相控阵导引头位标器稳定跟踪控制仿真_邓方艺
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第３ ５卷 第２期 ２ ０ １ ３年２月
） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ５ ０ ６ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ ４ ０ ２ ０ ６ － － －
系统工程与电子技术 Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｇ ｇ
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０ １ 燀 ０ 燅 ； 式中 ， 外 环 框） 内环 λ λ ｚ 为框架俯仰角（ ｙ 为框架方位角（ 。 框） （ ）滚转轴 扰 动 速 率 经 过 积 分 形 成 滚 转 扰 动 角 与 ４ ｘ， 转换为两轴角速率 ” 模块 。 扰动角速率 ω ω ａ ａ ｚ 输入 “ ｙ， （ ）“ 转换为两 轴 角 速 率 ” 模块完成形成新的速率ω ５ ′ ｚ ｙ 。 和角度 的计算 ｘ ｚ ｙ
０
１
０
０ ｃ ｏ ｓ ｓ ｉ ｎλ λ ｙ ｙ 燅 燀 ， 为外框到内框的转换矩阵 表示为 Ｃ ｉ ｏ ｃ ｏ ｓ λ 熿 ｚ Ｃ ｉ ｏ ＝ ｓ ｉ ｎλ ｚ ｉ ｎλ ０ －ｓ 燄 ｚ ｃ ｏ ｓ λ ｚ ０
将上述扰动的转换角度与方位和俯仰 波 束 偏 转 角 度 相 形成受扰动的视线角 ， 将其反馈 ， 与控制指令相比较， 通 加， 过控制律的补偿 ， 消除扰动的角度 ， 并跟踪控制指令。虽然 但 从 控 制 原 理 的 基 本 理 论 出 发， 通过 扰动是高度非线性 的 ， 前向通道的控制 ， 仍然有可能消除其主要的影响 。
（ ） 中国空空导弹研究院 ，河南 洛阳 ４ ７ １ ０ ０ ９
摘 要 ：研究了相控阵导引头位标器捷联稳定平台的 控 制 问 题 。 相 控 阵 雷 达 通 过 嵌 入 天 线 阵 元 的 移 相 器 对 阵面辐射波前进行控制 ， 实现波束 的 空 间 扫 描 。 这 种 体 制 的 相 控 阵 雷 达 可 解 决 快 速 扫 描 问 题 ， 完成对目标的跟 踪 。 在跟踪的同时需要消除由于导弹弹体姿态运动 产 生 的 对 目 标 跟 踪 精 度 的 扰 动 影 响 ， 同时保证稳定平台能够 为了消除弹体姿态变化对 目 标 测 量 的 影 响 ， 采用捷联式稳定 较好地跟踪固定目标或运动目标 。 对于雷达导引头 ， 平台来实现天线的稳定 。 基于补充原理 ， 采用了角位置补偿法进行了数字仿真研究 。 关键词 ：相控阵导引头 ；位标器 ；稳定跟踪 ；稳定平台 ： ／ 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ Ｔ Ｎ ５ １ ０ 文献标志码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ５ ０ ６ Ｘ． ２ ０ １ ３． ０ ２． ２ ９ － ｊ
１ ２］ 制算法 ［ 等很多先进的算法 也 有 很 多 研 究 成 果 ， 但应用于 工程实践的还较少见 。 本文基于 Ｐ 控制及前馈控制 建立 Ｉ Ｄ
来正在发展的新技术 ， 它比单脉冲 、 脉冲多 普 勒 等 任 何 一 种 技术对雷达发展所带来的影响都要深刻 和 广 泛 。 采 用 相 控 电扫描 快 速 跟 踪 、 多目标 阵雷达的导引头具有功率密度大 、 空时自适 应 信 号 处 理 、 自 适 应 抗 干 扰、 体积小和 信息提取 、 可靠性高等多种技术 优 势 ， 是精确制导雷达导引头的发展 ４］ 。 方向 ， 成为世界各国共同关注的课题 ［ 由于弹体姿态角 的 变 化 对 目 标 测 量 存 在 影 响 ， 其稳定 ］ ５ ６ － ， 算法的精度将直接影响跟踪的精 度 ［ 由于相控阵的特殊 只能采用捷联式稳定平台来实现天线 的 稳 定 ， 基于补充 性， ７］ ， 。 原理 本文采用了角位置补偿法进行了数字仿真研究 ［ 相控阵导引头位标器稳定平台是利用 弹 体 上 的 角 速 率 陀螺测量出导弹本身的三轴角速率 ， 通过 稳 定 补 偿 算 法 ， 通 过嵌入天线阵元的移 相 器 对 阵 面 辐 射 波 前 进 行 控 制 ， 改变 波束指向来消除弹体对跟踪目标的扰动 ， 因此， 基于此的目
Leabharlann Baidu
０ 引 言
［ １］ 快速的波 束 捷 变 能 力 ， 它能在 相控阵雷达 具有灵活 、 瞬间 完 成 对 多 目 标 进 行 跟 踪 和 区 域 搜 索 的 计算机控制下 ， ］ ２ ３ － 功能 ， 目前已广泛应用于军事领 域 。 相 控 阵 技 术 ［ 是近年
标跟踪控制方法较框架／平台式复杂得多 ， 控制方式也多样 ］ ８ ９ － 化了 。 随动跟踪思想目前在视频 监 控 器 、 机 器 人 领 域［ 应 ［ ［ １ ０］ １ １］ 用较多 ， 最优控制算 法 、 自适应控 Ｈ∞ 鲁 棒 控 制 算 法 、
