一種窄波束測控裝備車船搖隔離方法*

顧保國，郝耀峰，馬東陽，周立新，屠稼木

（中國人民解放軍63726 部隊，寧夏 銀川 750004）

0 引言

隨著科學技術的發展和航天測控任務的需要，測控裝備由早期單一的固定地基式發展到目前車載、船載、機載、星載等多種承載形式[1]，其中船載式和車載式都是在運動的狀態下執行測控任務，即“動中測”。

船舶在海上航行或漂泊時，受風浪的影響，船載測控裝備在左右、上下和前后3 個維度上都存在不同程度的晃動。對于窄波束天線來講，由于其波束寬度一般遠比船搖幅度小，如果不采取任何措施，伺服系統進行目標捕獲是比較困難的[2]。與陸地固定測控裝備相比，船載測控裝備必須克服船搖的影響，以解決穩定問題才能實現對目標的跟蹤[3]。

車載機動測控裝備是對地面固定測控網點的有效補充[4]，近年來，隨著電子技術的發展，一車一站式車載測控裝備成為一種新的發展方向，它可以不依賴預設場地，在符合要求的公路上以車載機動的方式完成測控任務，將傳統的“動中測”由海上拓展到陸地。

在“動中測”模式下，需要采取一定的措施來減小船舶和載車的晃動對天線指向的影響，所謂車船搖隔離技術，就是在“動中測”時，所采取的穩定天線指向的伺服自動控制技術。

1 車/船搖隔離技術

測控裝備安裝于載車、艦船等運動載體之上，由于天線轉臺底座與載體之間是剛性連接，運動載體自身的姿態變化將引起天線指向變化，雖然運動載體的姿態變化對天線伺服系統造成的擾動處于伺服系統位置跟蹤環內，具有一定的隔離能力，但由于伺服跟蹤回路帶寬限制，無法對高頻擾動產生理想的隔離效果，當擾動幅值大、頻率高時將導致跟蹤誤差增大，嚴重時目標丟失，因而需采用一定的方法，提高伺服系統對車船搖擾動的隔離能力。車船搖隔離度就是用來衡量伺服回路對車搖或船搖擾動的抑制程度，即沒有穩定措施時天線的搖擺角度與有措施時天線剩余搖擺角度的比值，一般用dB 表示，計算公式如式（1）所示：

其中，θm為沒有穩定措施時天線的搖擺角度，Δθm為增加搖穩定措施后天線的剩余搖擺角度，即隔離殘差。

目前在航天測量船上普遍采用的船搖隔離方法是反饋陀螺法[5]，這種方法與位置跟蹤環路聯合使用，船搖隔離度能達到38.8 dB 以上[6]，在幅度為7.5°的船搖情況下，隔離殘差在0.08°左右，這對于波束寬度在2°以上的寬波束天線，是能夠滿足使用要求的；但是對于波束寬度小于0.2°的窄波束天線來說，其隔離殘差幾乎達到了波束寬度的一半，是無法滿足正常跟蹤需求的。本文所研究的窄波束測控裝備，其天線波束寬度為0.2°，船搖隔離度的指標要求是不小于50 dB（船橫搖±7.5°、周期8 s，縱搖±3.0 °、周期5.5 s），車搖隔離度不低于20 dB（車搖±1 °，周期0.5 s）。

2 伺服系統建模

伺服系統通常包含電流環[7?9]、速度環[10?11]、位置環[12?15]（也稱作“位置跟蹤環”或“跟蹤環”）。為了便于對車載/船載測控裝備的伺服系統動態性能進行分析與評估，建立包含電流環、速度環和位置環的模型，如圖1所示。為了使模型更接近真實情況，該模型還包括了負載天線等效的轉動慣量與摩擦力。

圖1 伺服系統模型

3 船搖隔離度分析

在進行船搖隔離度的仿真分析時，采用等效的正弦信號代替真實的船橫搖與縱搖，其中橫搖為幅值7.5°、周期8 s 的正弦信號，縱搖為幅值3.0°、周期5.5 s 的正弦信號。為評估伺服系統對船搖擾動的最大隔離能力，假設橫搖、縱搖擾動量全部疊加在天線軸上。

3.1 僅采用位置環的船搖隔離度分析

在位置跟蹤回路中增加上述的正弦信號來代替船搖擾動，隔離度仿真結果分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 僅位置回路策略下橫搖隔離仿真結果

圖3 僅位置回路策略下縱搖隔離仿真結果

從結果中可以看出：對于方位軸，橫搖隔離殘差為0.182°，隔離度約為32.3 dB，縱搖隔離殘差為0.155°，隔離度約為25.7 dB；對于俯仰軸，橫搖隔離殘差為0.169°，隔離度約為32.9 dB，縱搖隔離殘差為0.143°，隔離度約為26.4 dB。僅僅依靠位置環，橫搖和縱搖的隔離殘差均超過窄波束天線的半波束寬度，無法滿足跟蹤要求。

