船載通信天饋系統(tǒng)的抗干擾設計

　由于船體受海浪影響，而發(fā)生隨機性搖擺(橫搖、縱搖、偏航)會使天線視軸晃動，容易造成窄波束天線跟蹤性能下降，甚至造成丟失目標。為準確跟蹤目標，減小載體運動給天線跟蹤帶來的擾動，需建立一套抗擾動穩(wěn)定系統(tǒng)，使天線輸出視軸隔離船體擾動而穩(wěn)定在慣性空間坐標系。保證系統(tǒng)的跟蹤能力和跟蹤性能的要求。

　　為了有效實現(xiàn)抗擾動功能，傳統(tǒng)的方案上需要同時采用多模式補償，利用至少6個速率陀螺檢測船體的三維擾動信息和天線主動的旋轉信息，根據(jù)天線三軸(方位軸、俯仰軸、橫切軸)結構，結合前饋開環(huán)補償和反饋閉環(huán)補償，實現(xiàn)對擾動的隔離。方案設計復雜、陀螺使用量大且冗余度不夠。

　　1 船體三維擾動對三軸天線視軸的影響

　　三軸天線系統(tǒng)(橫切軸C、方位軸A、俯仰軸E)，是在傳統(tǒng)的A-E型座架基礎上，在俯仰軸上疊加與之垂直的橫切軸，橫切軸垂直于電軸。當俯仰角E=0°時，橫切軸與方位軸重合;當俯仰角E=90°時，橫切軸與方位軸垂直。

　　當船體以角速度矢量ωz=(ωpωyωh)表示擾動。其中：ωy為船橫搖速度，ωp為船縱搖速度，ωh為船航向速度。船搖參數(shù)的變化轉換到橫傾軸、方位軸、俯仰軸的速度分量，如圖1所示。設ωRE為船搖附加的方位速度，ωRC為船搖附加的橫傾速度，ωRE為船搖附加的俯仰速度甲板坐標系：OXc為船艏艉線，艏為正，OYc為垂直甲板平面，向上為正，OZc按右手規(guī)確定。

　　由圖l(a)可得：

　　當A=0°時，縱搖速度為ωp=0，只有橫搖量ωy;當A=90°時，橫搖速度為ωy=0，只有縱搖量ωp。在天線主動驅動和載體擾動的共同作用下，天線各軸的總的旋轉速度為：

　　式(2)～式(4)是船體三維擾動在天線三軸上的反映，伺服控制系統(tǒng)可以采用開環(huán)補償消除其對天線跟蹤的影響。式(5)～式(7)是天線三軸在慣性空間總的轉動信息，伺服控制系統(tǒng)可以采用閉環(huán)方式消除其對天線跟蹤的影響。因此，設法正確測量出這些信息，并采取合適的控制模式，抑制擾動使天線快速、穩(wěn)定跟蹤目標是伺服系統(tǒng)抗擾動設計的核心。

　　2 抗擾動設計

　　船搖擾動是作為一種干擾信號引入伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定控制的原理就是檢測這種干擾，采取閉環(huán)或開環(huán)方式降低或消除其影響。擾動隔離方法主要有：速率陀螺前饋補償、速率陀螺反饋控制、復合控制等方法。由于陀螺閉環(huán)控制本質(zhì)上是誤差調(diào)整方式。陀螺測量出的是綜合擾動信息，無法區(qū)分擾動信息分量和隨動信息分量。所以陀螺環(huán)路在對擾動信息進行抑制的同時，也對天線的主動運動進行動態(tài)抑制，降低了系統(tǒng)的響應速度，同時使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。相對而言，前饋補償是開環(huán)調(diào)整方式，測量出的就是擾動信息，把此信息加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸以與船搖相反的速度轉動，起到補償作用。同時，由于不改變跟蹤環(huán)路的結構和參數(shù)，使系統(tǒng)的帶寬不受影響、環(huán)路的穩(wěn)定性好。

　　2.1 補償原理

　　前饋補償的方法是使天線向與擾動相反的方向轉動，以克服擾動的影響。依據(jù)上述三維擾動在天線三軸上的反映，合理設計陀螺的安裝位置，使之感應出船搖引起的天線三軸相對于慣性空間的運動速度，把這種運動速度作為對天線的擾動，加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸轉動與船搖方向相反、大小相等的速度量，起到抑制作用。

　　2.2 控制實現(xiàn)

