船載角跟蹤系統船搖模擬器設計*

蘭宏志

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

艦船在海洋中航行會受到海洋氣象環境的影響發生搖蕩，如果能夠依據航海數據分析建模，模擬艦船等設備在受到風浪等海洋氣象環境影響時船身發生搖蕩對角跟蹤系統的影響，并在系統設計中預先采取相應措施加以應對，提前驗證并改善系統的適應能力，可以有效規避真實場景下不希望出現的情況[1]。如何逼真地模擬復雜海洋環境中發生船搖時對角跟蹤系統性能的影響，已公開的資料很少見到相關論述，市面上也很少見到相關產品。

本文根據橫搖、縱搖、艏搖等船搖信息建模，設計了一種船載角跟蹤系統模擬器，通過對無船搖影響的位置矢量進行歐拉角旋轉，求得受船搖影響的位置矢量，再利用矩陣變換解算出受船搖因素影響的仿真參數，實現船載角跟蹤系統模擬器對船搖的模擬。

1 船載角跟蹤系統船搖模擬的原理及組成

1.1 模擬船搖的原理

角跟蹤系統的機理是，天線饋源輸出的和差信號幅度差反應了天線指向與目標之間的角度差，船載設備會因船體的搖蕩影響天線與目標的對準[2]。船載角跟蹤系統模擬器接收操作界面輸入、預存經驗數據或者從陀螺儀實時送來的船搖信息[3]，根據歐拉角旋轉求出受船搖影響的仿真參數，通過數控衰減器及相位調節器按天線方向圖來控制和差信號的幅度(功率)和相位，模擬產生在船搖影響下天線指向與目標之間的角度差對應的和路與差路信號之間的幅度及相位關系，也即模擬天伺饋產生的和差信號，從而模擬船搖對其跟蹤性能的影響，其原理框圖如圖1所示。

圖1 船載角跟蹤系統船搖模擬器組成及原理框圖

1.2 船搖模擬器組成

船載角跟蹤系統船搖模擬器由模擬監控軟件和角跟蹤系統模擬器硬件組成，如圖1所示。模擬監控軟件根據船載角跟蹤系統模擬器操作界面輸入、預存經驗數據錄入或者從陀螺儀實時接收的船搖信息進行坐標轉換，把大地系軌道數據轉換為甲板系軌道數據，將船搖影響疊加進模擬軌道數據中，求得受影響的距離、速度、方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度及功率等仿真數據，實時控制角跟蹤系統模擬器硬件單元，使船載角跟蹤系統模擬器以甲板系模擬的數據始終對應以大地系為參考的軌道數據，實現船搖模擬。

2 船搖模擬建模

2.1 無船搖影響的軌道參數

(1)

圖2 R0與A0、E0的關系

用矩陣表示為

(2)

對r0求導得到航天器在未考慮船搖時甲板坐標系下的速度矢量v0，即

(3)

設

2.2 有船搖影響的軌道參數

若考慮船搖的影響，設βS為艏搖、θS為橫搖、αS為縱搖，將航天器無船搖的位置向量r0=(RX0,RY0,RZ0)T進行歐拉角旋轉，得到航天器在船搖影響下的位置向量rS=(RXS,RYS,RZS)T。

用矩陣描述為

(4)

(5)

(6)

T=TθTαTβ，

(7)

(8)

rS=Tr0。

(9)

根據位置向量rS=(RXS,RYS,RZS)T，可計算出船搖影響下需模擬的徑向距離RS、方位角AS、俯仰角ES分別為

(10)

(11)

(12)

根據某時刻航天器相對于測量船的徑向距離RS，自由空間損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成反比，可計算信號自由空間損耗LS為

(13)

