第28卷 第3期
2009年6月 飞行器测控学报Journal of Spacecraft TT&C Technology Vol.28 No.3Jun.2009
舰载遥测设备伺服跟踪视轴稳定方法研究*
鲍 珊,姜素萍
( 91550部队·辽宁大连·116023 )
摘 要:论述了舰船摇摆对视轴稳定的影响,给出了由于舰船摇摆所引起的视轴附加角速度公式;分析了陀螺稳定
回路的性能,给出了数学模型。所采用的视轴稳定方法,经过海上试验,船摇隔离度满足技术指标的要求。
关键词:视轴稳定;陀螺环;隔离度
中图分类号:V556文献标识码:A文章编号:1674-5620(2009)03-0026-04
Study on Line of Sight Stabilization of Servo System for
Shipborne Telemetry Tracking Equipment
BAO Shan,JIANG Su-ping
(PLA Unit 91550, Dalian,Liaoning Province 116023)
Abstract:The influence of swinging ship to line of sight is discussed theoretically based on the actual situation of the
shipborne telemetry tracking equipment. The expressions of line of sight angle-added velocity induced by ship-swa-
ying are introduced.The property of gyroscope stabilization loop is analyzed and a mathematical model is built. The
line of sight stabilization method discussed in the paper is tested on the sea. Degree of isolating is fit for the require-
ment of the design scheme.
Keywords:Line of Sight Stabilization; Gyroscope Stabilization Loop;Degree of Isolating
0 概 述
舰载遥测设备在海上跟踪空中或海上飞行目标
时,是一个动基座的目标跟踪问题。舰在海上工作
的时候,风浪、流的作用产生的横摇、纵摇、艏摇、升沉
等运动,使设备视轴相对目标产生大的角度晃动,如
果不采取稳定措施,天线就无法跟踪目标,同时也影
响测量精度[1]。因此,测控设备的视轴稳定问题成为
海上测量的一个关键。在试验中,需要天馈系统实时
对导弹进行跟踪测量,速率陀螺实时提供舰体横摇角
度、纵摇角度、航向、航速等,伺服系统进行处理并实
时修正补偿天控器的控制信号,以一定的控制规律驱
动接收天线准确地对准目标,实现对目标的跟踪。
1 舰体摇摆对视轴稳定的影响
由于船体长,纵摇引起的艏艉升沉虽然很大,但
纵摇角度值与横摇比并不大,对遥测设备跟踪影响
最大的是横摇。此外,因纵摇的摇摆力矩非常大,实
际上纵向减摇的问题很难解决。船摇对视轴跟踪目
标产生以下两方面的影响:一是船摇的幅度一般都
在几度,若天线不能很好地克服船摇影响,就会丢失
目标;二是有弹道测量功能的设备,角度测量值是由
设备的视轴来量度的,如果天线的伺服系统不能克
服船摇的影响,使目标在视轴两旁晃动,就增加了跟
踪误差,使精度下降。在论述这个问题前,首先应明
确坐标系符号及相关参数的规定。
1.1 大地坐标系与甲板坐
标系
1.1.1 大地坐标系O-xyz
Ox轴指向正东方向;Oy轴指向正北方向;Oz
轴指向天顶方向。A为方位角,指天线的目标视线
(视轴)在水平面的投影与正北的夹角,顺时针为正;
E为俯仰角,指天线的目标视线在水平面的投影与
天线的目标视线的夹角,向上为正;D为斜距,指天
线与目标间的距离。
*收稿日期:2008-11-13;修回日期:2008-12-03
