CN104459636B - 多雷达天线协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多雷达天线协同控制方法，该方法通过对多部雷达天线的协同控制，可以任意选择几部雷达协同工作，也可以任意对一部雷达进行控制，通过几部雷达共同工作，既提高工作效率，又完成了以前无法完成的协同工作。本发明的控制方法可实现以下目标控制如下：多雷达天线同步旋转控制，即需要协同的几部雷达时刻保持和基准雷达相同方位、基本相同速度旋转；多雷达天线顺序旋转控制，即需要协同的雷达时刻保持和基准雷达时刻保持一定的夹角、基本相同速度旋转；单雷达天线微动指向控制，即对协同内单一雷达系统提供一个目标外推航迹信息完成对该目标的跟踪控制功能。

Description

多雷达天线协同控制方法

技术领域：

本发明是多雷达天线协同控制方法，即实现多部雷达天线同步旋转控制、多部雷达天线顺序旋转控制、单部雷达天线微动指向控制，此发明可以大大提高雷达探测目标的频率，有利于多部雷达后端数据融合。

背景技术：

目前，每个雷达站对天线旋转的控制多采用相互独立的方式，每一部天线有对应的一套独立控制系统，不同雷达之间不能同时协调工作。

发明内容：

本发明的发明目的是提供一种多雷达天线协同控制方法，该方法通过对多部雷达天线的协同控制，可以任意选择几部雷达协同工作，也可以任意对一部雷达进行控制，通过几部雷达协同工作，既提高工作效率，又完成了以前无法完成的协同工作。

本发明的具体技术方案如下：

一种多雷达天线协同控制方法，该方法的控制过程如下：

开启系统，系统初始化，然后根据控制指令，判断后进入以下三种控制模式之一；

1)模式一：同步旋转控制模式

a)首先设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)＝θ(t)-θn(t)，如若ε(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值，θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值，n表示各台从动雷达标号，ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值；

b)给定基准雷达的转速V₀；

c)采用Bang-bang控制形式：当ε(t)大于30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV转/分的转速转动，使ε(t)逐步减小；ΔV表述速度叠加量；

d)采用PID控制形式：当ε(t)逐步减小至≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速：

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至ε(t)值小于误差阀值β(β＝0.05°)时，认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致：θn(t)＝θ(t)±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达，时时保证θn(t)＝θ(t)±β；

2)模式二：顺序旋转控制模式

a)首先设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ₁，即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ₁、2θ₁、3θ₁、4θ₁…nθ₁；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λ_n(t)＝θ(t)-θn(t)-nθ₁，如若λ_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，λ_n(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值；

b)给定基准雷达的转速V₀；

c)采用Bang-bang控制形式：当λ_n(t)>30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV转/分的转速转动(ΔV＝0.5～3转/分)，使λ_n(t)逐步减小；ΔV表述速度叠加量；

其中Vn(t)表示从动雷达转速，n表示各台从动雷达标号；

d)采用PID控制形式：当λ_n(t)逐步减小至λ_n(t)≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速：

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λ_n(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至λ_n(t)值小于误差阀值β(β＝0.05°)时，认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致：θn(t)＝θ(t)+nθ₁±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达；

3)模式三：微动指向控制

a)置入一部雷达的目标方位值θ2；

b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取该部雷达方位值θn(t)，并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)＝θn(t)-θ2，如若Ι_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ2表示某部雷达的目标方位值；Ι_n(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值；

c)采用Bang-bang控制形式：当Ι_n(t)>30°时，调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动(ΔV＝0.5～3转/分)，使Ι_n(t)逐步减小；ΔV表述速度叠加量；

d)采用PID控制形式：当Ι_n(t)逐步减小至Ι_n(t)≤30°时，按下式调节该部雷达天线的转速：

逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)；

式中：V₀该部雷达的初始化速度，V₀＝0,n为雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至Ι_n(t)值小于误差阀值β时，认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致，并将该部雷达停至该位置。

本发明的进一步设计在于：

该方法的控制过程如下：步骤c)中所述ΔV取0.5～3转/分。

该方法的控制过程如下：步骤e)中所述误差阀值β取0.01°～0.05°。

本发明具有如下有益效果：

本发明把所有雷达的方位信号通过光纤连接到主控设备里，不影响原设备的伺服控制系统，所以配置结构特别简单，控制对象清楚；同时由于着眼点不在改变原来单个雷达控制系统，为了增加多部雷达协同控制功能，提高雷达探测目标的频率和可靠性。本设备还有配液晶屏，遥控时终端向主控设备发送协同指令，操作方式简便。

