CN105868505A - 基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法，本发明重点解决的问题有船摇模拟数据生成方法、静态条件下船摇隔离度测试环境构建，技术方案是通过计算机仿真正弦/余弦波模拟船摇角度或速度扰动，人工设定不同幅度、不同船摇周期的船摇扰动；也可根据船实际录取惯导数据推导计算天线方位、俯仰轴的船摇角度、角速度量，从而模拟海上条件下实际船摇数据。并将船摇扰动数据，在自跟踪环的位置反馈中或速度环输入端加入，进而检验船载伺服的跟踪性能和船摇隔离效果。采用本发明方法，船摇隔离度测试简单，伺服环路参数调试与校验便利，满足船载伺服系统船摇隔离度静态测试的能力。

Description

基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法。属于自动控制技术领域。

背景技术

大型船载测控天线,由于其载体的运动和船摇姿态的影响,跟踪精度除了取决于本身性能外,还受到船摇扰动影响，故隔离船摇是必需解决问题，而船摇隔离度的测试是前提。

2005年6月出版的《陕西工学院学报》第21卷第2期第8—10页公开了一种大型船载卫通伺服随动系统船摇隔离度设计与测试方法，该方法分析了船摇扰动对大型船载卫星通讯天线三轴稳定系统的影响,研究了隔离船摇的解决方法,并通过相应环路设计和船升摇试验测试验证了解决方法的正确性。优点是给出了解决船摇隔离的通用方法；缺点是船摇隔离的测试需要在船舶动平台上且进行船舶升摇动态试验测试。

2009年3月出版的《信息化研究》第35卷第3期第20—22页公开了一种雷达伺服系统船摇隔离度的模拟测试方法，该方法通过模拟速率陀螺敏感船摇所引起的天线方位或俯仰角的变化速率,叙述一种在地面上进行船摇隔离度的测量方法。优点是提出了一种在地面进行船摇隔离度测试的方法，通过仿真验证了该方法的可行性。缺点是仅针对陀螺信号进行模拟，模拟信号为正弦波，并未引入真实船摇数据；因为无法将船摇扰动加入自跟踪环路，也未考虑船摇前馈信号，在实际工程中无法全面、系统、真实的模拟船载天线的真实海上工作环境，所得参数及结果不能准确代表船载天线伺服系统环路特性及船摇隔离能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种静态条件下进行船载伺服系统船摇隔离度测试的方法，实现全面、系统、真实的模拟船载天线的真实海上工作环境，能准确代表船载天线伺服系统环路特性及船摇隔离能力。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法，通过仿真船摇扰动数据，并将其带入伺服控制环路中，完成了船载伺服系统静态船摇隔离度的测试，所述方法包括以下步骤：

步骤一、船摇模拟器设计

1.1 理想船摇数据的模拟

假设船摇引起方位/俯仰上的角度运动是正弦运动，建立其运动方程：

式中：为方位船摇角度，为方位最大船摇幅度，为方位船摇的角频率，为方位船摇周期，

通过调整值完成对船摇信号幅度的调整，调整值完成对船摇信号周期的调整；

1.2实际惯导数据的回放

甲板直角坐标系按测量船甲板坐标系定义：X—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，沿艏艉线方向指向舰艏；Y—甲板直角坐标轴，垂直甲板向上；Z—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，指向右舷；

输入数据，船体姿态角：ψ—纵摇角；θ—横摇角；ｋ—航向角；

输入数据，雷达方位、俯仰角：A—雷达方位角；E—雷达俯仰角；

输出数据，船摇角速度在A、E的分解量：ω_A、ω_E；

①采用最小二乘法对船摇数据ψ、θ、k进行平滑求导，分别求出ω_ψ、ω_θ、ω_k，它们分别对应于ψ、θ、k的三个速度分量；

②船摇角速度ω_ψ、ω_θ、ω_k向甲板直角坐标系的转换

③甲板坐标系角速度ω_x、ω_y、ω_z向A、E轴的分解

根据解算出船摇角度；

步骤二、船摇隔离度检测

在自跟踪环的位置反馈中加入船摇角度扰动，调整值及值，确保船扰动信号幅度到达测试要求、信号周期与实际船摇周期相近，此时船摇扰动角度的最大摆动幅度为，在此状态下可分别测试自跟踪环、自跟踪环+陀螺稳定环、自跟踪环+陀螺稳定环+船摇前馈的船摇隔离度：

