動態跟蹤條件下船載ACU雙機平穩切換功能的實現

張 皓,陶 敏,夏佳峰

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

測量船是我國航天工程和衛星測控網的重要環節，承擔著對火箭及航天器的跟蹤測量、定軌定姿、遙測監視等任務，船載測控天線就是完成任務的核心設備。

船載天線伺服系統用于控制天線運轉，ACU作為該系統的主要組成部分，具有極其重要的地位，對設備的可靠性和工作的穩定性提出更高的要求[1]。為提高ACU的可靠性，對其進行冗余設計是目前最有效的方法之一，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統的故障時間[2-3]。目前，某型號測量船船載ACU采用熱備份設計，可以實現人工手動切換主備機的功能，但只有在天線靜止狀態下，才允許進行主備機的切換。天線處于動態跟蹤狀態時，若進行主備機切換，切換過程中ACU自動轉為待機狀態，速度指令停發，會導致天線產生較大階躍，可能造成跟蹤目標的丟失，弱化了熱備份的功能。針對該情況，本文根據產生階躍的原因，提出了一種實現動態跟蹤條件下ACU雙機平穩切換的方法，確保天線在跟蹤過程中進行主備機切換也不會造成較大階躍，從而導致跟蹤目標的丟失。

文章分為以下幾個部分：第一部分主要介紹跟蹤環及ACU雙機切換工作原理，分析實現動態條件下雙機切換的基礎和產生階躍的原因；第二部分提出動態條件下平穩切換的實現方法，針對問題進行改進；第三部分對新舊方法進行試驗驗證，比對其試驗效果，從而證明新方法的優越性和可行性；第四部分為得到的結論及還需要完善和解決的技術問題。

1 跟蹤環及ACU雙機切換工作原理

1.1 跟蹤環工作原理

自跟蹤方式是伺服系統的主要工作方式，即天線隨目標精準運動的狀態，主要分為主天線跟蹤(簡稱主跟蹤)、引導天線跟蹤以及光學跟蹤，文中只涉及主跟蹤。主跟蹤環工作時，目標運動產生誤差，伺服系統接收來自雷達接收機或者基帶的誤差信號，經數字處理、放大、驅動天線朝減小誤差的方向移動，以完成對目標的自動跟蹤。目前，船載設備采用的數字PID位置調節器[4]，跟蹤環系統如圖 1所示。

圖1 跟蹤環系統框圖

由跟蹤環工作原理可知，誤差電壓為整個環路的信號基礎，其信號流程如圖 2所示。

圖2 誤差電壓信號流程圖

圖2中，工控機A為主機，工控機B為備機，主機與備機的環路設置完全一致。

由圖 2可以看出，誤差信號通過信號調理單元后，同時傳給ACU的主機和備機，因此，當主機在線時，備機也能接收到相同的誤差電壓信號。由于主跟蹤模式的核心機理就是目標運動產生誤差，此誤差控制天線運動，天線運動使此誤差消除，從而達到跟蹤的目的，所以，當誤差信號相同，即主機和備機的環路輸入相同，對于同時運轉的兩個相同環路來說，可以進行無縫切換，這是動態跟蹤條件下雙機切換的基礎。

1.2 雙機切換工作原理

上節中提到的主機與備機(分別定義為A機和B機)為互相備份，只有在線狀態的不同，目前默認A機為主機。A/B機通過臺面上“A機/B機”按鍵進行主備機切換，按下此鍵，切換信號通過操控按鍵單元和信號調理與切換單元將在線權從A機轉到B機，以保證同一時間只有一套ACU處于在線狀態，能向外發送數據和指令，但兩套ACU同時運轉并接收數據，且環路狀態相同。兩套ACU采用實時數據傳輸的方式來實現工作方式狀態同步，通過網線將在線ACU的工作狀態同步給備機，即當A機轉換為主跟蹤模式，B機的跟蹤環路同時轉為主跟蹤環路，保證了主備機狀態的一致性。由于ACU和驅動的串口是查詢式的，因此只有在線主機能反映驅動的狀態和數據[4]。主要設備組成如圖3所示。

圖3 主要設備組成圖

圖3中，PLC為驅動的邏輯處理模塊，主跟蹤環路所需要的誤差電壓由基帶或者雷達終端通過串口發送給ACU。

信號流程如圖4所示。

圖4 雙機切換信號流程圖

圖4中，A/B機切換信號選用Boolean型信號，即此鍵按下，則輸出信號“1”，彈起則為“0”。當輸入到操控按鍵板的信號為“1”時，ACU進行雙機切換流程。天線控制軟件采用Borland Delphi進行開發[5]。目前，程序中進行雙機切換的代碼如下：

procedure ABSwitchDeal;

begin

if(ABSwitchCommand<>

ABSwitchLastCommand)

then

begin

AcuSetStandbyMode;

end;

end;

由代碼可知，若天線處于運動狀態時，一旦進行雙機切換，在線主機會自動轉入待機模式，此時速度指令輸出為0，直到切換完畢，新的在線主機開始向驅動發送速度指令，天線才能正常工作。這樣造成的后果是，如果轉換時間超過驅動維持速度指令的時間，驅動收到的速度指令就會變為0，若天線處于跟蹤狀態，就會造成較大的階躍，致使天線無法正常跟蹤。