第一作者简介:鲍珊(1977-),女,工程师,研究生,主要从事遥测遥控方面的研究工作。第3期鲍 珊,等:某舰载遥测设备伺服跟踪视轴稳定方法研究
1.1.2 舰船甲板坐标系O-xcyczc
Oyc轴为舰船首尾线,舰首为正;Ozc轴与甲板平
面xcOyc垂直,向上为正;Oxc轴与舰船首尾线垂直,
并与其在同一平面上,右舷为正。α为甲板方位角,指
天线的目标视线在甲板平面的投影与正北的夹角,顺
时针为正;β为甲板俯仰角,指天线目标视线在甲板平
面的投影与天线目标视线的夹角,向上为正;Dc为斜
距,指天线与目标间的距离,Dc与D相等。
大地坐标系与甲板坐标系的建立如图1所示。
图1 大地坐标系与甲板坐标系
1.2 舰船姿态角及正向规定
船上平台罗经提供的船的姿态角,主要有航向
角、纵摇角和横摇角,其符号和方向分别规定为:ψ
为航向角,舰艏艉线Oyc在水平面上的投影Oy1与
正北的夹角(自正北算起,顺时针方向为正);φ为纵
摇角,舰艏艉线(纵轴)Oyc与水平面(上的投影
Oy1)的夹角(舰首抬高为正,在垂直面内测量,为铅
直角);θ为横摇角,舰横轴Oxc与肋骨面水平线
Ox1之间的夹角,(甲板右舷下倾为正,在肋骨面内
测量,不是铅直角)。
1.3 船摇引起的附加角速度
由船摇所引起的天线方位轴和俯仰轴上的角速
度方程[2]为
.α= (.sinθ-.ψcosφcosθ)+tanβ·
[cosα(.ψsin-.θ)-sinα·(.cosθ+.ψsinθcos)]
(1)
.β=sinα(.θ-.ψsin)-cosα·
(.cosθ+.ψsinθcos) (2)
其中 α和β分别是目标在甲板坐标系中的方位角
和俯仰角。
2 伺服跟踪视轴稳定方法
2.1 视轴稳定原理
2.1.1 视轴稳定的定义
视轴稳定所能达到的效果用船摇隔离度来度
量,一般用分贝数表示。船摇隔离度定义为:船摇幅
度与采取稳定措施后天线方位轴和俯仰轴摇摆量之
比,即考虑了整个随动系统对船摇的隔离作用。
由于船体长、纵摇引起的艏艉升沉虽然很大,但
纵摇角度值与横摇角度值相比并不大,对舰载测控
设备跟踪影响最大的是横摇,因此需要解决的问题
主要是克服舰横向摇摆对视轴稳定的影响。
方位轴和俯仰轴的船摇隔离度gA,gE可表示
为
gA=20logθ/ΔA (3)
gE=20logθ/ΔE (4)
其中 θ为舰体横摇幅度。
2.1.2 视轴指向稳定方程
鉴于坐标变化及坐标反变换公式在文献[3]中
己有较为详尽的推导,此处直接引
用结果。
(1)大地坐标到甲板坐标的变换
α=arctancosE[cosθsin(A-ψ)+sinθsincos(A-ψ)]-sinEsinθcoscosEcoscos(A-ψ)+sinEsin(5)
β=arcsin{cosE[sinθsin(A-ψ)-cosθsincos(A-ψ)]+sinEcosθcos} (6)
(2)甲板坐标到大地坐标的变换
A =arctansinβsinθ+cosβcosθsinαcosβcoscosα+sinsinθsinα-sinβsincosθ+ψ(7)
E =arcsin cosβsincosα-cossinθsinα+sinβcoscosθ(8)
2.2 陀螺稳定环自跟踪
陆基跟踪测量设备的伺服系统只有速度回路和
位置回路,而舰载遥测设备因天线口径较大,天线座
较重,为满足隔离船摇的要求,在速度环前端增加了
陀螺环。虽然速率陀螺稳定环自跟踪的稳定精度略
低于积分陀螺稳定方案,但其稳定精度能满足要求,
且可以获得较大的带宽。陀螺稳定环自跟踪原理框
图如图2所示。
2.2.1 陀螺稳定回路的作用和组成
假定天线不跟踪目标,这时天线在空间的指向
27飞行器测控学报第28卷
图2 陀螺稳定环自跟踪原理框图
应该不变。实际上因船摇影响,天线的指向跟着船
摇在晃动,稳定回路的作用是使天线产生一个与船
摇相反方向的运动,保持天线在空间的指向不变。
陀螺稳定回路由3部分组成:速度回路、稳定回
路的校正放大电路及安装在天线上的速率陀螺。速
度回路与陆基设备伺服系统一样,这里作为稳定回
路中的一个环节,是一个近似非周期环节。校正放
大环节是为了使稳定回路达到预期的效果而引入的
环节。陀螺是稳定回路中的敏感元件,直接敏感船
摇引起的天线摇摆速度,将这一速度信息反馈到速
度回路的输入端。