①自跟踪环隔离度测试

自跟踪环路闭环，去陀螺，去船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照下式计算误差电压对应的天线跟踪残留角度值:

（1）

——方位定向灵敏度，V/mil；

——天线俯仰角，（°），

按下式计算方位跟踪位置回路船摇隔离度 （2）；

②自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺，去船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照公式（1）计算误差电压对应的角度值，按照公式（2）解算出自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度；

③自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺，加船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照公式（1）计算误差电压对应的角度值，按照公式（2）解算出自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

⑴设计了船摇模拟器，可真实反映船摇扰动数据。

⑵设计了在自跟踪环的位置反馈中加入船摇角度扰动方案，实现自跟踪环、自跟踪环+陀螺稳定环、自跟踪环+陀螺稳定环+船摇前馈的隔离度测试。

⑶设计了将船摇速度扰动加入速度环输入端，实现自跟踪环、自跟踪环+陀螺稳定环的隔离度测试。

⑷实现了静态条件下船摇隔离度的模拟测试。

附图说明

图1本发明位置反馈加入船摇角度扰动；

图2本发明中自跟踪位置环角度输出量的波形图；

图3本发明中自跟踪环船摇隔离度残差角度的波形图；

图4本发明中自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度残差角度的波形图；

图5本发明中自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度残差角度的波形图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的一种基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法，通过仿真船摇扰动数据，并将其带入伺服控制环路中，完成了船载伺服系统静态船摇隔离度的测试，该测试方法主要包括两步骤：

步骤一、船摇模拟器设计

船摇数据的模拟分为用理想正弦运动或实际惯导数据回放两种，两种方法效果一致，下面仅介绍理想船摇数据的模拟。

1.1 理想船摇数据的模拟

船摇特性与目标特性不同，它是周期性的有规律的，其运动规律近似正弦运动，但并不十分规则，假设船摇引起方位/俯仰上的角度运动是正弦运动，于是可建立其运动方程(以方位为例进行说明，下同)：

式中：为方位船摇角度，为方位最大船摇幅度，为方位船摇的角频率，为方位船摇周期。

通过调整值完成对船摇信号幅度的调整，调整值完成对船摇信号周期的调整。

1.2实际惯导数据的回放

甲板直角坐标系按测量船甲板坐标系定义：X—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，沿艏艉线方向指向舰艏；Y—甲板直角坐标轴，垂直甲板向上；Z—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，指向右舷。

输入数据，船体姿态角：ψ—纵摇角；θ—横摇角；ｋ—航向角；

输入数据，雷达方位、俯仰角：A—雷达方位角；E—雷达俯仰角；

输出数据，船摇角速度在A、E的分解量：ω_A、ω_E。

①采用最小二乘法对船摇数据ψ、θ、k进行平滑求导，分别求出ω_ψ、ω_θ、ω_k，它们分别对应于ψ、θ、k的三个速度分量。

②船摇角速度ω_ψ、ω_θ、ω_k向甲板直角坐标系的转换

③甲板坐标系角速度ω_x、ω_y、ω_z向A、E轴的分解

根据解算出船摇角度。

步骤二、船摇隔离度检测

在自跟踪环的位置反馈中加入船摇角度扰动，采用“目标模拟器+船摇模拟器”完成船摇隔离度测试。启动目标模拟器，目标航路模拟典型任务航路，伺服系统控制天线对目标模拟器模拟的目标进行跟踪。如图1所示，在自跟踪环的位置反馈中（图1“模拟跟踪接收机输出”前端）加入船摇角度（理想正弦角度或实录惯导回放数据解算角度）扰动，调整值及值，确保船扰动信号幅度到达测试要求、信号周期与实际船摇周期相近，此时船摇扰动角度的最大摆动幅度为。在此状态下可分别测试自跟踪环、自跟踪环+陀螺稳定环、自跟踪环+陀螺稳定环+船摇前馈的船摇隔离度。

具体方法如下：

①自跟踪环隔离度测试

自跟踪环路闭环（图1中闭合“模拟跟踪接收机输出”前端减法器，下同），去陀螺（图1中断开陀螺调节前端减法器，下同），去船摇前馈（图1中断开速度环前端减法器，下同），记录最大值天线方位误差电压，按照下式计算误差电压对应的天线跟踪残留角度值:

