CN107728645B - 遥测天线自主跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥测天线自主跟踪控制方法，属于遥测天线技术领域。本发明收到中心送来的任务弹道文件后模块预先载入弹道，转动天线至等待点；飞行目标经过天线等待点时，在程引或数引工作方式下，驱动天线转到俯仰角度大于2°的位置上，锁定接收机，切入自跟踪工作方式；当中途飞行目标的信号消失时，外推5s的目标飞行轨迹，当出现目标信号消失接收机失锁情况时，首先将天线转为“记忆”方式，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；天线跟踪目标仰角小于预设值且Rbyte的值不等于1或2，并且起飞时间大于30秒时，天线立即转为“指向”工作方式。本发明方法提高了遥测设备捕获的及时性、准确性、跟踪稳定性和可靠性，提升完成试验任务的能力。

Description

遥测天线自主跟踪控制方法

技术领域

本发明属于遥测天线技术领域，具体涉及一种遥测天线自主跟踪控制方法。

背景技术

天线跟踪飞行目标是通过伺服系统接收来自接收机的误差信号，经数字处理、放大最后反馈给执行元件伺服电机，驱动天线转向减少误差的方向，从而完成对飞行目标的捕获和跟踪功能。自动跟踪是一种闭环控制系统，不需要人为干预就能跟踪目标，但目标一旦信号异常(或变弱或短暂消失)，这个闭环系统就崩溃了，跟踪就失败。

而天线自主跟踪更多强调了天线控制系统对异常信号的应对处理，可以根据信号接收情况自动选择跟踪方式。天线自主跟踪是指挥自动化应用于实际任务的前提，通过该技术的实现，伺服终端能够根据理论弹道和任务弧段，自动形成跟踪策略，自主完成目标捕获和目标丢失时的异常处理，摆脱手动操作。

目前遥测天线领域自主跟踪属于空白，未见相关技术的研究公开，而研究遥测天线自主跟踪控制具有实际重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种遥测天线自主跟踪控制方法，以提高遥测天线自主跟踪目标时的可靠性。

本发明的遥测天线自主跟踪控制方法，包括在任务准备阶段、目标初始捕获阶段、自主跟踪阶段以及天线结束跟踪阶段四个阶段的处理方法。

(1)在任务准备阶段，监控服务器收到中心送来的任务弹道文件并转发给伺服单元，伺服单元的程序引导模块预先载入弹道，伺服单元的自主跟踪模块在确定时码器和轴角编码器没有故障的前提下，收到监控计算机送来的自主运行指令，根据总线上的弹道数据找到天线等待位置，根据弹道计算出当前任务下天线的相关要求，并判断伺服单元是否满足任务要求返回指令给监控服务器，当找到天线等待位置，设置状态指示变量Rbyte＝1，当转动天线至等待点，设置Rbyte＝2；

(2)在目标初始捕获阶段，飞行目标经过天线等待点时，设备首先按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式，再在程引或数引工作方式下，驱动天线转到俯仰角度大于2°的位置上，然后，判断采用哪台基带进行跟踪，原则判断3套，在锁定接收机后，切入自跟踪工作方式，并设置对应的状态Rbyte值；

(3)在自主跟踪阶段，当中途飞行目标的信号消失时，根据在正常跟踪过程中当前天线的运行情况，外推5s的目标飞行轨迹，当出现目标信号消失接收机失锁情况时，首先将天线转为“记忆”方式，即按照外推弹道继续驱动天线运转，同时判断接收机的AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；当天线在“记忆”方式下工作5s后，仍不满足跟踪条件，按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式，同时判断接收机的AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；

