CN105425217A - 动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，由主控计算机通过接收GPS、姿态测量设备输出的载体姿态数据，并通过网口接收跟踪目标的GPS坐标值；通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角，方位伺服控制板连续地比较方位跟踪指令角和当前方位转台位置参数，控制方位伺服电机改变方位转台上天线的位置；俯仰伺服控制板连续地比较俯仰跟踪指令角和当前俯仰转台位置参数，控制俯仰伺服电机改变俯仰转台上天线的位置。本发明通过随动稳定平台的稳定功能和雷达天线的伺服控制功能相结合，实现有效隔离载体的姿态变化对雷达天线指向的影响，从而实现雷达天线稳定指向的目的。

Description

动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，属于船载或车载雷达天线自动对准跟踪控制技术领域。

背景技术

雷达天线自动对准跟踪控制系统是雷达的重要组成部分，通过驱动天线转动，使雷达天线稳定指向或自动跟踪空域内某目标。因此，自动对准跟踪控制系统的性能优劣直接决定雷达的整体工作性能。

在船载或车载等动态平台下，由于载体姿态的动态变化，将导致天线随之晃动，这时需要采用某种补偿措施，以有效隔离动态载体的姿态变化，达到稳定指向的目的。

目前，国内外在工程上实现雷达天线稳定指向的普遍技术措施是采用随动稳定平台加雷达的解耦式解决方案。即雷达天线安装在随动稳定平台上，随动稳定平台用以补偿载体的姿态变化，为雷达提供始终接近水平的工作平台，雷达天线则在伺服控制系统的驱动下指向空域目标，进而达到稳定指向的目的。但是此系统设备量多、结构复杂、造价较高。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一：由主控计算机通过RS232或RS422串口接收GPS、姿态测量设备输出的载体姿态数据，并通过网口接收跟踪目标的GPS坐标值；

步骤二：主控计算机通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角，分别通过RS232串口发送给方位伺服控制板和俯仰伺服控制板；

步骤三：伺服电机上安装的旋转变压器提供转台当前位置，并反馈至伺服控制板；伺服控制板对反馈信号进行解码，获得当前转台位置参数；

步骤四：方位伺服控制板连续地比较方位跟踪指令角和当前方位转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，再控制方位伺服电机改变方位转台上天线的位置；俯仰伺服控制板连续地比较俯仰跟踪指令角和当前俯仰转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，控制俯仰伺服电机改变俯仰转台上天线的位置。

有益效果：本发明提供的动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，通过随动稳定平台的稳定功能和雷达天线的伺服控制功能相结合，实现有效隔离载体的姿态变化对雷达天线指向的影响，从而实现雷达天线稳定指向的目的。并具有设备组成简洁、结构简单、成本低廉、性能优异、便于安装使用的优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为坐示变换原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一：由主控计算机通过RS232或RS422串口接收GPS、姿态测量设备输出的载体姿态数据，并通过网口接收跟踪目标的GPS坐标值；

步骤二：主控计算机通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角，分别通过RS232串口发送给方位伺服控制板和俯仰伺服控制板；

步骤三：伺服电机上安装的旋转变压器提供转台当前位置，并反馈至伺服控制板；伺服控制板对反馈信号进行解码，获得当前转台位置参数；

步骤四：方位伺服控制板连续地比较方位跟踪指令角和当前方位转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，再控制方位伺服电机改变方位转台上天线的位置；俯仰伺服控制板连续地比较俯仰跟踪指令角和当前俯仰转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，控制俯仰伺服电机改变俯仰转台上天线的位置。

雷达天线对准跟踪系统所接收的外部引导信息为大地坐标系下，目标的经纬度，通过坐标转换求得目标在载体坐标系下的直角坐标值，由此可以确定二维转台的方位跟踪指令和俯仰跟踪指令。