——方位定向灵敏度，V/mil；

——天线俯仰角，（°）。

按下式计算方位跟踪位置回路船摇隔离度，（dB）

②自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺（图1中闭合陀螺调节前端减法器，下同），去船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照同样方法计算误差电压对应的角度值，再解算出自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度。该隔离度减去①中计算的隔离度可得到陀螺环船摇隔离度。

③自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺，加船摇前馈（图1中闭合速度环前端减法器，下同），记录最大值天线方位误差电压，按照同样方法计算误差电压对应的角度值，再解算出自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度。该隔离度减去②中计算的隔离度可得到船摇前馈隔离度。

某天线静态船摇隔离度仿真计算及实测结果

仿真结果

采用本发明通过Simulink进行了仿真分析，如图2～5所示。对图1的测试框图进行仿真分析，首先假设位置输入量为0，船摇的的幅度为0.1rad，角频率为0.5rad/s，示波器中显示的是船摇角度量(与船摇幅度相等，方向相反)，具体波形参见图2；将图1中陀螺调节和陀螺反馈回路中的减/加法器断开，即可测量出自跟踪环的船摇隔离度为26.0dB，船摇残差参见图3；将图1中陀螺调节装置后面的减法器断开，即可测量出自跟踪环+陀螺反馈的船摇隔离度为51.0，船摇残差参见图4；直接按图1进行测试，即可测量出自跟踪环+陀螺反馈+船摇前馈的总船摇隔离度为57.4dB，船摇残差参见图5。

实测结果

采用本发明方法设计的船摇隔离度静态测试方法应用于某大型船载测控天线上，测试结果如下表1。

实测结果表明，所测跟踪位置环路中自跟踪环隔离度、陀螺反馈隔离度各单项指标均满足设计要求，实测船摇前馈隔离度及总隔离度指标也均满足设计要求。

表1 船摇隔离度静态测试结果

本发明也适用于其它舰艇跟踪雷达进行船摇隔离度静态测试。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于目标模拟器的船摇隔离度静态测试方法，通过仿真船摇扰动数据，并将其带入伺服控制环路中，完成了船载伺服系统静态船摇隔离度的测试，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、船摇模拟器设计

1.1 理想船摇数据的模拟

假设船摇引起方位/俯仰上的角度运动是正弦运动，建立其运动方程：

式中：为方位船摇角度，为方位最大船摇幅度，为方位船摇的角频率，为方位船摇周期，

通过调整值完成对船摇信号幅度的调整，调整值完成对船摇信号周期的调整；

1.2实际惯导数据的回放

甲板直角坐标系按测量船甲板坐标系定义：X—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，沿艏艉线方向指向舰艏；Y—甲板直角坐标轴，垂直甲板向上；Z—甲板直角坐标轴，在甲板平面内，指向右舷；

输入数据，船体姿态角：ψ—纵摇角；θ—横摇角；ｋ—航向角；

输入数据，雷达方位、俯仰角：A—雷达方位角；E—雷达俯仰角；

输出数据，船摇角速度在A、E的分解量：ω_A、ω_E；

①采用最小二乘法对船摇数据ψ、θ、k进行平滑求导，分别求出ω_ψ、ω_θ、ω_k，它们分别对应于ψ、θ、k的三个速度分量；

②船摇角速度ω_ψ、ω_θ、ω_k向甲板直角坐标系的转换

③甲板坐标系角速度ω_x、ω_y、ω_z向A、E轴的分解

根据解算出船摇角度；

步骤二、船摇隔离度检测

在自跟踪环的位置反馈中加入船摇角度扰动，调整值及值，确保船扰动信号幅度到达测试要求、信号周期与实际船摇周期相近，此时船摇扰动角度的最大摆动幅度为，在此状态下可分别测试自跟踪环、自跟踪环+陀螺稳定环、自跟踪环+陀螺稳定环+船摇前馈的船摇隔离度：

①自跟踪环隔离度测试

自跟踪环路闭环，去陀螺，去船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照下式计算误差电压对应的天线跟踪残留角度值:

（1）

——方位定向灵敏度，V/mil；

——天线俯仰角，（°），

按下式计算方位跟踪位置回路船摇隔离度 （2）；

②自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺，去船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照公式（1）计算误差电压对应的角度值，按照公式（2）解算出自跟踪环+陀螺稳定环船摇隔离度；

③自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度

自跟踪环路闭环，加陀螺，加船摇前馈，记录最大值天线方位误差电压，按照公式（1）计算误差电压对应的角度值，按照公式（2）解算出自跟踪环+陀螺稳定环＋船摇前馈的船摇隔离度。