(4)在天线结束跟踪阶段，当满足以下两个条件时，天线立即转为“指向”工作方式；

条件1，天线跟踪目标仰角小于预设值且Rbyte的值不等于1或2；

条件2，起飞时间大于30秒。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明方法，针对遥测设备在航天发射任务及其他试验任务中都需要参加的情况，设计多种针对性的跟踪策略，根据理论弹道自动形成跟踪策略，结合实时跟踪情况实现程引、数引、自跟踪、记忆跟踪及自引导方式的自动切换，任务中自动选取最佳跟踪方案。解决了人工切换跟踪方式所带来的跟踪不稳定、副瓣跟踪状态判断不及时等问题，提高了遥测设备捕获的及时性、准确性、跟踪稳定性和可靠性，进而提高了遥测设备获取遥测数据的质量，提升完成试验任务的能力。

(2)本发明方法提供的天线自主跟踪功能，充分利用备份遥测设备参加实际飞行任务进行验证，到目前为止，已成功跟踪飞行目标9次，全程跟踪稳定，在目标起旋或级间分离导致信号起伏较大时，能够及时变换跟踪方式，自主跟踪功能达到预期设计要求。

(3)本发明方法将极大提高遥测设备的自动化程度，大大提高设备检测与调试效率，避免人为操作差错，缩短任务准备周期节省设备参试的人力资源，降低设备参试成本。

附图说明

图1是本发明自主跟踪信息交换示意图；

图2是自主跟踪模块准备阶段流程图；

图3是自主跟踪模块初捕阶段流程图；

图4是自主跟踪模块跟踪失效阶段流程图；

图5是自主跟踪模块跟踪结束阶段流程图；

图6是天线自动化运行主流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

天线自主跟踪的研究包含跟踪策略生成方法、自主跟踪控制技术和异常处理技术三部分。跟踪策略生成方法研究的主要内容包括天线等待点的选择、切入自跟踪时机的把握、自跟踪前跟踪方法的选择、停止跟踪时机的把握等。异常处理技术研究重点解决天线自跟踪异常时，包括天线出现旁瓣跟踪及天线跟踪过程中信号消失等异常情况，应采取的措施，以及异常情况上报。自主跟踪控制技术涉及响应监控服务器解析的中心指令，执行所制定的跟踪策略和异常处理措施，接收通信系统转送的中心T0、中心数引，控制伺服单元完成待机、手动、指向、自跟踪、数引、程引等操作的切换。中心T0指飞行目标的起飞时刻，起飞时刻由数据处理中心统一提供。数引指数据处理中心提供引导数据引导天线跟踪飞行目标。程引指预先在天线控制系统里存储飞行目标的预定轨迹，待目标实际飞行时，天线按照预设程序进行引导跟踪飞行目标。

遥测天线自主跟踪功能主要应用于目标飞行试验任务的实施阶段。本发明的遥测天线自主跟踪控制方法，是在任务准备阶段、目标初始捕获阶段、自主跟踪阶段以及天线结束跟踪阶段四个阶段均进行了改经处理，以提高遥测设备的自动化程度，提高遥测天线自主跟踪目标时的可靠性。

如图1所示，本发明方法应用在监控服务器与伺服单元之间，伺服单元即图1中所示的设备端。位于远端的监控服务器接收从中心发来的信息和指令，并通过通信系统发送给设备端。伺服单元中包括数据接收模块、状态管理模块、自动跟踪模块等，各模块通过总线向天线发送控制指令。数据接收模块接收通信系统发送来的数据，包括中心T0、中心数引数据等。状态管理模块将分设备准则情况、各设备状态上报给监控服务器。

监控服务器与伺服单元之间在自主跟踪时的信息交换主要有两部分：

(1)监控服务器收到中心发来的“各分设备准备”指令：

监控服务器传送文件“理论弹道”地心系弹道.txt+任务弧段到伺服单元；

伺服单元形成可靠的跟踪策略。

(2)监控服务器收到中心发来的“15分钟准备”指令：

监控服务器转发“15分钟准备”指令，即向伺服单元发出“自动跟踪命令”；

伺服单元的自动跟踪模块收到指令后，立即使天线驱动单元加电，驱动天线转向等待点，等待点的生成由任务准备阶段生成，天线转到指定位置后，伺服单元置“指向”工作状态，当收到T0后，按照跟踪策略进行跟踪。

