 s，橫搖變化幅度超過12°，經多次生搖，結果均相同。此時天線伺服系統遭遇的船搖最惡劣[16]，船搖隔離度在該船搖下測試。

3.2 跟蹤環路測試數據分析

通過調整艦船的航向，使右側對準目標來向，此時天線方位甲板角約為90°，目標起飛前2 min生搖，當基帶鎖定、角誤差穩定且天線的俯仰大地角高于3°時(為避免船搖時，俯仰甲板角運行到限位位置)，切自跟蹤模式，實時記錄俯仰甲板角及角誤差變化情況。

事后分析船搖甲板角及角誤差變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5 跟蹤環路甲板角測試曲線

圖6 跟蹤環路角誤差測試曲線

從中分別篩選出3個周期數據，如表1所示。在表1中，計算出相應周期下的船搖隔離度，統計得出跟蹤精度為0.035 63°。船搖隔離度指標均優于40.0 dB設計指標。

表1 隔離度統計結果

周期數甲板角最大值/(°)角誤差最大值/(°)隔離度/dB113.70.1340.5214.20.1340.8314.80.1341.1

3.3 數引環路測試數據分析

使天線指向船正右側大地坐標系下某一固定點，此時天線方位甲板角為90°，為避免船搖時，俯仰甲板角運行到限位位置，該固定點對應的俯仰甲板角應具備一定高度[17]，現設為12°，然后生搖，記錄俯仰甲板角及角誤差變化情況。從中分別篩選出3個周期數據如表2所示。

表2 隔離度統計結果

表2中，計算出相應周期下的船搖隔離度，統計得出指向精度為0.012 21°。船搖隔離度指標均優于40.0 dB設計指標。

4 結束語

本文提出的伺服系統擾動隔離設計方法，在各種擾動作用下，系統輸出動態變化小、恢復時間快、震蕩次數少，能夠有效提高艦載遙測裝備在高海況下高動態目標的捕獲跟蹤能力[18]。對隔離度進行了充分試驗驗證，試驗結果表明，該系統設計方法完全滿足設計要求。為艦載遙測裝備未來在遠海陌生海域執行遙測測量任務提供了有效支撐。

[1] 王承瑤.陀螺穩定系統[M].北京:國防工業出版社,1985:56-57.

[2] 郎慶文,劉年寶,王統安.艦載跟蹤雷達兩軸穩定伺服系統的前饋補償法[J].上海航天,1995(6)：3-8.

[3] 瞿元新.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，2009.

[4] 張玉良，耿天文，劉永凱.動基座光電平臺視軸自穩定控制系統設計[J].研究與開發，2015,34(9):38-42.

[5] 賈建輝,趙書陽,馬紀軍.船搖速度補償算法在兩軸天線伺服系統中的應用研究[J].遙測遙控,2017(2):62-63.

[6] HEEV S D.Airborne Satellite AntennaMou-nt and Tracking Systems[J].IEEE Africon，2004:287-289.

[7] 凡國龍,張錄健,解旭東.高精度雷達天線自抗擾控制技術研究[J].無線電通信技術,2017,43(3):63-67.

[8] 李志堅,周朝猛,劉詠.隔離船搖補償新方法探究[J].科學技術與工程,2009,9(19):5736-5738.

[9] 熊志廣,張學飛.WCDMA終端控制干擾技術研究與實現[J].無線電通信技術,2017,43(3):91-94.

[10] 曹正才,金艷艷.艦載雷達伺服系統的復合控制[J].雷達與對抗,2004(1):51-52.

[11] 祁海祿,樊小平,詹盛武.某艦載伺服系統位置控制器設計與仿真研究[J].艦船電子工程,2010,30(2):64-67.

[12] 崔立廷.一種海面定向天線自動跟蹤系統[J].無線電通信技術,2016,42(3):55-58.

[13] 鮑珊,姜素萍.艦載遙測設備伺服跟蹤視軸穩定方法研究[J].飛行器測控學報,2009,28(3): 27-28.

[14] 杜璞玉,周勃,秦瑾.星載GNSS-R天線波束指向算法研究[J].無線電工程,2016,46(3):45-48.

[15] 武建亮,姜照昶,王文彥,等.航天測控動態數傳數據模擬器的實現[J].無線電工程,2017,47(8):18-21.

[16] 李慶華.梯形加減速算法在伺服系統中的應用研究[J].無線電工程,2016,46(7):56-59.

[17] 李俊瑤,鄒磊,楊衛平,等.測控系統伺服電機故障診斷方法研究[J].無線電工程,2016,46(1):80-82.

[18] 單福悅,凡嵩,岳建,等.基于多波束陣列天線的目標快速捕獲方法[J].無線電工程,2016,46(4):60-62.