CN105182324A - 一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，当目标加速度较大时，采用位置前馈，进一步计算目标加速度，通过目标加速度相对于天线动态特性对应位置差参与环路计算，所有控制输出均在天线控制环路内运算，环路外不再加目标速度，从而可在不降低天线稳定性的同时有效提高天线动态特性，减少天线对大速度、大加速度目标跟踪时的动态滞后保证目标不因为动态滞后超出波束，使目标始终在天线的波束内。

Description

一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法

技术领域

本发明属于航天测控技术领域，具体为一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，通过前馈技术提高天线系统动态特性，从而提高其跟踪精度。

背景技术

随着兵工科技的发展，飞机、导弹等航空航天目标的飞行速度越来越快，为了保证跟踪精度，对雷达天线的动态特性要求也就越来越高，要求天线跟踪大速度、大加速度的目标时，其动态滞后越小越好。

随着毫米波段雷达天线的应用，上述要求也越来越严格，相应的技术难题也越来越突出。在雷达天线上采用毫米波频段系统，一方面可提供更高的测量精度和更宽的数据带宽，但另一方面，为实现对快速目标的有效跟踪，对天线系统的要求也更高。这是因为在相同口径下，频段越高，天线波束宽度越窄，毫米波段天线波束仅为同口径S频段天线波束的十几分之一，为了实现对大速度、大加速度的目标的跟踪，必须在算法上提高天线的动态特性，否则随着目标速度、加速度的提高，天线的动态滞后也越来越大，当动态滞后大于天线的半波束宽度，天线将丢失目标。

发明内容

提高天线动态特性传统方法是通过在天线控制环路外加上实时计算出的目标速度，即速度前馈，提高天线动态特性。此方法主要缺点是会大大降低天线的稳定性，容易产生扰动，使天线震荡从而最终导致任务失败。

为解决上述技术问题，本发明提供一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，当目标加速度较大时，采用位置前馈，所有控制输出均在天线控制环路内运算，环路外不再加目标速度，从而可在不降低天线稳定性的同时有效提高天线动态特性，减少天线对大速度、大加速度目标跟踪时的动态滞后保证目标不因为动态滞后超出波束，使目标始终在天线的波束内。

本发明的技术方案为：

在本发明的一个方面，本发明提出一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过天线测量获取目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El；

步骤2：根据以下公式将步骤1测量得到的目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El转换到直角坐标系，得到目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Rcos\left(El\right)cos\left(Az\right)\\ Rcos\left(El\right)sin\left(Az\right)\\ R\sin \left(El\right)\end{array}\right];$

步骤3：采用滤波方法对步骤2得到的目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z进行预测与更新，并根据更新后的估计值计算目标在直角坐标系内的速度和加速度

步骤4：将步骤3得到的目标在直角坐标系内的速度和加速度转换到球坐标系，得到目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度；根据目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度以及天线动态特性，得到天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值；

步骤5：将步骤4得到的天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值分别对应输入天线在俯仰方向的控制环路和在方位方向的控制环路，得到控制天线的俯仰速度指令和方位速度指令。

根据本发明的实施例，该方法能够有效地提高天线的动态特性，同时不影响对天线的稳定性，该方法在实际工程中很容易使用，不会造成天线震荡。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：采用位置前馈的天线控制环路示意图；

图2：实施例中低带无前馈动态滞后示意图；

图3：实施例中低带有前馈动态滞后示意图；

图4：实施例中高带无前馈动态滞后示意图；

图5：实施例中高带有前馈动态滞后示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

随着毫米波段雷达天线的应用，对天线动态特性的要求越来越高，目前提高天线动态特性传统方法是通过在天线控制环路外加上实时计算出的目标速度，即速度前馈，提高天线动态特性。此方法主要缺点是会大大降低天线的稳定性，容易产生扰动，使天线震荡从而最终导致任务失败。

为解决上述问题，本实施例提出了一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，原理是通过实时计算目标相对天线的速度，再通过速度求出目标加速度，然后根据天线动态特性，求出加速度对应的位置差，把求出的位置差应用于环路计算，形成控制天线的速度指令，控制天线运行。

由于天线测量所获取的目标信息是在球坐标系内。对于大多数情况，包括目标沿直线等速飞行的情况，在球坐标系下，其运动模型都存在高阶导数，这种情况是很不利的。首先，这些导数都将引起动态滞后，尤其对于高速度，小航路捷径的目标，高阶导数造成的动态滞后误差分量在总误差中占有相当大的份量；其次，信号高阶导数的频谱、噪声频谱及误差频谱，相互重叠，要想完整的保留有用的信号分量、干净的滤除掉噪声信号几乎是不可能的。