跟踪过程中目标信号出现短暂失锁时，天线自动转入记忆跟踪5s，5s期间若信号锁定，重新转自跟踪，若信号一直失锁，伺服单元将按照跟踪方式“数引－程引－手动”的先后优先级选择相应的跟踪方式，同时在状态管理模块里增加：实时监测AGC(自动增益控制)电压、信号锁定、天线实时角度，并及时上报异常情况的功能。

本发明提供的遥测天线自主跟踪方法，从任务准备阶段、目标初始捕获阶段、自主跟踪阶段以及天线结束跟踪阶段，对天线的工作分别进行策略设计，并由伺服系统具体实现。下面结合附图对各阶段的改进策略进行说明。

(一)任务准备阶段。

如图2所示，在自主跟踪前的任务准备阶段，监控服务器收到中心送来的任务弹道文件并转发给伺服单元，伺服单元的程序引导模块预先载入弹道，自主跟踪模块在确定时码器和轴角编码器没有故障的前提下，收到监控计算机送来的自主运行指令，自主跟踪模块根据总线上的弹道数据找到天线等待位置，同时根据弹道计算出当前任务下天线的相关要求，包括最大速度、作用距离、最低仰角、最高仰角、合理的方位正负圈次等，据此判断设备(伺服单元)是否满足任务要求，并返回指令给监控服务器，当找到天线等待位置时，设置状态指示变量Rbyte＝1。通过“指向”方式转动天线至等待点，同时为了区别与跟踪结束天线指向状态，设置状态Rbyte＝2。

(二)目标初始捕获阶段。

天线对飞行目标的初始捕获情况较为复杂，下面分别研究设备布站首区、航区以及落区时，天线对目标的初始捕获情况，从中找出一种适用不同情况下的捕获方法。

首区跟踪的初始捕获。当设备布站于目标起飞位置附近时，目标相对于设备位置变化为由近到远的过程。由于刚开始距离目标较近，天线接收的目标信号较强，遥测接收机能够锁定目标信号，但由于此时天线仰角很低，通常小于2°，多径效应影响较为严重，若直接跟踪极有可能因为多径效应导致天线跟踪到目标的镜像上，致使天线跟踪失败，为了确保天线跟踪成功，需要在天线切入自跟踪时首先对天线当前角度进行判断，当天线角度较低时，通常设置小于2°时，禁止天线自跟踪，允许天线工作在程引、数引等模式下，直到天线角度大于2°时再进行自跟踪。

航区跟踪的初始捕获。当设备布站于目标飞行中段时，目标相对于设备位置变化为由远到近，再由近到远的过程。由于刚开始距离目标较远，天线接收的信号较微弱，且同样受到多径效应的影响，天线一般不满足跟踪条件，此时需要控制天线工作在程引、数引等模式下转到一个合适位置，在该位置上，天线俯仰角度大于2°，不易受多径效应的干扰，同时接收的目标信号较强，遥测接收机能够稳定锁定信号，正常解算出天线角误差电压，从而驱动天线转向目标方向。因此在天线切入自跟踪前需要对天线接收的目标信号大小进行判断，对设备来说，最直观的表征为接收机要稳定锁定，而对于遥测设备来说，接收机稳定锁定是指接收机的AGCA(低噪声自动增益控制放大器，automatic gain control amplifier)电压大于1.5v，且接收机共模环路锁定指示正常。

