天伺馈系统原理与设计

周俞

摘要：遥测系统能否稳定连续地跟踪和获取目标的测量数据，首先取决于天伺馈系统能否稳定和可靠控制天线对准目标。本文介绍了遥测系统的跟踪体制、跟踪网络等，并对天伺馈系统的原理及设计进行了阐述。

关键词：遥测系统；跟踪体制；跟踪网络

中图分类号：TJ203 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0162-03

1 引言

遥测系统在对运动目标的测量中，需要稳定性与可靠度较高的天伺馈系统控制天线对准目标，才能连续有效地跟踪和获取目标的测量数据。跟踪性能的好坏，很大程度上取决于跟踪体制、跟踪网络的设计及性能[1-3]。遥测系统的主要任务是获取遥测数据，其跟踪精度不需要像光学测量等外测设备要求那么高。综合考虑系统的复杂性、稳定性、可靠性和收发天线共用等问题，目前国内新型S波段遥测系统通常采用单通道单脉冲跟踪（简称SCM）体制[4-5]。单通道单脉冲体制的优点是系统复杂程度明显简化，工作的可靠性明显提高，动态滞后明显减少，节省了信道，简化了技术交叉环节，降低了设备成本。

2 遥测系统天伺馈系统原理及设计

2.1 系统组成及原理

天伺馈系统由抛物面天线和馈源、天线座、天线驱动单元、天控器等组成，如图1所示。

天馈部分实现目标的遥测信号的接收，伺服部分实现目标的跟踪指向。系统跟踪采用单通道单脉冲体制，遥测信号接收及跟踪误差信号的形成由馈源内的五元照射器和跟踪网络完成。

照射器为一个五元阵，如图2所示。其中1、2、3、4单元天线采用半波振子天线。这四个单元天线按菱形排列组阵，工作时，上下两个单元天线经180°桥输出S频段的俯仰误差信号。同样的方式，左右两个单元天线输出方位误差信号。俯仰和方位二个误差信号提供跟踪信号。中间单元为一个宽频带振子天线，作为S频段的下行接收。单元天线5置于抛物面反射器的焦点处，所以可获得最高的增益，即有最大的和信号；而四个对称的半波振子天线处于偏焦位置，仅用于产生误差信号。

为实现左、右旋圆极化，五元照射器内的所有单元天线都设计成正交结构。而90°桥则紧连接在正交的单元天线之后，即先圆极化的传输方式。

2.2 跟踪网络的设计

跟踪网络为单通道单脉冲体制的波束形成网络。其工作原理是：按一定阵形排列的四个单元天线经四个90°桥后形成八路左、右旋圆极化信号，经四个和差器处理后分别形成左、右旋的俯仰和方位误差信号。然后按旋向分开，将俯仰和方位信号分别输入0/π调制器。通过两路相位差90°的1KHz方波，实现对俯仰和方位二路误差信号的相位调制。被调制的二路误差信号经相加器进行合并，再由一个12dB定向耦合器迭加到和通道上，最终将三路信号（Σ、△E、△A）变成一路输出。馈源网络框图如图3所示。

2.3 伺服工作原理

伺服部分是一种计算机控制和管理的多功能数字控制系统。智能控制板内DSP完成综合数据处理和跟踪系统数字控制计算，计算机进行智能化管理、对外通讯、系统自检和故障辅助判断、事后数据处理等任务。

伺服部分的原理框图如图4所示。它是一个多回路控制系统，经双通道旋转变压器构成角位置回路，通过接收机构成目标角跟踪回路。

伺服分系统的控制量可以根据形成闭环回路的不同分为两大类型。一类是跟踪时由目标和接收机构成的空间闭合回路，即角跟踪回路，这时软件开关K1闭合，K2断开。另一类是在定点、手动、程控、引导、收藏等工作模式下，由旋变构成的角位置回路，这时软件开关K2闭合，K1断开。为了提高系统性能，在上面两个回路内设计有电流环和速度环，这样伺服分系统形成了一个多回路，多功能的闭环系统。

在空间闭合回路状态下，由天线波束与目标的相对位置形成角误差信号，经接收机放大和检波以后，形成角误差电压。计算机通过A/D转换读取角误差的数字量，由数字位置调节器按照给定的控制律产生数字控制量，送给数字稳定回路，从而控制天线座上的执行元件驱动天线向着减小误差的方向运动，直至天线的波束对准目标。

角位置回路状态下，计算机经过双通道旋转变压器和RDC变换器读取天线的当前角度，与输入指令比较产生误差信号，同样由数字位置调节器按照给定的控制律产生数字控制量，通过D/A变换器输出电压信号，送给数字稳定回路，从而控制天线座上的执行元件驱动天线向着减小误差的方向运动，直至误差趋于零，天线到达指令位置。伺服分系统可以采用多种控制规律和算法，取得满意的跟踪性能。如：快速最优控制、自适应PID控制器、前馈复合控制等。

在小角度范围内，数字位置调节器采用自适应PID控制器，可以取得很好的稳态性能和动态性能。同时PID控制器使伺服系统成为数字二阶无静差系统，实现了对等速输入目标无稳态误差的跟踪。

PID控制器的传递函数为：

PID控制器原理图如图5所示。

PID控制器中由于含有纯积分项KI∫e（t）dt，因此将使跟踪系统为一个二阶无静差系统，实现对速度输入量的无稳态误差跟踪。

为了用计算机软件实现PID控制器，需要将PID控制器离散化，离散化的PID型式为：

PID控制器的输出通过D/A变换器送到模拟控制组合的模拟速度环。

本系统中设计位置环带宽为2.2Hz，设计参数为：KP=51.4，KI=140，KD=-3.2。

在大角度范围转动天线时，数字位置调节器采用对速变输入量的快速最优控制，实现大失调角时快速、平稳、无超调追赶调转。为了提高系统的动态精度，附加前馈复合控制辅助通道来组成复合控制系统，在使用前馈复合控制后，系统加速度常数可以大大提高，减小了动态滞后误差，跟踪精度能够得到满足。伺服分系统的方位支路具有正割补偿功能，以适应不同仰角的跟踪要求。

未捕获到目标信号之前，可以在预定目标空域进行搜索。搜索方式有：手动搜索、数字引导等。搜索可以是俯仰或方位单轴进行，也可以是双轴同时进行。天线接收到目标信号后，当接收信号的AGC电平、锁定信号、误差信号满足给定条件时，天线进入自跟踪状态，实现对目标的平稳准确跟踪。

当跟踪低仰角飞行目标时，由于反射影响，产生多路径效应，它使跟踪设备跟踪目标抖动，严重时甚至丢失目标。因此，在低仰角跟踪目标时，采用平滑滤波算法及利用波束宽度限制天线仰角等措施，确保跟踪平稳。

3 结语

通过以上介绍，较好地阐述了天伺馈系统跟踪目标的原理及过程，有助于技术人员对系统的维护与操作，也为进一步分析遥测系统跟踪精度提供了理论基础。

参考文献

[1]钟顺时.无线理论与技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]栾秀珍，邰佑诚等.天线与电波传播[M].大连：大连海事大学出版社，2002.

[3]戴晴.黄纪军等.现代微波与天线测量技术[M].电子工业出版社，2008.

[4]胡世祥.无線电遥控遥测[M].国防科学技术出版社，2005.

[5]纪传礼.遥控遥测技术[M].电子工业出版社，2008.