天伺饋系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

周俞

摘要：遙測(cè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定連續(xù)地跟蹤和獲取目標(biāo)的測(cè)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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。本文介紹了遙測(cè)系統(tǒng)的跟蹤體制、跟蹤網(wǎng)絡(luò)等，并對(duì)天伺饋系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

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

中圖分類號(hào)：TJ203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）01-0162-03

1 引言

遙測(cè)系統(tǒng)在對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，才能連續(xù)有效地跟蹤和獲取目標(biāo)的測(cè)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(jì)及性能[1-3]。遙測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)，其跟蹤精度不需要像光學(xué)測(cè)量等外測(cè)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(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)新型S波段遙測(cè)系統(tǒng)通常采用單通道單脈沖跟蹤（簡(jiǎn)稱SCM）體制[4-5]。單通道單脈沖體制的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜程度明顯簡(jiǎn)化，工作的可靠性明顯提高，動(dòng)態(tài)滯后明顯減少，節(jié)省了信道，簡(jiǎn)化了技術(shù)交叉環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備成本。

2 遙測(cè)系統(tǒng)天伺饋系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

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(dòng)單元、天控器等組成，如圖1所示。

天饋部分實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遙測(cè)信號(hào)的接收，伺服部分實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤指向。系統(tǒng)跟蹤采用單通道單脈沖體制，遙測(cè)信號(hào)接收及跟蹤誤差信號(hào)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(gè)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(gè)單元天線按菱形排列組陣，工作時(shí)，上下兩個(gè)單元天線經(jīng)180°橋輸出S頻段的俯仰誤差信號(hào)。同樣的方式，左右兩個(gè)單元天線輸出方位誤差信號(hào)。俯仰和方位二個(gè)誤差信號(hào)提供跟蹤信號(hào)。中間單元為一個(gè)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(diǎn)處，所以可獲得最高的增益，即有最大的和信號(hào)；而四個(gè)對(duì)稱的半波振子天線處于偏焦位置，僅用于產(chǎn)生誤差信號(hào)。

為實(shí)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(jì)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(jì)

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(gè)單元天線經(jīng)四個(gè)90°橋后形成八路左、右旋圓極化信號(hào)，經(jīng)四個(gè)和差器處理后分別形成左、右旋的俯仰和方位誤差信號(hào)。然后按旋向分開(kāi)，將俯仰和方位信號(hào)分別輸入0/π調(diào)制器。通過(guò)兩路相位差90°的1KHz方波，實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰和方位二路誤差信號(hào)的相位調(diào)制。被調(diào)制的二路誤差信號(hào)經(jīng)相加器進(jìn)行合并，再由一個(gè)12dB定向耦合器迭加到和通道上，最終將三路信號(hào)（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(jì)算機(jī)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(jì)算，計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理、對(duì)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(gè)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(guò)接收機(jī)構(gòu)成目標(biāo)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(shí)由目標(biāo)和接收機(jī)構(gòu)成的空間閉合回路，即角跟蹤回路，這時(shí)軟件開(kāi)關(guān)K1閉合，K2斷開(kāi)。另一類是在定點(diǎn)、手動(dòng)、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(shí)軟件開(kāi)關(guān)K2閉合，K1斷開(kāi)。為了提高系統(tǒng)性能，在上面兩個(gè)回路內(nèi)設(shè)計(jì)有電流環(huán)和速度環(huán)，這樣伺服分系統(tǒng)形成了一個(gè)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(biāo)的相對(duì)位置形成角誤差信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)放大和檢波以后，形成角誤差電壓。計(jì)算機(jī)通過(guò)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(dòng)天線向著減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)，直至天線的波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

角位置回路狀態(tài)下，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC變換器讀取天線的當(dāng)前角度，與輸入指令比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，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(guò)D/A變換器輸出電壓信號(hào)，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(dòng)天線向著減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)，直至誤差趨于零，天線到達(dá)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(dòng)態(tài)性能。同時(shí)PID控制器使伺服系統(tǒng)成為數(shù)字二階無(wú)靜差系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等速輸入目標(biāo)無(wú)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(xiàng)KI∫e（t）dt，因此將使跟蹤系統(tǒng)為一個(gè)二階無(wú)靜差系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度輸入量的無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。

為了用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)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(guò)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(jì)位置環(huán)帶寬為2.2Hz，設(shè)計(jì)參數(shù)為：KP=51.4，KI=140，KD=-3.2。

在大角度范圍轉(zhuǎn)動(dòng)天線時(shí)，數(shù)字位置調(diào)節(jié)器采用對(duì)速變輸入量的快速最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)大失調(diào)角時(shí)快速、平穩(wěn)、無(wú)超調(diào)追趕調(diào)轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，附加前饋復(fù)合控制輔助通道來(lái)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(dòng)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(bǔ)償功能，以適應(yīng)不同仰角的跟蹤要求。

未捕獲到目標(biāo)信號(hào)之前，可以在預(yù)定目標(biāo)空域進(jìn)行搜索。搜索方式有：手動(dòng)搜索、數(shù)字引導(dǎo)等。搜索可以是俯仰或方位單軸進(jìn)行，也可以是雙軸同時(shí)進(jìn)行。天線接收到目標(biāo)信號(hào)后，當(dāng)接收信號(hào)的AGC電平、鎖定信號(hào)、誤差信號(hào)滿足給定條件時(shí)，天線進(jìn)入自跟蹤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的平穩(wěn)準(zhǔn)確跟蹤。

當(dāng)跟蹤低仰角飛行目標(biāo)時(shí)，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(biāo)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至丟失目標(biāo)。因此，在低仰角跟蹤目標(biāo)時(shí)，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(yǔ)

通過(guò)以上介紹，較好地闡述了天伺饋系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的原理及過(guò)程，有助于技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)與操作，也為進(jìn)一步分析遙測(cè)系統(tǒng)跟蹤精度提供了理論基礎(chǔ)。

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