落区跟踪的初始捕获。当设备布站于落区时，目标相对于设备位置变化为由远到近的过程。天线初始捕获与航区跟踪的初始捕获情况类似，这里不作重复说明。

综合上面三种情况，设计目标初始捕获阶段的策略。首先，当飞行目标经过天线等待点时，设备首先按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式。如图3所示，在自主跟踪模块收到T0后，在当前T0有效，弹道没有过时的情况下，当飞行目标经过天线等待点时，判断当前时间是否大于T0+等待点相对时刻，若不是继续等待，若是，如果此时收到数引，根据事先装订的弹道判断数引接收是否正常，若不正常，设置采用程引捕获目标；若正常，判断程引角度与数引角度相差是否大于1度，若是，则采用数引捕获目标，否则采用程引捕获目标。其次，在程引或数引工作方式下，驱动天线转到俯仰角度大于2°的位置上。然后，当天线稳定工作在程引或数引工作方式下，判断采用哪台基带进行跟踪，原则上判断3套，哪套基带满足跟踪条件，即判断接收机的AGCA电压是否大于1.5v，且接收机共模环路锁定指示是否正常，一旦判断接收机稳定锁定后，切入自跟踪工作方式，并设置对应的状态Rbyte值。设置Rbyte取值31、32、33时，表示天线工作方式是由程引转入自跟踪，且目前分别是采用基带1、2、3进行自跟踪。设置Rbyte取值41、42、43时，表示天线工作方式是由数引转入自跟踪，且目前分别是采用基带1、2、3进行自跟踪。

(三)自主跟踪阶段。

对于遥测设备来说，当天线捕获飞行目标后，一般能够稳定跟踪到地平线附近或目标信号消失。但为了提高跟踪的可靠性，需要重点对跟踪过程中的异常情况进行充分考虑，制定有效的应对策略。下面分别研究天线跟踪过程中飞行目标信号强度起伏较大以及飞行目标信号彻底消失两种跟踪异常情况下的处理方法。

信号强度起伏较大时的异常处理。飞行器在飞行过程中经常出现一些动作，如飞行姿态发生变化，或者飞行器级间分离等，导致地面遥测设备接收到的目标信号会在短时间内出现较大起伏，甚至信号短暂中断。此时天线极易出现跟踪失败的情况。通过对大量飞行目标进行实际跟踪，判断飞行目标出现此类情况的时间很短，一般在5s以内，考虑到信号起伏时间很短，在天线稳定跟踪时，可以利用合适的外推算法推算目标飞行轨迹，一旦出现信号起伏导致接收机失锁时，可以利用外推弹道驱动天线运转，一旦接收机锁定正常后，继续转入自跟踪方式。从而避免天线跟踪失败的情况。

信号中途彻底消失时的异常处理。飞行器在飞行过程中有可能出现信号彻底消失的情况，此时如果没有考虑到此类情况，天线在跟踪过程中因为信号突然消失导致天线失去控制，有可能造成天线机械性损伤。由于天线在信号消失的5s内时，无法准确判断信号变化情况，因此在信号消失的5s内采取的应对方法与信号起伏较大时的应对方法雷同，当信号消失时间超过5s，则判断信号彻底消失，此时设置天线工作方式为程引、数引模式。同时为了防止信号消失一段时间后重新恢复这一极端情况，可以在天线工作在程引、数引模式下同时判断接收机是否满足跟踪条件，如果满足，则继续自跟踪。

设计飞行器中途信号消失天线的异常处理策略：在正常跟踪过程中，根据当前天线运行情况，外推5s的目标飞行轨迹，当出现目标信号消失接收机失锁情况，首先将天线转为“记忆”方式，即按照外推弹道继续驱动天线运转，同时判断接收机的AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；当天线在“记忆”方式下工作5s后，仍不满足跟踪条件，按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式，同时判断接收机的AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪。

考虑中途跟踪失效情况，如图4所示。若此时中心数引有效，则转为中心数引，待数引工作稳定后，判断是否满足自跟踪条件，准备再次自跟踪；若此时中心数引无效，则采用程引方式捕获目标，待程序引导到位后，判断是否满足自跟踪条件，准备再次自跟踪。考虑到目标信号不好的情况，导致伺服工作方式在程引(数引)和自跟踪之间连续切换，天线振荡严重，增加一个变量CapCount，每次由程引模式转入自跟踪，CapCount计数加1，若CapCount大于预设值，一般设为10，若此时目标信号不好，设置Rbyte＝8，并设置天线强制工作在程引方式下，起到保护天线的作用。