本发明为了实现对阵地所有雷达的协同联合工作，大大提高雷达探测目标的频率，增加一个协同主控控制设备，每部雷达原控制部分(协同控制从控设备)和主控设备通过光纤连接，主控控制设备再和同一集成终端(上位机)连接，通过统一终端或主控控制设备本身(液晶屏)就可以发送协同控制命令。

本发明的控制方法可实现以下目标控制如下：

多雷达天线同步旋转控制，即需要协同的几部雷达时刻保持和基准雷达相同方位、以基本相同速度旋转；

多雷达天线顺序旋转控制，即需要协同的雷达时刻保持和基准雷达时刻保持设定的夹角、基本相同速度旋转；

单雷达天线微动指向控制，即对协同内单一雷达系统提供一个目标外推航迹信息完成对该目标的跟踪控制功能。

附图说明:

图1为多天线协同控制设备的原理框图。

图2为本发明的主控流程图。

图3为从动雷达在跟随目标方位过程中从动雷达效果图。

具体实施方式：

实施例一：

如图1所示，本发明方法采用的多天线协同控制设备组成。包括五部雷达天线，

每部雷达天线配备有一台伺服控制单元和一台光端机，还包括电源模块和主控单元，

主控单元分别经一台光端机与每台雷达天线的伺服控制单元相连，电源模块为各台光

端机和主控单元供电。

该设备还包括液晶显示屏，该液晶显示屏与主控单元连接，也由电源模块供电。设备还包括遥控光端机和上位机，主控单元与遥控光端机连接，遥控光端机经光纤与上位机连接。

主控单元采用带操作系统PCC控制器，型号为ESCP476-PCNW-T3-M11；电源模块采用24V直流电源，具体为VI-PU30-EUY直流开关电源；光端机采用OEC20-433-137-01-Y2M单模光端机；液晶显示屏采用ESPP320.0571-35-T3-M1液晶显示屏；遥控光端机采用OEC-1000。

实施例二：同步旋转控制模式

本发明的多天线协同控制方法，该方法的控制过程如下：

开启系统，系统初始化，然后根据控制指令，进入以下控制过程：

a)首先(在上位机或者本控液晶屏上)设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)＝θ(t)-θn(t)，如若ε(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值，θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值，n表示各台从动雷达标号，ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值；

b)通过主控单元给定基准雷达的转速V₀(比如V₀＝3转/分)；

c)主控单元采用Bang-bang控制形式：当ε(t)大于30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV(因为雷达最高转速为6转/分，ΔV取＝0.5～3转/分)转/分的转速转动，此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元，使ε(t)逐步减小；ΔV表示速度叠加量；

d)主控单元采用PID控制形式对各个从动雷达天线速度控制：当ε(t)逐步减小至α≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速，也是通过光纤由主控单元发出转速指令：

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

(由于不同波段的天线质量不同，结构尺寸不同转动带来的阻力也不同，各个天线的转动惯量也不尽相同，因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数，来使天线的控制达到期望的特性，通过反复测试确定各调节参数，K_nP＝0.002，T_nI＝0.2，T_nd＝0.0001)。

e)当调速至ε(t)值小于误差阀值β(β＝0.05°)时，认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致：θn(t)＝θ(t)±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达，时时保证θn(t)＝θ(t)±β。

实施例三：顺序旋转控制模式

开启系统，系统初始化，然后根据控制指令，进入以下控制过程：

a)首先(在上位机或者本控液晶屏上)设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ₁，即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ₁、2θ₁、3θ₁、4θ₁…nθ₁；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λ_n(t)＝θ(t)-θn(t)-nθ₁，如若λ_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，λ_n(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值；

b)给定基准雷达的转速V₀；(比如V₀＝3转/分)；

c)主控单元采用Bang-bang控制形式：当λ_n(t)>30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV转/分的转速转动(ΔV＝0.5～3转/分)，此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元，使λ_n(t)逐步减小；

其中n表示各台从动雷达标号；

d)在主控单元里采用PID控制形式：当λ_n(t)逐步减小至λ_n(t)≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速，也是通过光纤由主控单元发出转速指令：

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λ_n(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数。