3.2 疊加船搖前饋補償的船搖隔離度分析

為進一步提高伺服系統的船搖隔離度，在位置環的基礎上疊加船搖前饋補償策略。利用安裝于天線座底部的慣導來測量船搖，通過坐標變換計算出船搖引起的在天線方位、俯仰軸上的擾動速度分量，并將該速度信號饋入速度回路輸入端，以進行速度補償。慣導安裝時，慣導坐標系與船體坐標系重合，船體坐標系示意圖如圖4 所示，其中ωH為航向角速度，ωR為橫搖角速度，ωP為縱搖角速度。

圖4 船體坐標系示意圖

在此坐標系下，船搖在方位軸上的擾動角速度分量為：

在俯仰軸上的擾動角速度分量為：

疊加船搖前饋補償后的仿真結果如圖5 和圖6所示。

圖5 船搖前饋補償策略下橫搖隔離仿真結果

圖6 船搖前饋補償策略下縱搖隔離仿真結果

從圖5 和圖6 中可以看出，疊加船搖前饋補償策略后，方位軸橫搖隔離殘差減小到0.018°，隔離度約為52.4 dB，縱搖隔離殘差減小到0.016°，隔離度約為45.5 dB；俯仰軸橫搖隔離殘差減小到0.014°，隔離度約為54.6 dB，縱搖隔離殘差減小到0.012°，隔離度約為47.9 dB，伺服系統船搖隔離度指標顯著提高。由于系統隔離度與擾動頻率相關，頻率越高隔離能力越弱[16]，縱搖擾動頻率比橫搖高，因而其隔離度低一些。

3.3 疊加陀螺穩定環的船搖隔離度分析

經上一節仿真分析，在采用疊加船搖前饋補償后，伺服系統船搖隔離度指標顯著提高，為進一步提高伺服系統的船搖隔離度，通常考慮在船搖前饋補償的基礎上，增加陀螺穩定環[17]。

陀螺穩定環介于速度環與位置環之間，是一個反饋穩定回路。利用陀螺空間測速機的原理，將雙軸速率陀螺安裝于天線背面的基準面上，直接感應方位、俯仰軸在慣性空間的轉動角速度信息，并進行反饋控制，構成陀螺穩定環。在實際應用中，設有“無陀自跟蹤”工作方式，就是在船搖不是很嚴重的條件下，斷開陀螺環，以保證跟蹤性能。即，建立陀螺穩定環來提高抗船搖擾動的能力是要以犧牲一些跟蹤性能為代價的。在船搖前饋補償策略的基礎上，增加陀螺穩定回路的仿真模型如圖7 所示，仿真結果如圖8 和圖9 所示。

圖7 陀螺穩定策略下仿真模型

圖8 陀螺穩定策略下橫搖隔離仿真結果

圖9 陀螺穩定策略下縱搖隔離仿真結果

從圖8、圖9 中可以看出，采用“位置環路+船搖補償+陀螺穩定”的隔離策略之后，方位軸橫搖隔離殘差減小到0.005 53°，隔離度約為62.6 dB，縱搖隔離殘差減小到0.006 8°，隔離度約為52.9 dB；俯仰軸橫搖隔離殘差減小到0.005 50°，隔離度約為62.7 dB，縱搖隔離殘差減小到0.006 5°，隔離度約為53.3 dB，隔離船搖的能力進一步提高[18]。

3.4 仿真小結

綜合上述仿真結果，該伺服系統船搖隔離度仿真結果匯總如表1 所示。

表1 船搖隔離度仿真結果

在采用“位置回路+船搖前饋補償”的策略，方位與俯仰的橫搖隔離度均能夠達到50 dB、縱搖隔離度達到45 dB；再增加陀螺穩定環設計，則橫搖隔離度能夠達到約62 dB，縱搖隔離度約52 dB，能夠滿足窄波束天線的跟蹤要求。

4 車搖隔離度分析

在伺服控制系統的結構及參數固定時，系統對擾動的隔離度只與擾動的頻率有關，無論是車搖還是船搖，在相同的擾動頻率下，其擾動隔離度是固定的。通常情況下，船搖的擾動頻率較低，相應的系統隔離能力較強，隔離度較高；而車搖的擾動頻率相對較高，相應的系統隔離能力變弱，隔離度較低，但是車搖的擾動幅度比船搖小。

4.1 僅采用位置環的車搖隔離度分析

對于機動平臺的測控裝備來說，無論是車載模式還是船載模式，其伺服系統是完全相同的。當僅使用位置跟蹤回路對車搖擾動進行隔離時，根據圖1 所示的模型，在擾動幅度均為1°的情況下，可得到不同擾動頻率下的隔離度，仿真結果如表2 所示。