　　天線跟蹤設備的三軸穩(wěn)定控制采用測速機作為速度反饋，編碼器作為位置反饋，并將船搖擾動經(jīng)速率陀螺檢測前饋于速度回路。工作原理框圖如圖2所示。

　　圖2中，K1W1為位置回路校正控制傳遞函數(shù);K2W2為速度回路閉環(huán)傳遞函數(shù)，F(xiàn)(S)為補償通道傳遞函數(shù)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

　　由式(8)可知：回路跟隨能力是由項

決定，而船搖擾動消除能力由項

決定。從第二項可以看出消除船搖擾動的電機驅動角速度量由兩部分組成，一是慣性空間中視軸被擾動的當前角速度(目標靜止)。二是由補償回路給出的當前時刻擾動量通過速度回路給出的電機驅動角速度。

　　依據(jù)完全不變性原理，當(1+F(S)K2W2)ωf，即F(s)=-1/K2W2時，實現(xiàn)對船搖擾動的完全隔離，即滿足這個條件時，不論擾動量ωf為多大，對輸出無影響?？墒?，速度回路K2W2中含有積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)，如果要實現(xiàn)完全的不變性，必然F(S)中要具有許多個微分環(huán)節(jié)，這樣 F(S)的輸出將充滿噪聲，使系統(tǒng)根本無法工作。但是實現(xiàn)局部的不變性是可能的。即用低階微分代替高階微分，并使其系數(shù)滿足某種條件，從而滿足系統(tǒng)精度的要求。

　　實際使用中，合理選擇前饋補償系數(shù)，使前饋回路最大化的消除當前擾動，在此基礎上結合環(huán)路的跟隨能力，有效的消除視軸的偏差，實現(xiàn)高精度跟蹤。因此，前饋回路起到粗調(diào)節(jié)的作用，而位置跟蹤回路則可稱為精調(diào)節(jié)。

　　2.3 工程應用

　　2.3.1 安裝與測量

　　采用3個速率陀螺測量出因船體搖擺引起的附加在方位軸、橫傾軸和俯仰軸方向的速度，用于開環(huán)補償。

　　俯仰陀螺安裝在方位轉臺上，敏感軸與天線的俯仰軸平行，陀螺隨方位軸運動，敏感不到方位軸的旋轉、俯仰軸的旋轉、船體的航向速率等，它敏感的是船體的橫搖、縱搖速率，如式(2)所示，可直接對俯仰軸進行開環(huán)前饋補償。

　　分析橫傾軸的擾動(式(3))和方位軸的擾動(式(4))，無法用一只陀螺直接測量到，可用間接的方法獲得。用2只陀螺分別測量cosAωy+s- inAωp和ωh，根據(jù)俯仰角E用數(shù)學的方法得到式(3)和式(4)。這樣，測量ωh分量的速率陀螺安裝在方位底座(不隨方位軸轉動)，其敏感軸與方位軸平行，輸出主要為船體的航向速率信息。測量cosAωy+sinAωp分量的速率陀螺安裝在方位轉盤上(隨方位軸轉動)，其敏感軸與橫傾軸平行。

　　2.3.2 測試與分析

　　某船載三軸天線控制系統(tǒng)采用抗擾動設計。在海上進行搖擺實驗，在典型海況參數(shù)(搖擺振幅±6°，搖擺周期12s)下。天線指向衛(wèi)星自跟蹤，轉動船的航向，使船升搖時測量俯仰軸的船搖隔離度。這時天線方位角轉至90°或270°;測量橫傾軸的船搖隔離度，使天線方位角轉至0°或180°。隔離度測試結果如圖 3所示。圖中，曲線系列1表示加前饋跟蹤數(shù)據(jù);曲線系列2表示無前饋跟蹤數(shù)據(jù)。測試結果為：船搖隔離度為46.4 dB;跟蹤精度為0.031°。由以上數(shù)據(jù)分析，可以得出開環(huán)補償方案完全滿足系統(tǒng)設計的性能指標要求。

　　3 結束語

　　前饋補償并未改變原閉環(huán)系統(tǒng)的極點和閉環(huán)零點。因此，不會影響系統(tǒng)的伺服帶寬和穩(wěn)定性。工程使用時融合了前饋補償和反饋控制的應用，在保證功能、性能的同時，簡化系統(tǒng)、提高設備的可靠性和使用壽命，實際使用效果顯著。