2 動態條件下平穩切換實現方法

2.1 問題分析

目前，ACU發送速度指令的頻率為40 Hz，與驅動的接收頻率相同，因此驅動采用的速度指令接收策略是將接收到的速度指令保持一個發送周期(25 ms)不變，25 ms后，驅動接收ACU發送的下一幀速度指令進行指令替換。正常跟蹤時，由于每一幀之間的間隔時間很短，對于天線來說，相鄰兩幀之間的速度指令電壓變化很小，體現在天線的運動上基本不會發生太大變化，但當處理切換流程的時間超過了25 ms時，驅動執行的速度指令就會突變為0，天線的運動狀態發生改變，無法正常運行，處理切換流程的時間越長，天線運動受到的影響越大。

2.2 記憶跟蹤

由上節可知，ACU在切換時，由于天線由運動狀態轉為待機狀態，導致切換時產生階躍，因此，本文針對性提出了將待機改為記憶跟蹤的方式，規避切換時產生的階躍。

記憶跟蹤是一種在應急情況下，為了保持對目標的跟蹤，所采取的保持天線正常運轉的有效機制[6]，普遍運用于測控天線設備。當前，某型號測量船采用的記憶跟蹤方式是當目標信號丟失時，ACU保持天線轉記憶跟蹤狀態前最后一幀的速度，作為速度指令發送給驅動，使天線保持此速度繼續運動，最長可持續5秒，5秒后，ACU自動轉為手速狀態。

根據記憶跟蹤的工作原理，提出改進方法，并對ACU程序中的雙機切換代碼進行修改，即當進行雙機切換時，在線主機進入記憶跟蹤方式，直到新的在線主機開始工作，天線轉為主跟蹤模式，向驅動發送新的速度指令。雙機切換代碼可改寫為：

procedure ABSwitchDeal;

begin

if(ABSwitchCommand

<>ABSwitchLastCommand)

then

begin

if MainTrkLock then

begin

if MemoryFlag then

begin

MemoryFlag := False;

MemoryTime := 0;

end;

AutoTrkManage;

end

else

begin

MemoryFlag := True;

if MemoryTime < 40 then

MemoryTime := MemoryTime + 1

else

AcuSetStandbyMode;

end

end

end

根據設備操作實際和記盤數據分析，切換過程時間不超過1秒，因此在代碼中設定記憶時間持續1 s，即40個周期。這段時間內，天線保持轉記憶跟蹤狀態前最后一幀的速度繼續運動，直到ACU將新的速度指令發出，天線退出記憶跟蹤。由于在跟蹤動態目標時，天線是變加速或變減速運動，記憶跟蹤方法在天線低速運動時，對目標的跟蹤影響不大，但當天線為高仰角、高速度運動時，天線每一幀的速度變化都會增大，記憶跟蹤相對目標實際運動軌跡的偏離度就會大幅增加，針對這種情況，還可以在記憶跟蹤的基礎上使用差分疊加法進行平滑處理。

2.3 差分疊加法

差分疊加法基于差分法[7]，即在記憶跟蹤的過程中，對天線速度指令進行平滑處理，防止天線出現較大階躍的一種方式。當數字引導數據有效時，ACU根據數字引導角度數據進行實時數引速度的計算。ACU的數據采樣頻率為20 Hz，當采集到第N幀數引數據時，ACU對第N幀和第(N-1)幀數引數據作差，得到一階差分處理結果，轉化為電壓值，疊加到記憶跟蹤的第N幀速度指令中。由于記憶跟蹤時速度指令保持不變，疊加處理后的速度指令近似真實指令，可以使天線的運動狀態近似于主跟蹤狀態。

3 平穩切換方法的實驗驗證

利用該測量船上搭載的某測控天線進行試驗驗證，在ACU處操控天線，監控計算機進行數據狀態記錄。

3.1 雙機切換存在“階躍”

采用原代碼，利用目標模擬器模擬某航天器最高仰角為50°左右的飛行彈道。為保證設備安全，在彈道的俯仰角10°以下隨機選取某一時刻，進行雙機切換，發現誤差電壓產生較大值，存在明顯階躍現象。選取監控計算機部分記盤數據，如表1所示。

由表1可以看出，切換過程中ACU狀態為待機，驅動失去對天線的控制，天線處于慣性運動狀態，切換時間最短為450ms，最長為550 ms，即在18～22個發送周期之間，遠超過驅動保持速度指令的時間。

