姚熠飛， 李志堅， 常 碩， 郭書明

(中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

船載雷達補償跟蹤技術(shù)研究及應(yīng)用

姚熠飛， 李志堅， 常 碩， 郭書明

(中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

一般大型雷達天線的伺服系統(tǒng)，由于機械結(jié)構(gòu)的諧振頻率不高，伺服系統(tǒng)帶寬受到限制，跟蹤動態(tài)目標時滯后誤差較大。對于二階無靜差系統(tǒng)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(fù)合控制技術(shù)，在系統(tǒng)中采用前饋補償?shù)姆椒?，可以顯著減小跟蹤動態(tài)滯后。

船載雷達； 補償； 復(fù)合控制

引 言

船載雷達伺服系統(tǒng)是測角系統(tǒng)的重要組成部分，它接收來自接收機的誤差信號，經(jīng)數(shù)字處理、放大后送給伺服電機，驅(qū)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(dǎo)致目標跟蹤的動態(tài)滯后。為了減小動態(tài)滯后誤差，要求跟蹤環(huán)具有高的開環(huán)放大倍數(shù)和快的動態(tài)響應(yīng)能力[1]。

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

1 傳統(tǒng)方法

天線控制的根本目的就是實現(xiàn)對目標的快速捕獲及精確跟蹤，并使之達到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。系統(tǒng)采取經(jīng)典控制理論設(shè)計，即環(huán)路結(jié)構(gòu)。各個環(huán)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(shè)計校正[3]。在控制結(jié)構(gòu)上采用典型的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)，其中位置環(huán)是保證跟蹤性能的外環(huán)[4]。

傳統(tǒng)的單回路系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

我們可利用系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)KW(s)計算系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。

圖1 單回路系統(tǒng)

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(tài)滯后誤差。天線自跟蹤環(huán)路采用二階無靜差系統(tǒng)，動態(tài)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(tài)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(tài)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(yīng)點的動態(tài)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(tài)滯后空間誤差角[7]。

2 前饋補償方案

基于前饋補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與傳統(tǒng)的單回路系統(tǒng)相比，復(fù)合控制系統(tǒng)除了一般的閉環(huán)系統(tǒng)之外，還包含一個開環(huán)控制部分KcWc(s)。

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

圖2 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(3)可以看出，只要KcWc(s)中沒有不穩(wěn)定環(huán)節(jié)，則增加一個開環(huán)控制部分，對系統(tǒng)的穩(wěn)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(xiàn)所謂的完全不變性。

對于實際伺服系統(tǒng)，K2W2(s)中含有一個積分環(huán)節(jié)，即

式中，Tc為濾波時間常數(shù)。

因此要實現(xiàn)完全的不變性，不僅困難，而且往往會產(chǎn)生相反的效果，這是因為此時雖然由于目標引起的動態(tài)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(nèi)環(huán)，而增大了隨機誤差，導(dǎo)致未必一定能夠得到好的總體效果。

為了減小動態(tài)滯后誤差，同時又不致過多地增大隨機誤差，復(fù)合控制系統(tǒng)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(xiàn)不變性，能顯著改善雷達系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能。

對于濾波時間常數(shù)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(yīng)地由此而引入的隨機誤差較??；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(yīng)地由此而引入的隨機誤差較大，因此Tc需根據(jù)系統(tǒng)實際情況進行選擇[8]。

3 設(shè)計與驗證

3.1 總體方案

陀螺穩(wěn)定環(huán)、自跟蹤環(huán)設(shè)計為典型的二階系統(tǒng)，其校正運算在計算機內(nèi)完成，同時采用智能算法對大小信號的模型變化及調(diào)節(jié)器的積分項進行補償。

伺服系統(tǒng)主要由天線控制單元、天線驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)、A/D、D/A、信號調(diào)理、控保系統(tǒng)、顯示器等組成。它的主要任務(wù)是實現(xiàn)位置閉環(huán)，對天線進行位置控制[9]。

復(fù)合控制原理如圖3所示。復(fù)合控制也稱為補償，補償輸入點在陀螺環(huán)的指令輸入處，補償功能是通過計算機軟件實現(xiàn)的。

圖3 復(fù)合控制原理

3.2 軟件設(shè)計

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

圖4 復(fù)合控制功能實現(xiàn)程序

在進行設(shè)備調(diào)試時，需先進行加速度誤差常數(shù)測試，其軟件流程為：由天線控制單元軟件自動產(chǎn)生一個勻加速運動指令S＝(1/2)at2，經(jīng)插值列表后作用于天線伺服系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，將當時的數(shù)據(jù)θ實際與理論計算數(shù)據(jù)θ理論作比較，由計算機自動計算出加速度誤差常數(shù)。

3.3 試驗驗證

以某船載雷達系統(tǒng)為例，分別對方位和俯仰無/加補償狀態(tài)下的加速度誤差常數(shù)進行測試，結(jié)果如表1所示。加速度誤差常數(shù)體現(xiàn)了雷達系統(tǒng)跟蹤動態(tài)快速目標的能力，其數(shù)值越大，跟蹤性能越佳。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，加前饋補償后加速度誤差常數(shù)得到顯著改善，雷達系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤性能更佳，與理論模型分析結(jié)果一致。

表1 加速度誤差常數(shù)測試結(jié)果

利用雷達系統(tǒng)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(tài)下分別進行動態(tài)滯后誤差測試，結(jié)果如表2所示。

表2 動態(tài)滯后誤差測試結(jié)果

在兩種狀態(tài)下分別進行測角隨機誤差統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)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(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)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(tài)滯后誤差角度明顯減小，總體跟蹤效果良好。

4 結(jié)束語

加速度誤差常數(shù)的大小直接取決于結(jié)構(gòu)諧振頻率的大小，環(huán)路調(diào)節(jié)器的設(shè)計只是在有限的范圍內(nèi)作調(diào)整，以保證系統(tǒng)滿足必要的相位裕度。使用復(fù)合控制技術(shù)可以大幅提高加速度誤差常數(shù)，當雷達系統(tǒng)跟蹤快速運動目標時，動態(tài)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(shù)的實用性和可靠性。

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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(xué)本科，助理工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統(tǒng)。

李志堅 1983年生，大學(xué)本科，工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統(tǒng)。

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

郭書明 1978年生，大學(xué)本科，工程師，研究方向為船載雷達伺服控制系統(tǒng)。

2013-12-17 收修改稿日期：2014-04-15