2.2.2 陀螺稳定回路的数学模型
视轴稳定与跟踪控制系统由方位和俯仰两个轴
向的分系统组成,而且这两个分系统控制结构相似,
设计方法相似。稳定回路为数字式回路,下面就以
方位轴的稳定控制为例进行分析。方位稳定回路如
图3所示。
图3 方位稳定回路框图
secE为数字正割补偿。方位陀螺安装时,其敏
感轴与倾斜轴平行,当天线视轴有一个俯仰角E
时,陀螺敏感船摇在方位平面的分量会下降一个余
弦因子cosE,是回路的开环增益下降,为了使开环
增益保持不变,所以要进行正割补偿。在俯仰稳定
回路中则没有这一问题。
D(S)为陀螺稳定回路数字校正放大传递函数
D(S) =250 1+S1.71+S0.371+S0.37
速(S)为速度回路闭环传递函数:速(S)=K速/
[1+T速(S)]=0.06/S(1+S/50)
其中 T速(S)为速度回路开环传递函数;KD/A为D/
A变换系数,12位D/A变换;KA/D为A/D变换系
数,32位A/D变换;1/i为减速箱速比:
1/i =1/450=0.0022
根据系统设计要求,β陀=4.6(V/rad/s)
方位陀螺稳定回路开环传递函数为:W(S)=
D(S)·φ速(S)·1i·β陀=K1+S1.71+S0.37
1+S0.371+S50S
其中 K=250×0.06×0.02
2×4.6=1.518
3 视轴稳定方法海上跟踪试验
3.1 试验条件及性能指标
动态试验海域选择在渤海,让舰载遥测设备跟
踪放在山顶的固定目标。舰以保跟踪10nm/h的速
度航行。由于摇摆,天线总是偏移目标,但伺服系统
本身的跟踪能力可使天线向对准目标的方向运动。
根据海上靶场测控需求和方案设计指标,要求
舰载遥测设备方位轴和俯仰轴的船摇隔离度均达到
30dB以上。
3.2 跟踪试验结果
3.2.1 船摇幅度曲线
图4为海上试验横摇曲线。可见,舰载遥测设
备稳定跟踪目标时,舰摇过程实际是一个窄带随机
过程,相对于控制过程而言,其变化过程很缓慢。
图4 舰横摇幅度曲线
3.2.2 天线轴跟踪误差曲线
系统控制中,发送给伺服系统的误差信号不是
方位轴和俯仰轴的角度误差信息ΔA,ΔE,而是控制
方位轴和俯仰轴的误差电压ΔUA,ΔUE,角度误差
与误差电压之间的关系见式(9)、式(10)。利用伺服
系统的方位轴和俯仰轴输出的误差电压,分别给出
伺服系统采用稳定方案前后的误差电压曲线。
ΔA =ΔUA/K (9)
ΔE =ΔUE/K (10)
28第3期鲍 珊,等:某舰载遥测设备伺服跟踪视轴稳定方法研究
其中 K(V/(°))为空间定向灵敏度,本系统设计
K=5V/(°)。
图5所示为采用视轴稳定方案前后俯仰轴输出
的误差电压。由图可见,未采用稳定方案时俯仰轴
的最大误差电压可达到3V,采用稳定方案后俯仰轴
输出的误差电压最大不超过1V。
图5 采用稳定方案前后俯仰轴误差电压
同样,图6所示为采用视轴稳定方案前后方位
轴输出的误差电压。当采用视轴稳定方案时,同样
减小了舰的摇摆对天线方位轴的影响。可见,未采
用稳定方案时方位轴的最大误差电压可达到1V,而
采用视轴稳定方案后方位轴输出的误差电压最大不
超过0.5V。
图6 采用稳定方案前后方位轴误差电压
3.3 船摇隔离度分析
由船摇隔离度式(3)、式(4)分析可得,在天线方
位轴和俯仰轴角度误差正常变化情况下,舰体横摇
幅度在允许范围内越大,船摇隔离度越大,视轴稳定
的效果越好;横摇幅度不到1°时,对跟踪视轴稳定
影响不大,船摇隔离度在10dB左右变化;横摇幅度
越接近0°,隔离度趋近于负值,其绝对值在30dB以
上;横摇幅度超过1°时,船摇隔离度在30dB以上。
天线俯仰轴和方位轴的船摇隔离度曲线如图7
所示。
图7 船摇隔离度曲线
4 结 论
海上试验结果表明,在典型的船摇运动影响下,
采用视轴稳定方案后极大地减小了舰载遥测设备的
伺服跟踪误差;结合对应时间的船摇幅度曲线和采
用稳定方案后天线方位轴和俯仰轴的误差电压曲
线,利用理论公式估算,可以得出船摇的隔离度曲
线,船摇隔离度能够达到30dB
以上,完全可以满足
舰载遥测设备伺服跟踪视轴稳定性能指标的要求。
参考文献
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