如果采用直角坐标系，由于受飞行体动力学特征的限制，飞行器在直角坐标系中三个坐标分量仅具有有限次的导数，更高阶的导数项为零。如对于匀速直线飞行的目标，其一阶导数为常数，二阶导数为零，对于匀加速飞行的目标，其二阶导数为常数，三阶导数为零。因此在直角坐标系中，输入信号及其导数具有较窄的频谱，输入信号的导数项是接近于零的直流信号，而误差信号、噪声信号的变化要快的多，具有较宽的频谱。这样就可以用较窄的低通滤波器提取有用的信号，而把噪声信号有效的滤除掉。另外根据目标在直角坐标系内的特点，外推预测也比较准确。所以说，在直角坐标系中进行雷达复合控制的效果较球坐标系好的多。

所以，本实施例中的采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过天线测量获取目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El。

步骤2：根据以下公式将步骤1测量得到的目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El转换到直角坐标系，得到目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Rcos\left(El\right)cos\left(Az\right)\\ Rcos\left(El\right)sin\left(Az\right)\\ R\sin \left(El\right)\end{array}\right].$

步骤3：由于在球坐标系内得到的测量信息存在误差，误差由系统噪声，接收机的精度，编码的精度产生，所以采用滤波算法滤掉这些噪声，滤波算法可以采用最小二乘法、卡尔曼滤波等滤波方式，而本实施例中采用卡尔曼滤波。

卡尔曼滤波的操作包括两个阶段：预测与更新。在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出对当前状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。

本实施例中采用卡尔曼滤波方法对步骤2得到的目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z进行预测与更新，得到更新后的估计值。由于在得到目标在直角坐标系中的位置及各阶导数，即目标在直角坐标系内的速度和加速度那么就可以用公式

$\stackrel{\·}{R}=\frac{X\stackrel{\·}{X}+Y\stackrel{\·}{Y}+Z\stackrel{\·}{Z}}{R}$

$\stackrel{\·}{A}=\frac{X\stackrel{\·}{Z}-Z\stackrel{\·}{X}}{Z^2+X^2}$

$\stackrel{\·}{E}=\frac{R\stackrel{\·}{X}-X\stackrel{\·}{R}}{R^{2}cos\left(El\right)}$

计算出目标在球坐标系内的各阶导数，得到目标在球坐标系内的各阶导数，就可以计算出目标在球坐标系内的两个方向加速度，进而实施前馈控制。

相应，接下来的步骤为：

步骤4：将步骤3得到的目标在直角坐标系内的速度和加速度转换到球坐标系，得到目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度；根据目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度以及天线动态特性，得到天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值。

例如天线动态特性为Ka，目标在球坐标系内的俯仰角加速度为a，则天线在俯仰方向上的位置前馈值e_p＝a/Ka。

步骤5：将步骤4得到的天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值分别对应输入天线在俯仰方向的控制环路和在方位方向的控制环路，得到控制天线的俯仰速度指令和方位速度指令。

下面给出具体实验示例，实验示例中，天线跟踪时分别在有前馈和无前馈两种方式下记录数据，下面具体给的是方位方向的动态滞后以及加速度与时间的曲线图，方位最大速度18.58°/s。从图2到图5可知：伺服带宽＝0.5Hz(低带)无前馈时，动态滞后正、负向最大值分别为1.03°和-0.99°；伺服带宽＝0.5Hz(低带)加前馈后，动态滞后正、负向最大值分别为0.085°和-0.142°；伺服带宽＝1.5Hz(高带)无前馈时，动态滞后正、负向最大值分别为0.374°和-0.355°；伺服带宽＝1.5Hz(高带)加前馈后，动态滞后正、负向最大值分别为0.07°和-0.07°。本实施例中对应前馈选择条件为：当目标加速度>0.6°/s²时，加前馈；当目标加速度<0.4°/s²时，取消前馈。

实验以及实际任务表明，通过位置前馈提高了天线动态特性，对大速度、大加速度目标的跟踪精度有很大帮助，对天线动态特性Ka提高了5～12倍。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过天线测量获取目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El；

步骤2：根据以下公式将步骤1测量得到的目标在球坐标系内的距离R、方位角Az、俯仰角El转换到直角坐标系，得到目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Rcos\left(El\right)cos\left(Az\right)\\ Rcos\left(El\right)sin\left(Az\right)\\ R\sin \left(El\right)\end{array}\right];$

步骤3：采用滤波方法对步骤2得到的目标在直角坐标系内的坐标X、Y、Z进行预测与更新，并根据更新后的估计值计算目标在直角坐标系内的速度和加速度

步骤4：将步骤3得到的目标在直角坐标系内的速度和加速度转换到球坐标系，得到目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度；根据目标在球坐标系内的俯仰角加速度和方位角加速度以及天线动态特性，得到天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值；

步骤5：将步骤4得到的天线在俯仰方向上的位置前馈值以及在方位方向上的位置前馈值分别对应输入天线在俯仰方向的控制环路和在方位方向的控制环路，得到控制天线的俯仰速度指令和方位速度指令。

2.根据权利要求1所述一种采用位置前馈提高天线动态特性的控制方法，其特征在于：步骤3中滤波方法为卡尔曼滤波。