(由于不同波段的天线质量不同，结构尺寸不同转动带来的阻力也不同，各个天线的转动惯量也不尽相同，因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数，来使天线的控制达到期望的特性，通过反复测试确定各调节参数，K_nP＝0.002，T_nI＝0.2，T_nd＝0.0001)。

e)当调速至λ_n(t)值小于误差阀值β(β＝0.05°)时，认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致：θn(t)＝θ(t)+nθ₁±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达。

实施例四：微动指向控制

开启系统，系统初始化，然后根据控制指令，进入以下控制过程：

a)置入一部雷达的目标方位值θ2；

b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取该部雷达方位值θn(t)，并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)＝θn(t)-θ2，如若Ι_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ2表示该部雷达的目标方位值；Ι_n(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值；

c)在主控单元里采用Bang-bang控制形式：当Ι_n(t)>30°时，调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动(ΔV＝0.5～3转/分)，此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元，使Ι_n(t)逐步减小；

d)主控单元采用PID控制形式：当Ι_n(t)逐步减小至Ι_n(t)≤30°时，按下式调节该部雷达天线的转速，也是通过光纤由主控单元发出转速指令：

逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)；

式中：V₀该部雷达的初始化速度，V₀＝0,n为雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数。

(由于不同波段的天线质量不同，结构尺寸不同转动带来的阻力也不同，各个天线的转动惯量也不尽相同，因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数，来使天线的控制达到期望的特性，通过反复测试确定各调节参数，K_nP＝0.002，T_nI＝0.2，T_nd＝0.0001)。

e)当调速至Ι_n(t)值小于误差阀值β(β＝0.05°)时，认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致，并将该部雷达停至该位置。

实施例五：

设计一个多天线协同控制主控箱，控制箱的硬件组成为：一块直流24V电源、一个带操作系统的CPU模块、光端机5个(分别和5部雷达伺服控制单元连接)、一块液晶显示屏(检测各部雷达天线状态，本控控制时发送协同命令)。

以五台雷达参与等差控制为例，协同系统的框图见图1所示。

程序总体框图如下(图2)。完成协同功能除了硬件上增加一个多天线协同控制主控箱外，同时也要增加相应的控制软件，该软件控制系统为典型的闭环位置随动系统，基于目前电气和结构设计型式，拟采用PID调节算法作为调节算法的基础，同时运用“软”调节器的可编程灵活性，采取多种修正方法，以取得最好的综合动态响应指标。

为使系统在大偏差状态(可以在参数配置模块设定界限)获得尽可能快的响应，通常可采用“Bang－Bang”控制策略。即当从动天线的实际方位值离跟随方位值或设定方位值偏差较大时，可忽略PID调节器的运算结果，直接输出最大的控制量。这样可使对应的方位电机以最快的速度，推动相应的雷达天线向目标位置逼近。

当系统处于多天线协同控制模式时，首先可以任意选择其中一部雷达作为基准雷达，基准雷达转速的控制为上位终端给定，所以基准雷达速度一定，其控制控制量保持不变。

u(t)＝V₀

式中V₀为基准雷达的输入量(单向指动模式下，V₀该部雷达的初始化速度)该部雷达的初始化速度)，协同系统里其他从控雷达为从动雷达，需要根据基准雷达的适时方位计算出本部雷达当前目标方位。本雷达转速是随着方位差的变化而变化的，采用PID的控制策略，从控雷达控制过程可以写成如下形式：

式中：n为非基准雷达中栈号为n的机器,V_n(t)表示从动雷达转速，ε_n(t)为方位偏差；K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数。由于不同波段的天线质量不同，结构尺寸不同转动带来的阻力也不同，各个天线的转动惯量也不尽相同，因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数，来使天线的控制达到期望的特性。整个控制软件的流程图如下图(图2)。

采用PID控制形式时，当方位偏差较小时的偏差输入也小。调试时根据实际情况找到最佳PID系数值当开始跟随时，当受控雷达目标较近时采用PID调节算法跟随，随着ε(t)位值的靠近ε_n(t)会越来越小，V_n(t)也会逼近V₀，当正好位置ε_n(t)到达时V_n(t)＝V₀，理论上速度此时正好相同，但PID调节作用下可能会出现超调，此时在PID作用下本受控雷达再次朝着目标方位逼近，所以会出现在基准方位上小方位内波动，波动方位就是误差范围(误差也就是平衡区，此量也可以设置)。从动雷达在跟随目标方位过程中从动雷达效果如下图(图3)，图中ε_n(t)为方位偏差，t表时间，β为误差阀值。