(四)天线结束跟踪阶段。

当飞行器超出设备作用距离，或者飞行器位于地平线之下时，天线无法继续跟踪，此时需要对天线跟踪结束情况进行分析，制定合理的跟踪结束策略。

遥测天线跟踪飞行目标一般能跟踪到目标出地平线附近，当天线跟踪飞行目标到1°时，一方面由于目标相对于天线很远，天线接收信号很弱且多径反射导致信号质量较差，接收机无法正常锁定，极易失去控制，造成机械结构损伤，另一方面由于遥测天线接收信号的范围角度一般较宽，天线停在俯仰角度1°的位置上也能够接收到0°左右的信号。为了避免天线飞车引起天线机械结构的损坏，同时尽可能多的收集遥测数据，一般工程上采用天线自跟踪至1度，转为“指向”或“手动”工作方式。本发明预设一个结束仰角，通常为1度。如图5所示，当天线跟踪目标仰角小于预设的角度，天线立即转为“指向”工作方式，同时由于天线在初始捕获时仰角一般也很小，为防止程序误判为跟踪结束，添加两个判断条件：一是天线仰角小于预设值且状态Rbyte不等于1和2；二是起飞时间大于30s。当满足两个判断条件时，天线转为“指向”工作方式，并设置Rbyte＝9。

当天线俯仰角度为1°且接收机正常锁定时，天线工作方式自动转为“指向”状态，考虑到天线在初始捕获时俯仰角度也有1°且接收机锁定的情况，增加对起飞时间的判断，避免天线在初始捕获时直接转为“指向”状态。

该流程依赖中心T0，一旦收不到T0，天线将一直处于等待状态。为了避免跟踪到旁辨，程序采用先程引一段角度，待角度较高时切入自跟踪，这也是目前设备岗位人员采取的一种方式。

实施例：以具体遥测设备为例说明遥测天线自主跟踪模块的实现。

目前新一代遥测设备ACU(天线控制单元)采用了一套通用的ACU软件产品。该产品封装了对A/E座架(或与之类似的双轴/三轴座架)伺服设备的基本控制要求的完全控制，并采用动态的模块加载，使该产品可以通过添加或更换软硬件的方式来实现对于测控系统外部设备的支持，从而构成复杂的伺服系统天线控制应用。本实施例在某具体遥测设备上设计编写自主跟踪模块。

本模块主要提供跟踪策略的实现功能，包括：

(1)等待点的选择；

(2)程序引导、中心数引、基带自跟踪等跟踪方式的进入判据处理；

(3)跟踪异常的处理；

(4)实现跟踪天线的自动停止。

本模块运行的主要流程如图6所示。

(1)等待点的选择。ACU(天线控制单元)程序启动后，弹道数据加载由程序跟踪模块实现，该模块将弹道数据写入总线，形成包含弹道点元素信息、特征点元素信息和弹道整体信息的弹道信息。

自动跟踪模块将载入的弹道从起始点的俯仰角度开始逐个与参数设置中的最小仰角进行比对，找到第一个符合条件的弹道点，从而判定该点为等待点。同时将天线的工作方式设置为“指向”方式，驱动天线转向等待点。

(2)跟踪方式的切换。该部分是整个模块最重要的部分，决定是否能够完成跟踪任务。

当北京时间大于T0+飞行时间，即目标飞到等待点时，如果此时有数引数据，首先进行程引与数引的判断，如果程引角度与数引角度相差大于1度，则转入数引工作模式，数引到位后，判断哪台基带满足跟踪条件则采用哪台基带进行跟踪，如果程引角度与数引角度相差小于1度，则转入程引工作模式，程引到位后，判断哪台基带满足跟踪条件则采用哪台基带进行跟踪。如果此时没有数引数据，则转入程引工作方式。