表2 位置環車搖隔離度仿真結果

從表2 中可以看出，僅使用位置跟蹤回路進行擾動隔離，當擾動頻率為0.1 Hz 時，方位、俯仰隔離度分別為36.1 dB 和37.7 dB；當擾動頻率為1 Hz 時，方位、俯仰的隔離度下降為1.0 dB 和1.8 dB；當擾動頻率上升為1.2 Hz 時，隔離度為0，已沒有擾動隔離能力。因此，在僅僅使用位置跟蹤環路進行隔離時，無法滿足車載狀態下的隔離度要求，需要使用額外的隔離措施，以提高系統擾動隔離能力。

4.2 疊加前饋補償的車搖隔離度分析

與船搖前饋補償方法相同，可利用車搖速率補償，即通過安裝于天線座底盤上的慣導系統實時檢測車搖擾動速率信號，并將其饋入系統速度回路，以補償擾動速率的影響，提高車搖隔離度。采用車搖前饋補償策略，不同擾動頻率下的隔離度仿真結果如表3 所示。

表3 疊加車搖前饋補償隔離度仿真結果

從結果中可以看出，疊加車搖前饋補償后，當擾動頻率小于1.5 Hz 時，俯仰隔離度滿足20 dB 要求，擾動頻率為2 Hz 時隔離度為19 dB 左右；因方位轉動慣量遠大于俯仰轉動慣量，導致方位高頻響應要慢一些，其隔離度在擾動頻率小于1.3 Hz 時能達到20 dB，當擾動頻率為2 Hz 時隔離度約為15 dB，仍然不能滿足指標要求。

4.3 疊加陀螺穩定車搖隔離度分析

在車搖前饋的基礎上疊加陀螺穩定回路，仿真結果如表4 所示。

表4 增加陀螺穩定回路后的車搖隔離度仿真結果

從仿真結果中可以看出，在擾動幅度為1°時，當車搖擾動頻率在2 Hz 以內時，方位與俯仰支路的隔離度均能達到20 dB，滿足指標要求。

4.4 車體隔振處理

與船搖相比，車搖擾動的頻率較高，隔離難度大，通過使用不同控制策略的隔離效果改善很有限。因而，考慮對載車和方艙采取一定的隔振措施，使整車的擾動頻率變為2 Hz 以內，則根據前述仿真結果，此時車搖隔離度可達到20 dB 左右。

4.5 仿真小結

車搖擾動頻率比船搖情況下要高，隔離問題復雜，實現難度大。仿真結果表明，采用“位置環+車搖前饋+陀螺穩定環路”的車搖隔離策略時，當車搖擾動頻率小于2 Hz 時，方位支路的車搖隔離度可達到 20.1 dB，俯仰支路的車搖隔離度可達到 22.7 dB，滿足指標要求。

5 伺服系統動態跟蹤性能分析

假定目標高度為10 km，以5 Ma 速度直線勻速飛行，航捷（即測站與目標的距離最近距離）為10 km，最遠距離為100 km，此時天線跟蹤目標的方位角速度如圖10 所示。

圖10 目標方位角速度曲線

在過航捷點，角速度達到最大值，在目標跟蹤過程中，伺服系統需要同時實現對目標的精確跟蹤和船搖擾動抑制。

假設在跟蹤過程中，船搖始終對方位產生幅值7.5°、周期8 s 的正弦波擾動，根據3.3 節所述的模型，仿真結果如圖11 所示。

圖11 船搖擾動下的目標動態跟蹤方位誤差

仿真結果表明，未到達航捷點附近時，跟蹤誤差峰值小于0.01°；到達航捷點附近時，跟蹤誤差峰值約為0.02°，整個目標跟蹤過程中的跟蹤誤差均方根值約為0.007 2°，滿足窄波束天線的跟蹤要求。

6 結論

在“動中測”的測控需求下，隔離載車或者艦船的搖擺對測控天線的影響，使得天線不受車體或船體的搖擺而搖擺，保證天線空間指向的穩定性，是車載/船載伺服系統設計的關鍵所在。本文針對車載/船載窄波束測控裝備的跟蹤需求，建立經典的電流環、速度環和位置環伺服系統模型，分別采用“僅位置環”“位置環+車船搖前饋補償”和“位置環+車船搖前饋補償+陀螺穩定環”3 種策略，在船舶橫搖±7.5°、周期8 s，縱搖±3.0°、周期5.5 s，車搖±1°、周期0.5 s 的條件下進行仿真分析，仿真結果表明，采用“位置環+車船搖前饋補償+陀螺穩定環”的車船搖隔離方法，橫搖隔離度方位62.6 dB、俯仰62.7 dB；縱搖隔離度方位52.9 dB、俯仰53.3 dB；車搖隔離度方位20.1 dB、俯仰22.7 dB；對飛行高度為10 km，航捷為10 km，以5 Ma 飛行的高速目標的角度跟蹤誤差小于0.007 2°，能夠滿足窄波束測控設備的跟蹤要求。