式中：LS徑向距離RS以m為單位，頻率f以Hz為單位。

3 船搖模擬設計及工程實現

艦船在大海中航行會受到不同海況的影響，發生不同程度的搖蕩，一般以橫蕩、縱蕩、垂蕩、艏搖、縱搖、橫搖等6個自由度來描述，且搖和蕩總是同時發生的[4]。先行經驗表明橫蕩、縱蕩、垂蕩對船載角跟蹤系統跟蹤性能影響較小，工程上通常以艏搖、縱搖、橫搖3個參數來描述海況對船載角跟蹤系統跟蹤性能的影響。船搖模擬器受影響的相關要素主要體現在和差信號功率及相位兩個方面。

3.1 船搖影響下的和差信號功率及相位

3.1.1 和差信號功率變化

模擬器監控軟件根據軌道根數和船搖信息實時計算出某時刻需要模擬的俯仰角ES、方位角AS，從天饋系統天線控制單元(Antenna Control Unit,ACU)接收當前天線指向(Et,At)，計算得到俯仰角度差ΔE和方位角度差ΔA，即

(14)

角跟蹤性能模擬時，根據角跟蹤天線和方向圖F∑(E,A)、俯仰差方向圖FΔE(E,A)和方位差方向圖FΔA(E,A)，推算得到以dB為單位的和路、差路俯仰、差路方位信號的天線增益值G∑(ΔE,ΔA)、GΔE(ΔE,ΔA)及GΔA(ΔE,ΔA)。

若航天器發射的下行信號功率為Pt，則該下行信號經過自由空間損耗及地面角跟蹤天線后，到達測量船的和路信號功率P∑、差路俯仰信號功率PΔE、差路方位信號PΔA分別為

(15)

模擬器的主要功能都是在中頻后的數字信號上實現的[5]，動態范圍內的下行輸入信號通過模擬器信道變頻、自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)放大到AD采樣前，已是功率恒定的中頻信號，假設其功率為PI，和差支路歸一化增益為K0,以中頻信號功率PI為基準，由增益值換算成和差路信號衰減值，通過控制和差支路的數控衰減器調節和差路信號幅度，模擬產生和路信號功率P∑、差路俯仰信號功率PΔE、差路方位信號功率PΔA。

模擬和差信號支路的數控衰減量按下式計算：

(16)

式中：a∑、aΔE、aΔA分別為模擬和路、差路俯仰、差路方位信號的數控衰減量。根據式(14)、(16)設計角度差對應衰減值的查找表，用受船搖影響的目標軌道方位角、俯仰角與當前天線指向之間的角度差訪問查找表，控制和差支路的功率按照對應的方向圖變化，產生模擬的角跟蹤信號。

3.1.2 和差信號相位

為了模擬角跟蹤系統可能出現的相位異常或者不同極性的反饋環路，模擬器設置相位調節環節。一般角度正偏模擬輸出負的誤差電壓，對于俯仰差和方位差信號模擬支路的0/π移相值而言，若方位誤差角ΔA>0或俯仰誤差角ΔE>0，則方位支路相位調節器φΔA=0或俯仰支路相位調節器φΔE=0；若ΔA<0或ΔE<0，則φΔA=π或φΔE=π。反之，若角度正偏模擬輸出正的誤差電壓，當方位誤差角ΔA>0或ΔE>0時，方位支路相位調節器φΔA=π或俯仰支路相位調節器φΔE=π；若ΔA<0或ΔE<0，則φΔA=0或φΔE=0。

角跟蹤模擬監控軟件按一定模擬時間間隔Tsamp計算角跟蹤模擬控制參數，數據更新時間一般為50 ms(即速率20次/秒)。為了模擬曲線更加平滑，可以根據擬合數據或者按照某種規則(例如拉格朗日插值法)插值，使模擬時間間隔更小，以提高跟蹤精度，便于跟蹤系統快速收斂。

