周俞

摘要：遙測系統(tǒng)能否穩(wěn)定連續(xù)地跟蹤和獲取目標的測量數(shù)據(jù)，首先取決于天伺饋系統(tǒng)能否穩(wěn)定和可靠控制天線對準目標。本文介紹了遙測系統(tǒng)的跟蹤體制、跟蹤網(wǎng)絡(luò)等，并對天伺饋系統(tǒng)的原理及設(shè)計進行了闡述。

關(guān)鍵詞：遙測系統(tǒng)；跟蹤體制；跟蹤網(wǎng)絡(luò)

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(tǒng)在對運動目標的測量中，需要穩(wěn)定性與可靠度較高的天伺饋系統(tǒng)控制天線對準目標，才能連續(xù)有效地跟蹤和獲取目標的測量數(shù)據(jù)。跟蹤性能的好壞，很大程度上取決于跟蹤體制、跟蹤網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及性能[1-3]。遙測系統(tǒng)的主要任務(wù)是獲取遙測數(shù)據(jù)，其跟蹤精度不需要像光學測量等外測設(shè)備要求那么高。綜合考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性、可靠性和收發(fā)天線共用等問題，目前國內(nèi)新型S波段遙測系統(tǒng)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(yōu)點是系統(tǒng)復(fù)雜程度明顯簡化，工作的可靠性明顯提高，動態(tài)滯后明顯減少，節(jié)省了信道，簡化了技術(shù)交叉環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備成本。

2 遙測系統(tǒng)天伺饋系統(tǒng)原理及設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及原理

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

天饋部分實現(xiàn)目標的遙測信號的接收，伺服部分實現(xiàn)目標的跟蹤指向。系統(tǒng)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(nèi)的五元照射器和跟蹤網(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(chǎn)生誤差信號。

為實現(xiàn)左、右旋圓極化，五元照射器內(nèi)的所有單元天線都設(shè)計成正交結(jié)構(gòu)。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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

跟蹤網(wǎng)絡(luò)為單通道單脈沖體制的波束形成網(wǎng)絡(luò)。其工作原理是：按一定陣形排列的四個單元天線經(jīng)四個90°橋后形成八路左、右旋圓極化信號，經(jīng)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(diào)制器。通過兩路相位差90°的1KHz方波，實現(xiàn)對俯仰和方位二路誤差信號的相位調(diào)制。被調(diào)制的二路誤差信號經(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(shù)字控制系統(tǒng)。智能控制板內(nèi)DSP完成綜合數(shù)據(jù)處理和跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制計算，計算機進行智能化管理、對外通訊、系統(tǒng)自檢和故障輔助判斷、事后數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。

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(tǒng)，經(jīng)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成角位置回路，通過接收機構(gòu)成目標角跟蹤回路。

伺服分系統(tǒng)的控制量可以根據(jù)形成閉環(huán)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(gòu)成的空間閉合回路，即角跟蹤回路，這時軟件開關(guān)K1閉合，K2斷開。另一類是在定點、手動、程控、引導(dǎo)、收藏等工作模式下，由旋變構(gòu)成的角位置回路，這時軟件開關(guān)K2閉合，K1斷開。為了提高系統(tǒng)性能，在上面兩個回路內(nèi)設(shè)計有電流環(huán)和速度環(huán)，這樣伺服分系統(tǒng)形成了一個多回路，多功能的閉環(huán)系統(tǒng)。

在空間閉合回路狀態(tài)下，由天線波束與目標的相對位置形成角誤差信號，經(jīng)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(zhuǎn)換讀取角誤差的數(shù)字量，由數(shù)字位置調(diào)節(jié)器按照給定的控制律產(chǎn)生數(shù)字控制量，送給數(shù)字穩(wěn)定回路，從而控制天線座上的執(zhí)行元件驅(qū)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(tài)下，計算機經(jīng)過雙通道旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生誤差信號，同樣由數(shù)字位置調(diào)節(jié)器按照給定的控制律產(chǎn)生數(shù)字控制量，通過D/A變換器輸出電壓信號，送給數(shù)字穩(wěn)定回路，從而控制天線座上的執(zhí)行元件驅(qū)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(tǒng)可以采用多種控制規(guī)律和算法，取得滿意的跟蹤性能。如：快速最優(yōu)控制、自適應(yīng)PID控制器、前饋復(fù)合控制等。

在小角度范圍內(nèi)，數(shù)字位置調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)PID控制器，可以取得很好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。同時PID控制器使伺服系統(tǒng)成為數(shù)字二階無靜差系統(tǒng)，實現(xiàn)了對等速輸入目標無穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤。

PID控制器的傳遞函數(shù)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(tǒng)為一個二階無靜差系統(tǒng)，實現(xiàn)對速度輸入量的無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。

為了用計算機軟件實現(xiàn)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(huán)。

本系統(tǒng)中設(shè)計位置環(huán)帶寬為2.2Hz，設(shè)計參數(shù)為：KP=51.4，KI=140，KD=-3.2。

在大角度范圍轉(zhuǎn)動天線時，數(shù)字位置調(diào)節(jié)器采用對速變輸入量的快速最優(yōu)控制，實現(xiàn)大失調(diào)角時快速、平穩(wěn)、無超調(diào)追趕調(diào)轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)精度，附加前饋復(fù)合控制輔助通道來組成復(fù)合控制系統(tǒng)，在使用前饋復(fù)合控制后，系統(tǒng)加速度常數(shù)可以大大提高，減小了動態(tài)滯后誤差，跟蹤精度能夠得到滿足。伺服分系統(tǒng)的方位支路具有正割補償功能，以適應(yīng)不同仰角的跟蹤要求。

未捕獲到目標信號之前，可以在預(yù)定目標空域進行搜索。搜索方式有：手動搜索、數(shù)字引導(dǎo)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(tài)，實現(xiàn)對目標的平穩(wěn)準確跟蹤。

當跟蹤低仰角飛行目標時，由于反射影響，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，它使跟蹤設(shè)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(wěn)。

3 結(jié)語

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

參考文獻

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