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。