3.2 船搖模擬器工程實現

工程上按圖1所示的原理設計船搖模擬器，實現船搖模擬。船搖模擬方式有手動模擬、理論軌道模擬、加載特定軌道模擬、軌道根數換算成仿真參數模擬等[6]，根據船搖信息與導調系統實時發送的(或者本地預存的)軌道數據解算，生成受船搖影響的仿真參數(距離、速度、方位角、俯仰角、俯仰角速度、方位角速度、功率等)，實時求出需要仿真的天線角度與當前天線指向角度的差值(俯仰角度差、方位角度差)；利用角度差訪問按實際天線方向圖預先設計的角度差對應和差相位及衰減值查找表，控制角跟蹤模擬單元按照和差方向圖所描述的特性進行相位和功率變化，即可產生和、差兩路信號進行角跟蹤特性模擬，其仿真參數實時反映了船搖信息對系統跟蹤性能的影響。

船載角跟蹤系統模擬器監控軟件根據第2節船搖模擬建模，計算出船搖影響下的航路數據，如圖3和圖4所示。

圖3 軌道根數計算

圖4 帶船搖的航路數據

通過B碼統一系統時間，可以進行時間符合模擬。軌道根數解算生成受船搖影響的仿真參數帶有時標，有多個可以開始模擬的起始點(出地平線時刻)T0。挑選某個T0與當前B碼時間比較，如果當前B碼時間與T0剛好吻合，立即啟動模擬開始；如果當前B碼時間還未到T0時刻，等待B碼時間到達T0時刻，立即啟動模擬開始；如果當前B碼時間已過T0時刻，自動搜索本模擬段中與當前時刻對應的時間點的數據開始模擬。

4 試驗驗證

船載角跟蹤系統船搖模擬器參加船載系統全系統驗證試驗，先用理論軌道對角跟蹤系統校相，標校角誤差靈敏度和誤差電壓極性;系統標校完成后，天線置仿真軌道起始模擬點，運行仿真軌道開始模擬，按第2節所述船搖模擬方法多次進行全系統試驗，分別在有無船搖及是否采取對應隔離措施的情況下比對試驗，其跟蹤性能模擬效果如圖5～7所示。

圖5 模擬角跟蹤性能受船搖影響示意圖

圖6 隔離船搖時角跟蹤性能模擬實測圖

圖7 未隔離船搖時角跟蹤性能模擬實測圖

試驗結果表明，加船搖模擬后未進行船搖隔離補償對消，其跟蹤系統反復振蕩，無法收斂，跟蹤性能模擬效果示意圖如圖5中黑色虛線所示；進行船搖模擬，在系統中進行相應的船搖隔離補償對消，角跟蹤系統能快速收斂，跟蹤性能模擬效果示意圖如圖5中藍色實線所示。

圖6和圖7是船載角跟蹤系統船搖模擬器進行船搖模擬時，系統是否采取船搖隔離補償對消措施角跟蹤系統性能模擬實測效果圖。

5 結束語

本文通過船搖模擬方法建模、模擬器設計及在船載系統上全系統試驗，對船載角跟蹤系統模擬器模擬船搖方法進行探討，分析驗證了船搖中艏搖、縱搖、橫搖等對船載角跟蹤系統的影響及對消措施。由對比試驗可知，對無船搖影響的位置矢量進行歐拉角旋轉，求得受船搖影響的位置矢量，再利用矩陣變換解算出受船搖因素影響的仿真參數，實現船載角跟蹤系統模擬器對船搖的模擬，能夠比較逼真地反映船載角跟蹤系統在真實場景中的狀況，有效驗證船載角跟蹤系統受船搖的影響及對消措施的可行性。

但艦船在大海中受海洋氣候條件的影響狀況復雜，一般以橫蕩、縱蕩、垂蕩、艏搖、縱搖、橫搖等6個自由度來描述，建立發生搖蕩的全面仿真模型比較困難，筆者目前只探討了船搖中的艏搖、縱搖、橫搖3個自由度對船載設備跟蹤性能的影響，但橫蕩、縱蕩、垂蕩疊加一些不規則運動等對跟蹤性能的影響及其模擬方法需要進一步研究。