以船载平台为例，系统所涉坐标系定义，如图2所示，O₁-X₁Y₁Z₁为大地坐标系，O₂-X₂Y₂Z₂为地心坐标系，O₂-X₃Y₃Z₃为原点位于地心的北天东坐标系，O-X₄Y₄Z₄为原点位于船体的北天东坐标系，O-XYZ为原点位于船体的载体坐标系，与惯导坐标系保持一致。ψ为靶船的偏航角，θ为靶船的俯仰角，γ为靶船的横摇角。

主控计算机通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角，详细计算步骤如下：

步骤一：将目标在大地坐标系O₁-X₁Y₁Z₁下的经纬高坐标(x_t1,y_t1,z_t1)转化为地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_t2,y_t2,z_t2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t2}\\ y_{t2}\\ z_{t2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(N+z_{t1})\cos y_{t1}\cos x_{t1}\\ (N+z_{t1}){\mathrm{cosy}}_{t1}{\mathrm{sinx}}_{t1}\\ \left(N\right(1-e^2)+z_{t1}){\mathrm{siny}}_{t1}\end{array}\right],N=\frac{a^2}{\sqrt{a^2{\cos }^2{y}_{t1}+b^2{\sin }^2{y}_{t1}}}---\left(1\right)$

式(1)中，a和b分别为地球的长半径和短半径；

步骤二：将载船在大地坐标系O₁-X₁Y₁Z₁下的经纬度坐标(x_s1,y_s1,z_s1)转化为地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_s2,y_s2,z_s2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{s2}\\ y_{s2}\\ z_{s2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(N+z_{s1}){\mathrm{cosy}}_{s1}{\mathrm{cosx}}_{s1}\\ (N+z_{s1}){\mathrm{cosy}}_{s1}{\mathrm{sinx}}_{s1}\\ \left(N\right(1-e^2)+z_{s1}){\mathrm{siny}}_{s1}\end{array}\right],N=\frac{a^2}{\sqrt{a^2{\cos }^2{y}_{s1}+b^2{\sin }^2{y}_{s1}}}---\left(2\right)$

式(2)中，a和b分别为地球的长半径和短半径；

步骤三：将目标在地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_t2,y_t2,z_t2)转化为原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_t3,y_t3,z_t3)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t3}\\ y_{t3}\\ z_{t3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{siny}}_{t2}{\mathrm{cosx}}_{t2}& -{\mathrm{siny}}_{t2}{\mathrm{sinx}}_{t2}& {\mathrm{cosy}}_{t2}\\ {\mathrm{cosy}}_{t2}{\mathrm{cosx}}_{t2}& {\mathrm{cosy}}_{t2}{\mathrm{sinx}}_{t2}& {\mathrm{siny}}_{t2}\\ -{\mathrm{sinx}}_{t2}& {\mathrm{cosx}}_{t2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{t2}\\ y_{t2}\\ z_{t2}\end{array}\right]---\left(3\right)$

步骤四：将载船在地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_s2,y_s2,z_s2)转化为原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_s3,y_s3,z_s3)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{s3}\\ y_{s3}\\ z_{s3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{siny}}_{s2}{\mathrm{cosx}}_{s2}& -{\mathrm{siny}}_{s2}{\mathrm{sinx}}_{x2}& {\mathrm{cosy}}_{s2}\\ {\mathrm{cosy}}_{s2}{\mathrm{cosx}}_{x2}& {\mathrm{cosy}}_{s2}{\mathrm{sinx}}_{s2}& {\mathrm{siny}}_{s2}\\ -{\mathrm{sinx}}_{s2}& {\mathrm{cosx}}_{s2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{s2}\\ y_{s2}\\ z_{s2}\end{array}\right]---\left(4\right)$

步骤五：将目标在原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_t3,y_t3,z_t3)转化为原点位于载体的北天东坐标系O-X₄Y₄Z₄下的坐标值(x_t4,y_t4,z_t4)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t4}\\ y_{t4}\\ z_{t4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_{t3}& -x_{s3}\\ y_{t3}& -y_{s3}\\ z_{t3}& -z_{s3}\end{array}\right]---\left(5\right)$

