麻召普，張振莊，王小宇，李 勝

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

艦艇在出海遠航時，衛(wèi)星通信成為艦船與外界進行信息溝通的重要手段，而衛(wèi)通天線就是其中重要的一環(huán)。艦船在航行過程中偶爾會使船體產(chǎn)生高頻振動，由于天線系統(tǒng)前饋陀螺的存在，當該高頻分量被陀螺檢測到并作用于系統(tǒng)時，往往會導致天線產(chǎn)生抖動，并無法自行恢復穩(wěn)定，進而導致跟蹤失鎖，影響正常通信。

本文首先對天線伺服控制系統(tǒng)以及數(shù)字濾波器進行了闡述，對艦船航行數(shù)據(jù)進行頻譜分析，并針對產(chǎn)生的高頻分量分別設(shè)計了IIR與FIR濾波器，通過仿真分析與對比，確定IIR濾波器的優(yōu)越性。該款I(lǐng)IR濾波器能夠有效濾除船體產(chǎn)生的高頻分量，提高天線跟蹤的穩(wěn)定性。

1 天線伺服控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

天線伺服控制系統(tǒng)主要由天線控制單元、前饋陀螺、反饋陀螺、碼盤、驅(qū)動裝置等組成。其中天線控制單元是該系統(tǒng)的核心，主要完成傳感器信息采集、控制律實現(xiàn)等功能，前饋陀螺負責采集艦艇橫傾、縱傾角速度數(shù)據(jù)，反饋陀螺主要采集天線面在空間上指向變化速率。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 天線伺服控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖

1.2 伺服控制環(huán)路組成

天線在跟蹤過程中，依靠跟蹤環(huán)和陀螺環(huán)可有效跟蹤衛(wèi)星，保證通信鏈路不中斷。其中陀螺環(huán)對隔離載體姿態(tài)變化起主要作用，而跟蹤環(huán)起到修復微小偏差的作用，比如衛(wèi)星漂移、機械軸與電軸的不一致等[1]。除此之外，陀螺前饋對隔離船搖也起到一定作用。伺服控制環(huán)路組成如圖2所示。

圖2 伺服控制環(huán)路組成框圖

2 數(shù)字濾波器簡介

數(shù)字濾波器就是指某種具有選擇性的數(shù)字器件、網(wǎng)絡(luò)或以計算機硬件為支撐的計算程序。根據(jù)系統(tǒng)的單位取樣脈沖響應(yīng)的時間特性把數(shù)字濾波器分為兩類：無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。

工程上IIR濾波器的設(shè)計主要采用間接法：設(shè)計或選擇已有的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)，再通過雙線性變換轉(zhuǎn)換方式將Ha(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。由于IIR濾波器設(shè)計指標由幅頻特性確定，因此在設(shè)計IIR濾波器時，只要求幅頻響應(yīng)滿足設(shè)計要求，而不用考慮它的相頻特性[2]。事實上，IIR濾波器的相頻特性一般是非線性的，因此會改變信號的形狀，而FIR濾波器經(jīng)過設(shè)計可以使其相頻特性嚴格線性，從而不會改變輸入信號的形狀，只是將信號在時域上延時幾個采樣點。

3 濾波器設(shè)計與性能對比

3.1 航行數(shù)據(jù)頻譜分析

對船載2.4m衛(wèi)通天線正常跟蹤與出現(xiàn)抖動時間段的前饋陀螺數(shù)據(jù)進行頻譜分析，數(shù)據(jù)記錄采樣率為10Hz，所得頻譜圖如圖3，圖4所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，當天線出現(xiàn)抖動時，在4.5Hz附近出現(xiàn)較高幅值信號。

圖3 正常跟蹤時段前饋陀螺頻譜圖

圖4 出現(xiàn)抖動時段前饋陀螺頻譜圖

3.2 FIR濾波器設(shè)計

針對3.1節(jié)的震動信號頻譜特性，基于漢寧窗函數(shù)法設(shè)計了4階，3dB帶寬頻率為2.6Hz的FIR數(shù)字低通濾波器，其幅頻特性如圖5所示，從圖5中可知，濾波器可對4.5Hz處的震動信號產(chǎn)生13dB的衰減。

圖5 FIR數(shù)字濾波器幅頻特性

其相頻特性如圖6所示，從該圖可看出FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，可以做到具有嚴格的線性相位特性。

圖6 FIR數(shù)字濾波器相頻特性1

天線伺服控制系統(tǒng)是一種隨動系統(tǒng)、實時系統(tǒng)，控制系統(tǒng)需要對傳感器采集的實時數(shù)據(jù)進行實時處理，所以需要對經(jīng)過濾波后數(shù)據(jù)的實時性，即延時進行分析。此處設(shè)計的濾波器的階次為4，濾波后產(chǎn)生的延時為0.2s[3]。說明FIR濾波器對各頻段信號的相位延遲一致，進而保證濾波后信號波形不失真。

搭建仿真模型，對震動時段數(shù)據(jù)進行FIR數(shù)字濾波，濾波效果如圖7所示。

圖7 FIR數(shù)字濾波器濾波效果

3.3 IIR濾波器設(shè)計

以“對4.5Hz處的震動信號產(chǎn)生13dB的衰減”為設(shè)計指標，設(shè)計了2階巴特沃斯低通濾波器。其幅頻特性如圖8所示，從圖中可知，濾波器可對4.5Hz處信號產(chǎn)生13dB的衰減。

圖8 IIR數(shù)字濾波器幅頻特性

其相頻特性如圖9所示，其相頻特性呈現(xiàn)出非線性。

圖9 IIR數(shù)字濾波器相頻特性

在0-3.5Hz內(nèi)，該款I(lǐng)IR濾波器的平均相位延遲為0.20rad/Hz。依據(jù)FIR濾波器的相位延遲為1.26rad/Hz，延時為0.2s，故可推算出該IIR濾波器的平均延時為0.03s。

對數(shù)據(jù)記錄分析得“橫傾”搖擺周期為6.6s，幅度為±2.26°；“縱傾”搖擺周期為3.4s，幅度為±0.88°。綜合最大船搖速度為2.70°/s，進而可得0.03s內(nèi)最大可導致天線指向產(chǎn)生0.08°的偏差，遠小于0.21°(2.4m天線的1/10半功率波束寬度為0.21°)。

搭建仿真模型，對震動時段數(shù)據(jù)進行IIR數(shù)字濾波，濾波效果圖見圖10。

圖10 IIR數(shù)字濾波器相頻特性2

3.4 兩種濾波器性能對比

為了從兩者中選出最適合的濾波器，對兩種濾波器性能進行對比，見表1。通過對比確定IIR濾波器最適合。

表1 IIR與FIR性能比較

4 搖擺臺模擬測試

為了測試IIR濾波器的濾波效果，采用六桿搖擺臺模擬方式，分別將濾波前、后數(shù)據(jù)文件作為搖擺臺的模擬輸入。當將濾波前數(shù)據(jù)文件作為模擬輸入時，可明顯感到搖擺臺在高頻抖動，當將濾波后數(shù)據(jù)文件作為模擬輸入時，之前的高頻抖動消失。搖擺臺上位機界面如圖11。

圖11 搖擺臺上位機界面

5 結(jié)束語

船載衛(wèi)通天線在艦船航向過程中易受船體高頻震動的影響導致其跟蹤失敗，本文針對高頻分量的頻率和幅值特性設(shè)計了IIR濾波器，經(jīng)過對濾波系統(tǒng)仿真以及模擬測試，確定了該款濾波器可以有效消除天線的震動，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定。