针对本系统控制软件设计中引入的一些非线性、非连续的修正策略，控制程序宜对输出结果采用平滑处理，以确保给相应雷达电机在任何时候均为“平滑”的转动，具体算法上，可对输出结果采取一定数量的缓冲求和、取平均运算处理(求积分中值)，结合控制软件及伺服驱动器的响应特点，可考虑将控制程序输出的值在100～200ms内求和取平均的策略，这样的处理，既可以有效拟制输出的“毛刺”突变，同时这样的时滞对于系统的响应又是可以忽略不计的。

Claims (3)

1.一种多雷达天线协同控制方法，该方法的控制过程如下：

开启系统，系统初始化，然后根据控制指令，判断后进入以下三种控制模式之一：

1)模式一：同步旋转控制模式

a)首先设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)＝θ(t)-θn(t)，如若ε(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值，θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值，n表示各台从动雷达标号，ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值；

b)给定基准雷达的转速V₀；

c)采用Bang-bang控制形式：当ε(t)大于30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV转/分的转速转动，使ε(t)逐步减小；ΔV表述速度叠加量；

d)采用PID控制形式：当ε(t)逐步减小至≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速：

$V_n\left(t\right)=V_0+K_{nP}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)+\frac{1}{TnI}{\∫}_0^t\mathrm{\ϵ}\left(t\right)dt+T_{nd}\frac{d\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}{dt}$

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至ε(t)值小于误差阀值β时，认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致：θn(t)＝θ(t)±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达，时时保证θn(t)＝θ(t)±β；

2)模式二：顺序旋转控制模式

a)首先设定任一雷达天线为基准机器，其他雷达自动默认为从动雷达；置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ₁，即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ₁、2θ₁、3θ₁、4θ₁…nθ₁；每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取基准雷达的方位值θ(t)，和从动雷达方位值θn(t)，并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λ_n(t)＝θ(t)-θn(t)-nθ₁，如若λ_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，λ_n(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值；

b)给定基准雷达的转速V₀；

c)采用Bang-bang控制形式：当λ_n(t)>30°时，调整从动雷达速度按照以V₀+ΔV转/分的转速转动，使λ_n(t)逐步减小；

V_n(t)表示从动雷达转速，n表示各台从动雷达标号，ΔV表述速度叠加量；

d)采用PID控制形式：当λ_n(t)逐步减小至λ_n(t)≤30°时，按下式调节从动雷达天线的转速：

$V_n\left(t\right)=V_0+K_{nP}{\mathrm{\λ}}_n\left(t\right)+\frac{1}{TnI}{\∫}_0^t{\mathrm{\λ}}_n\left(t\right)dt+T_{nd}\frac{{\mathrm{d\λ}}_n\left(t\right)}{dt}$

逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λ_n(t)；

式中：n为各台从动雷达的编号,K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至λ_n(t)值小于误差阀值β时，认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致：θn(t)＝θ(t)+nθ₁±β，继而从动雷达按照V_n(t)速度紧密跟随主动雷达；

3)模式三：微动指向控制

a)置入一部雷达的目标方位值θ2；

b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值，主控单元读取该部雷达方位值θn(t)，并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)＝θn(t)-θ2，如若Ι_n(t)＜0，则把此值加360°，表示只能按统一顺时针方向追；

其中，θ2表示某部雷达的目标方位值；Ι_n(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值；

c)采用Bang-bang控制形式：当Ι_n(t)>30°时，调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动，使Ι_n(t)逐步减小；ΔV表述速度叠加量；

d)采用PID控制形式：当Ι_n(t)逐步减小至Ι_n(t)≤30°时，按下式调节该部雷达天线的转速：

$V_n\left(t\right)=V_0+K_{nP}{I}_n\left(t\right)+\frac{1}{TnI}{\∫}_0^t{I}_n\left(t\right)dt+T_{nd}\frac{{\mathrm{dI}}_n\left(t\right)}{dt}$

逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ι_n(t)；

式中：V₀该部雷达的初始化速度，n为雷达的编号,V_n(t)表示从动雷达转速，K_nP为比例系数；TnI为积分时间常数；T_nd为微分时间常数；

e)当调速至Ι_n(t)值小于误差阀值β时，认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致，并将该部雷达停至该位置。

2.根据权利要求1所述多雷达天线协同控制方法，该方法的控制过程如下：步骤c)中ΔV取0.5～3转/分。

3.根据权利要求1所述多雷达天线协同控制方法，该方法的控制过程如下：步骤e)中误差阀值β取0.01°～0.05°。