船载通信天线控制系统的稳定性设计

为了完成远洋航天测控和通信业务，大型精密跟踪天线要安装在测控和通信测量船上。由于船体受海浪影响，而发生随机性摇摆(横摇、纵摇、偏航)会使天线视轴晃动，容易造成窄波束天线跟踪性能下降，甚至造成丢失目标。为准确跟踪目标，减小载体运动给天线跟踪带来的扰动，需建立一套抗扰动稳定系统，使天线输出视轴隔离船体扰动而稳定在惯性空间坐标系。保证系统的跟踪能力和跟踪性能的要求。

　　为了有效实现抗扰动功能，传统的方案上需要同时采用多模式补偿，利用至少6个速率陀螺检测船体的三维扰动信息和天线主动的旋转信息，根据天线三轴(方位轴、俯仰轴、横切轴)结构，结合前馈开环补偿和反馈闭环补偿，实现对扰动的隔离。方案设计复杂、陀螺使用量大且冗余度不够。

　　1 船体三维扰动对三轴天线视轴的影响

　　三轴天线系统(横切轴C、方位轴A、俯仰轴E)，是在传统的A-E型座架基础上，在俯仰轴上叠加与之垂直的横切轴，横切轴垂直于电轴。当俯仰角E=0°时，横切轴与方位轴重合；当俯仰角E=90°时，横切轴与方位轴垂直。

　　当船体以角速度矢量ωz=(ωpωyωh)表示扰动。其中：ωy为船横摇速度，ωp为船纵摇速度，ωh为船航向速度。船摇参数的变化转换到横倾轴、方位轴、俯仰轴的速度分量，如图1所示。设ωRE为船摇附加的方位速度，ωRC为船摇附加的横倾速度，ωRE为船摇附加的俯仰速度甲板坐标系：OXc为船艏艉线，艏为正，OYc为垂直甲板平面，向上为正，OZc按右手规确定。

　　由图l(a)可得：

　　当A=0°时，纵摇速度为ωp=0，只有横摇量ωy；当A=90°时，横摇速度为ωy=0，只有纵摇量ωp。在天线主动驱动和载体扰动的共同作用下，天线各轴的总的旋转速度为：

　　式(2)～式(4)是船体三维扰动在天线三轴上的反映，伺服控制系统可以采用开环补偿消除其对天线跟踪的影响。式(5)～式(7)是天线三轴在惯性空间总的转动信息，伺服控制系统可以采用闭环方式消除其对天线跟踪的影响。因此，设法正确测量出这些信息，并采取合适的控制模式，抑制扰动使天线快速、稳定跟踪目标是伺服系统抗扰动设计的核心。

　　2 抗扰动设计

　　船摇扰动是作为一种干扰信号引入伺服系统，稳定控制的原理就是检测这种干扰，采取闭环或开环方式降低或消除其影响。扰动隔离方法主要有：速率陀螺前馈补偿、速率陀螺反馈控制、复合控制等方法。由于陀螺闭环控制本质上是误差调整方式。陀螺测量出的是综合扰动信息，无法区分扰动信息分量和随动信息分量。所以陀螺环路在对扰动信息进行抑制的同时，也对天线的主动运动进行动态抑制，降低了系统的响应速度，同时使系统的稳定性变差。相对而言，前馈补偿是开环调整方式，测量出的就是扰动信息，把此信息加入速度环的输入端，使天线轴以与船摇相反的速度转动，起到补偿作用。同时，由于不改变跟踪环路的结构和参数，使系统的带宽不受影响、环路的稳定性好。

　　2．1 补偿原理

　　前馈补偿的方法是使天线向与扰动相反的方向转动，以克服扰动的影响。依据上述三维扰动在天线三轴上的反映，合理设计陀螺的安装位置，使之感应出船摇引起的天线三轴相对于惯性空间的运动速度，把这种运动速度作为对天线的扰动，加入速度环的输入端，使天线轴转动与船摇方向相反、大小相等的速度量，起到抑制作用。

　　2．2 控制实现

　　天线跟踪设备的三轴稳定控制采用测速机作为速度反馈，编码器作为位置反馈，并将船摇扰动经速率陀螺检测前馈于速度回路。工作原理框图如图2所示。

　　图2中，K1W1为位置回路校正控制传递函数；K2W2为速度回路闭环传递函数，F(S)为补偿通道传递函数，系统传递函数为：

　　由式(8)可知：回路跟随能力是由项决定，而船摇扰动消除能力由项决定。从第二项可以看出消除船摇扰动的电机驱动角速度量由两部分组成，一是惯性空间中视轴被扰动的当前角速度(目标静止)。二是由补偿回路给出的当前时刻扰动量通过速度回路给出的电机驱动角速度。

依据完全不变性原理，当(1+F(S)K2W2)ωf，即F(s)=-1／K2W2时，实现对船摇扰动的完全隔离，即满足这个条件时，不论扰动量ωf为多大，对输出无影响。可是，速度回路K2W2中含有积分环节、惯性环节、二阶环节，如果要实现完全的不变性，必然F(S)中要具有许多个微分环节，这样 F(S)的输出将充满噪声，使系统根本无法工作。但是实现局部的不变性是可能的。即用低阶微分代替高阶