步骤六：将目标在原点位于载体的北天东坐标系O-X₄Y₄Z₄下的坐标值(x_t4,y_t4,z_t4)转化为原点位于载体的载体坐标系O-XYZ下的坐标值(x_t,y_t,z_t)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{t4}\\ y_{t4}\\ z_{t4}\end{array}\right]---\left(6\right)$

步骤七：方位跟踪指令角ψ_d和俯仰跟踪指令角θ_d分别为：

${\mathrm{\ψ}}_d=arcsin\left(\frac{y_t}{\sqrt{x_t^2+y_t^2}}\right)---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_d=arcsin\left(\frac{z_t}{\sqrt{x_t^2+y_t^2+z_t^2}}\right)---\left(8\right)$

具体使用方式如下：动态平台下雷达天线对准跟踪系统包括主控计算机、方位角伺服转台、俯仰角伺服转台、GPS、姿态测量设备，伺服转台由伺服控制板、电机驱动器、伺服电机、旋转变压器和转台组成。方位角伺服转台、俯仰角伺服转台通过多次坐标转换，最终解算出目标在载体坐标系下的方位指令和俯仰指令，利用二维驱动补偿的方式达到有效隔离载体三维姿态运动的目的，从而驱动天线波束始终指向空间目标方向。

主控计算机选用ADLINK工控机，型号规格为Nupro-a301，运行嵌入式VxWorks实时操作系统，通过网口实时接收跟踪目标的GPS坐标值。通过RS232串口实时接收GPS及航姿测量设备输出的载体GPS坐标及姿态，偏航、横摇和俯仰角信息，并分别通过独立的RS232串口将解算输出的方位指令角和俯仰指令角输出至方位伺服控制板和俯仰伺服控制板。

GPS及航姿测量设备选用姿态方位组合导航系统，产品型号为XW-ADU5660，具有成本低、精度高、无累积误差、保持时间长、双GPS载波测量技术精确计算航向角等优点。接口方式为RS232/RS422可选，波特率9600bps～115200bps，供电电压24VDC额定18VDC-32VDC，工作温度范围-40℃-+55℃。

方位伺服控制板和俯仰伺服控制板的主控CPU为英飞凌XE系列单片机，通过AD转换器接收旋转变压器输出的转台角度反馈值，通过RS232串口接收主控计算机输出的跟踪角度指令，进行闭环控制解算后，通过控制总线输出脉冲宽度和脉冲频率可控的PWM波至电机驱动器。

电机驱动器和伺服电机选用安川七代AC伺服驱动器和安川400WAC伺服电机，电机额定转速为3000rpm，电机通过行星减速器与负载相连，总减速比为1/287，转台的最大转动速度为62°/s。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：由主控计算机通过RS232或RS422串口接收GPS、姿态测量设备输出的载体姿态数据，并通过网口接收跟踪目标的GPS坐标值；

步骤二：主控计算机通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角，分别通过RS232串口发送给方位伺服控制板和俯仰伺服控制板；

步骤三：伺服电机上安装的旋转变压器提供转台当前位置，并反馈至伺服控制板；伺服控制板对反馈信号进行解码，获得当前转台位置参数；

步骤四：方位伺服控制板连续地比较方位跟踪指令角和当前方位转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，再控制方位伺服电机改变方位转台上天线的位置；俯仰伺服控制板连续地比较俯仰跟踪指令角和当前俯仰转台位置参数，并根据两者的差值输出控制脉冲，交给伺服驱动器，控制俯仰伺服电机改变俯仰转台上天线的位置。