(3)跟踪异常的处理。考虑天线在跟踪目标过程中，由于级间分离等情况可能导致信号失锁，跟踪失效情况。程序对跟踪失效情况进行相应处理，具体流程见图4。

(4)实现跟踪天线的自动停止。本模块结束天线的自跟踪主要通过跟踪仰角和跟踪时间进行判断。在每次试验任务中，根据技术方案下达的跟踪弧段，通过设置“程引俯仰最低等待点”和“结束自动化运行的俯仰角”两个数值来确定合适的捕获时间和结束跟踪时间。

Claims (5)

1.一种遥测天线自主跟踪方法，其特征在于，包括：

(1)在任务准备阶段，监控服务器收到中心送来的任务弹道文件并转发给伺服单元，伺服单元的程序引导模块预先载入弹道，伺服单元的自主跟踪模块在确定时码器和轴角编码器没有故障的前提下，收到监控计算机送来的自主运行指令，根据总线上的弹道数据找到天线等待位置，根据弹道计算出当前任务下天线的相关要求，并判断伺服单元是否满足任务要求并返回指令给监控服务器，当找到天线等待位置，设置状态指示变量Rbyte＝1，当转动天线至等待点，设置Rbyte＝2；

(2)在目标初始捕获阶段，飞行目标经过天线等待点时，设备首先按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式，再在选定的程引或数引工作方式下，驱动天线转到俯仰角度大于2°的位置上，然后，判断采用哪台基带进行跟踪，原则判断3套基带，在锁定接收机后，切入自跟踪工作方式，并设置对应的状态Rbyte值；

所述的(2)在目标初始捕获阶段，选择数引或程引的方法是：当飞行目标经过天线等待点时，如果此时收到数引，根据事先装订的弹道判断数引接收是否正常，若不正常，设置采用程引捕获目标；若正常，判断程引与数引相差是否大于1度，若小于1度则采用数引捕获目标，否则采用程引捕获目标；

(3)在自主跟踪阶段，当中途飞行目标的信号消失时，根据在正常跟踪过程中当前天线的运行情况，外推5s的目标飞行轨迹，当出现目标信号消失接收机失锁情况时，首先将天线转为“记忆”方式，即按照外推弹道继续驱动天线运转，同时判断接收机的低噪声自动增益控制放大器AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；当天线在“记忆”方式下工作5s后，仍不满足跟踪条件，按照数引－程引的优先级顺序选择一种工作方式，同时判断接收机的AGCA电压及共模环路锁定情况，一旦满足跟踪条件，立即转入自跟踪；

(4)在天线结束跟踪阶段，当满足以下两个条件时，天线立即转为“指向”工作方式；

条件1，天线跟踪目标仰角小于预设值且Rbyte的值不等于1或2；

条件2，起飞时间大于30秒。

2.根据权利要求1所述的遥测天线自主跟踪方法，其特征在于，所述的(2)在目标初始捕获阶段，判断采用哪台基带进行跟踪的方法是：判断接收机的低噪声自动增益控制放大器AGCA电压是否大于1.5v，且接收机共模环路锁定指示是否正常。

3.根据权利要求1所述的遥测天线自主跟踪方法，其特征在于，所述的(2)在目标初始捕获阶段，当设置Rbyte取值31、32、33时，表示天线工作方式是由程引转入自跟踪，且目前分别是采用基带1、2、3进行自跟踪；设置Rbyte取值41、42、43时，表示天线工作方式是由数引转入自跟踪，且目前分别是采用基带1、2、3进行自跟踪。

4.根据权利要求1所述的遥测天线自主跟踪方法，其特征在于，所述的(3)在自主跟踪阶段，在中途跟踪失效时，若此时中心数引有效，则转为中心数引，在中心数引工作稳定后，判断是否满足跟踪条件；若此时中心数引无效，则采用程引方式捕获目标，待程序引导到位后，判断是否满足跟踪条件。

5.根据权利要求1或4所述的遥测天线自主跟踪方法，其特征在于，所述的(3)在自主跟踪阶段，设置变量CapCount，每次由程引模式转入自跟踪，CapCount计数加1，若CapCount大于预设值，并且此时目标信号不好，则设置天线强制工作在程引方式下。

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