船載通信天線系統(tǒng)的抗擾亂設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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

　　為了有效實(shí)現(xiàn)抗擾動(dòng)功能，傳統(tǒng)的方案上需要同時(shí)采用多模式補(bǔ)償，利用至少6個(gè)速率陀螺檢測(cè)船體的三維擾動(dòng)信息和天線主動(dòng)的旋轉(zhuǎn)信息，根據(jù)天線三軸(方位軸、俯仰軸、橫切軸)結(jié)構(gòu)，結(jié)合前饋開環(huán)補(bǔ)償和反饋閉環(huán)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的隔離。方案設(shè)計(jì)復(fù)雜、陀螺使用量大且冗余度不夠。

　　1 船體三維擾動(dòng)對(duì)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(chǔ)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(dāng)俯仰角E=0°時(shí)，橫切軸與方位軸重合;當(dāng)俯仰角E=90°時(shí)，橫切軸與方位軸垂直。

　　當(dāng)船體以角速度矢量ωz=(ωpωyωh)表示擾動(dòng)。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(zhuǎn)換到橫傾軸、方位軸、俯仰軸的速度分量，如圖1所示。設(shè)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(biāo)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(dāng)A=0°時(shí)，縱搖速度為ωp=0，只有橫搖量ωy;當(dāng)A=90°時(shí)，橫搖速度為ωy=0，只有縱搖量ωp。在天線主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和載體擾動(dòng)的共同作用下，天線各軸的總的旋轉(zhuǎn)速度為：

　　式(2)～式(4)是船體三維擾動(dòng)在天線三軸上的反映，伺服控制系統(tǒng)可以采用開環(huán)補(bǔ)償消除其對(duì)天線跟蹤的影響。式(5)～式(7)是天線三軸在慣性空間總的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，伺服控制系統(tǒng)可以采用閉環(huán)方式消除其對(duì)天線跟蹤的影響。因此，設(shè)法正確測(cè)量出這些信息，并采取合適的控制模式，抑制擾動(dòng)使天線快速、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)是伺服系統(tǒng)抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)的核心。

　　2 抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)

　　船搖擾動(dòng)是作為一種干擾信號(hào)引入伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定控制的原理就是檢測(cè)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(dòng)隔離方法主要有：速率陀螺前饋補(bǔ)償、速率陀螺反饋控制、復(fù)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(cè)量出的是綜合擾動(dòng)信息，無法區(qū)分?jǐn)_動(dòng)信息分量和隨動(dòng)信息分量。所以陀螺環(huán)路在對(duì)擾動(dòng)信息進(jìn)行抑制的同時(shí)，也對(duì)天線的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。相對(duì)而言，前饋補(bǔ)償是開環(huán)調(diào)整方式，測(cè)量出的就是擾動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，起到補(bǔ)償作用。同時(shí)，由于不改變跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)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(bǔ)償原理

　　前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ鞘固炀€向與擾動(dòng)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以克服擾動(dòng)的影響。依據(jù)上述三維擾動(dòng)在天線三軸上的反映，合理設(shè)計(jì)陀螺的安裝位置，使之感應(yīng)出船搖引起的天線三軸相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)速度，把這種運(yùn)動(dòng)速度作為對(duì)天線的擾動(dòng)，加入速度環(huán)的輸入端，使天線軸轉(zhuǎn)動(dòng)與船搖方向相反、大小相等的速度量，起到抑制作用。