2.根据权利要求1所述的动态平台下雷达天线对准跟踪控制方法，其特征在于：所述主控计算机通过坐标转换，计算出方位跟踪指令角和俯仰跟踪指令角的详细计算步骤如下：

步骤一：将目标在大地坐标系O₁-X₁Y₁Z₁下的经纬高坐标(x_t1,y_t1,z_t1)转化为地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_t2,y_t2,z_t2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t2}\\ y_{t2}\\ z_{t2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(N+z_{t1})\cos y_{t1}\cos x_{t1}\\ (N+z_{t1})\cos y_{t1}\sin x_{t1}\\ \left(N\right(1-e^2)+z_{t1})\sin y_{t1}\end{array}\right],N=\frac{a^2}{\sqrt{a^2{\cos }^2{y}_{t1}+b^2{\sin }^2{y}_{t1}}}---\left(1\right)$

式(1)中，a和b分别为地球的长半径和短半径；

步骤二：将载船在大地坐标系O₁-X₁Y₁Z₁下的经纬度坐标(x_s1,y_s1,z_s1)转化为地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_s2,y_s2,z_s2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{s2}\\ y_{s2}\\ z_{s2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(N+z_{s1})\cos y_{s1}\cos x_{s1}\\ (N+z_{s1})\cos y_{s1}\sin x_{s1}\\ \left(N\right(1-e^2)+z_{s1})\sin y_{s1}\end{array}\right],N=\frac{a^2}{\sqrt{a^2{\cos }^2{y}_{s1}+b^2{\sin }^2{y}_{s1}}}---\left(2\right)$

式(2)中，a和b分别为地球的长半径和短半径；

步骤三：将目标在地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_t2,y_t2,z_t2)转化为原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_t3,y_t3,z_t3)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t3}\\ y_{t3}\\ z_{t3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\sin y_{t2}\cos x_{t2}& -\sin y_{t2}\sin x_{t2}& \cos y_{t2}\\ \cos y_{t2}\cos x_{t2}& \cos y_{t2}\sin x_{t2}& \sin y_{t2}\\ -\sin x_{t2}& \cos x_{t2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{t2}\\ y_{t2}\\ z_{t2}\end{array}\right]---\left(3\right)$

步骤四：将载船在地心坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的坐标值(x_s2,y_s2,z_s2)转化为原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_s3,y_s3,z_s3)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{s2}\\ y_{s2}\\ z_{s2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\sin y_{s2}\cos x_{s2}& -\sin y_{s2}\sin x_{s2}& \cos y_{s2}\\ \cos y_{s2}\cos x_{s2}& \cos y_{s2}\sin x_{s2}& \sin y_{s2}\\ -\sin x_{s2}& \cos x_{s2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{s2}\\ y_{s2}\\ z_{s2}\end{array}\right]---\left(4\right)$

步骤五：将目标在原点位于地心的北天东坐标系O₂-X₃Y₃Z₃下的坐标值(x_t3,y_t3,z_t3)转化为原点位于载体的北天东坐标系O-X₄Y₄Z₄下的坐标值(x_t4,y_t4,z_t4)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_{t4}\\ y_{t4}\\ z_{t4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{t3}-x_{s3}\\ y_{t3}-y_{s3}\\ z_{t3}-z_{s3}\end{array}\right]---\left(5\right)$

步骤六：将目标在原点位于载体的北天东坐标系O-X₄Y₄Z₄下的坐标值(x_t4,y_t4,z_t4)转化为原点位于载体的载体坐标系O-XYZ下的坐标值(x_t,y_t,z_t)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{t4}\\ y_{t4}\\ z_{t4}\end{array}\right]---\left(6\right)$

步骤七：方位跟踪指令角ψ_d和俯仰跟踪指令角θ_d分别为：

${\mathrm{\ψ}}_d=\arcsin \left(\frac{y_t}{\sqrt{x_t^2+y_t^2}}\right)---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_d=arcsin\left(\frac{z_t}{\sqrt{x_t^2+y_t^2+z_t^2}}\right)---\left(8\right).$