表1 原代碼操作后監控計算機部分記盤數據

分析跟蹤弧段中切換過程，如圖5、圖6所示。

圖5 原程序運行時，雙機切換過程方位誤差電壓圖和方位角度變化圖

圖6 原程序運行時，雙機切換過程俯仰誤差電壓圖和俯仰角度變化圖

從表1、圖5和圖6中可以看出，選取數據中第36點至第45點為切換過程。此過程中由于天線處于慣性失控狀態，天線偏離角度較大，導致誤差電壓也產生了較大變化，切換完成后，由于慣性作用，天線還會繼續偏開一定角度，并存在超調現象，其方位、俯仰的誤差電壓分別變化約0.8 V和1 V，方位、俯仰角度分別變化大約0.1°和0.12°，雖然小于S波段天線的半波束寬度，但已經逼近了C波段天線的半波寬度，甚至超過了X波段天線的半波寬度，不能穩定跟蹤目標，天線速度提高后，其變化幅度會大幅增加，從而增加了天線的運行風險。

3.2 平穩切換實現

在雙機切換的代碼中只采用記憶跟蹤命令替代原先的待機命令，不增加差分疊加的效果，利用目標模擬器回放上節內容中的跟蹤弧段。在相似的切換試驗弧段，進行雙機切換操作，過程中可以發現階躍基本消失，誤差電壓變化在正常范圍內。選取監控計算機部分記盤數據，如表2所示。

由表2可以看出，切換過程中ACU狀態為記憶跟蹤，驅動持續對天線進行速度控制，天線處于正常運動狀態。

分析記錄數據，可得圖7和圖8。

圖8 新程序運行時，雙機切換過程俯仰誤差電壓圖和俯仰角度變化圖

同樣選取數據中第36點至第45點為切換過程，由表 2、圖 7、圖 8中可以看出，此過程中由于天線處于記憶跟蹤狀態，天線保持的運動速度不變，由于天線整體運動速度不快，因此天線重新轉為主跟蹤狀態時，天線偏離角度很小，誤差電壓變化也不大，方位最大誤差電壓變化不超過0.08 V，俯仰基本與正常的誤差電壓波動相同，方位和俯仰的變化基本與正常變化無異，幅度在C波段和X波段天線的半波寬度內，天線平穩過渡完成，且具有良好的穩定性。

對比圖 5～圖8，可以看出，切換過程相同的情況下，圖 7(a)和圖 8(a)中的方位、俯仰誤差電壓的變化明顯分別遠小于圖 5(a)和圖 6(a)中的誤差電壓變化量，角度變化趨勢與誤差電壓相同，證明方法改進初步成功。

3.3 差分疊加法效果驗證

考慮到高仰角弧段雙機切換的可靠性，采用修改后的程序，增加差分疊加法平滑處理，并進行效果驗證。利用目標模擬器模擬上一節中相同彈道進行檢驗，在確保安全的前提下，選擇在天線仰角運動到20°左右進行試驗。

首先不增加差分疊加法，由記盤數據分析可知，當天線俯仰角度在20°左右時，若不利用差分疊加法，天線在切換過程中的運動軌跡與模擬軌跡相比出現了較大角度偏差，偏差值在0.4°左右，天線發生較大階躍，險些造成天線失去控制，危及天線安全。

若采用差分疊加法進行平滑處理，經過試驗，俯仰角度在20°左右時，切換過程中的天線的角度變化基本與正常運行無異，天線過渡平穩，安全有效。進一步選擇俯仰角度在40°左右時進行切換，天線運行情況良好，雖然誤差電壓存在小幅度波動，但主要原因在于高仰角時目標動態滯后的存在，會影響天線的跟蹤狀態。試驗結果表明，差分疊加法效果良好。

5 結束語

針對當前ACU雙機切換只能在天線待機狀態下進行，導致在跟蹤目標過程中切換主、備機會造成天線較大階躍的問題，分析了跟蹤環路及雙機切換工作原理，得出產生階躍的原因是由于切換過程中ACU發送給驅動的速度指令會因為待機命令而變為零，且持續時間較長，致使驅動對天線失去控制，進而提出用記憶跟蹤命令替代原程序中的待機命令，并在記憶跟蹤的基礎上進行差分平滑處理。

結果表明：

1)在低仰角情況下，即使不用差分平滑處理，記憶跟蹤也可以有效避免天線的大幅度階躍，其誤差電壓變化量不超過0.08 V，效果良好；

2)若需要在高仰角、高動態條件下也能夠進行平穩切換，則必須進行差分平滑處理，結果表明，即使存在目標動態滯后的影響，也可以使天線實現平穩過渡，效果良好；

3)改進后的程序同時可以滿足船載S、C、X三個頻段天線的跟蹤要求，增強了雙機熱備的效能，極大提高了船載伺服動態跟蹤的穩定性；

4)改進后的方法也可以運用到光學跟蹤環路、引導天線跟蹤環路、數字引導環路以及互引導環路中，使天線可以在任何工作模式下都能進行雙機切換，提升設備的可靠性。

對于此項改進，受限于實際操作中，若真正出現在線ACU故障無法發出速度指令甚至天線失控的情況，還是需要崗位人員進行判斷后進行操作，其判斷時間不可控，存在巨大的風險隱患。對此，后續研究中可以考慮用電腦進行故障判斷，建立相應的故障檢測點，實現ACU雙機切換的自動化實現，避免人工操作帶來的不確定性和不準確性，此項工作對于海上航天測控具有重要發展前景。