第２期
·４ ０ ３ ·
邓方艺等 ：相控阵导引头位标器稳定跟踪控制仿真
速率ω 形成新的方位角和俯仰角速率分别为 ＇ ｚ 和角度 ｘ ｚ； ｙ ｙ ， 可以将弹体 ＇ ｓ ｉ ｎ ＇ ｃ ｏ ｓ ω ω ω ｘ ｚ ω ｘ ｚ 经 过 上 述 变 换， ｚ ｚ ε＝ ｙ ｙ ｙ ｙ β＝ 扰动角速率转换为视线坐标系中对方位角 和 俯 仰 角 的 扰 动 角 。 由于变换过程 中 用 到 了 滚 转 角 速 率 的 积 分 ， 扰动现象 有一定的延迟 。
（ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ Ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｌ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ Ｌ ｕ ｏ ａ ｎ ４ ７ １ ０ ０ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） ｙ， ｙ ｇ
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； 修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ８ ０ ６ ２ ０ １ ２ ０ ８ ０ ５ － － － －
并对算法精度进行了仿真 。 了系统跟踪的仿真模型 ，
１ 相控阵导引头位标器控制原理
控制原理就是首 先 将 扰 动 速 率 转 换 到 视 线 坐 标 系 ， 由 ， 于是三轴速率扰动 将 滚 转 轴 的 扰 动 先 通 过 积 分 变 为 扰 动 滚转角 ， 将三轴速率扰动变为相应的方位 、 俯仰两轴的速率 扰动 ， 再经过积分形成两轴角度扰动 ， 通过 改 变 波 束 指 向 形 成的视线角相加构成方位 、 俯仰通道的视 线 失 调 角 ， 利用适 当的控制律完成失调角的控制 。 弹体三轴扰动角速率转换到视线坐标 系 的 几 何 关 系 如 图 １ 所示 。 图中 ， 分别与 ω ω ω ａ ｘ， ａ ａ ｚ 为弹体三轴 扰 动 速 率， ｙ， 其中ω 俯 视线坐 标 系 ｘ， ｚ 轴 同 方 向； ω ｙ， ａ ａ ｚ 形 成 方 位 角、 ｙ， 仰角速率干扰 ， 可以合成为速率ω 具 有 角 度 滚转扰 ｚ， ｚ； ｙ ｙ 动 速率 ω 使ω 形成新的 ａ ｘ 将会形成扰动滚转角 ｘ， ｚ 转动 ｘ， ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． ２ Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ０ １ ３ ｙ２
网址 ： ｗｗｗ． ｓ ｓ ｅ ｌ ｅ ． ｃ ｏ ｍ － ｙ
相控阵导引头位标器稳定跟踪控制仿真
邓方艺 ，邹 谊
图 ３ 视线坐标系点目标位置
（ ） Ｃｏ ２ ω ωｍ ａ ｍ ＝Ｃ ｉ ｏ ｍ Ｔ ， （ ， ， ） ； 式中 ωｍ ＝ ω 为弹体三轴角速度 Ｃ ｍ ｘ ω ｍ ｍ ｚ ｏ ｍ 为弹体 ｙ ω 到外框的转换矩阵 ， 表示为 ｃ ｏ ｓ ０ －ｓ ｉ ｎλ λ 熿 燄 ｙ ｙ
Ｃ ｏ ｍ ＝
图 １ 扰动速率关系
） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ５ ０ ６ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ ４ ０ ２ ０ ６ － － －
系统工程与电子技术 Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｇ ｇ
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０ １ 燀 ０ 燅 ； 式中 ， 外 环 框） 内环 λ λ ｚ 为框架俯仰角（ ｙ 为框架方位角（ 。 框） （ ）滚转轴 扰 动 速 率 经 过 积 分 形 成 滚 转 扰 动 角 与 ４ ｘ， 转换为两轴角速率 ” 模块 。 扰动角速率 ω ω ａ ａ ｚ 输入 “ ｙ， （ ）“ 转换为两 轴 角 速 率 ” 模块完成形成新的速率ω ５ ′ ｚ ｙ 。 和角度 的计算 ｘ ｚ ｙ
０
１
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将上述扰动的转换角度与方位和俯仰 波 束 偏 转 角 度 相 形成受扰动的视线角 ， 将其反馈 ， 与控制指令相比较， 通 加， 过控制律的补偿 ， 消除扰动的角度 ， 并跟踪控制指令。虽然 但 从 控 制 原 理 的 基 本 理 论 出 发， 通过 扰动是高度非线性 的 ， 前向通道的控制 ， 仍然有可能消除其主要的影响 。
（ ） 中国空空导弹研究院 ，河南 洛阳 ４ ７ １ ０ ０ ９
摘 要 ：研究了相控阵导引头位标器捷联稳定平台的 控 制 问 题 。 相 控 阵 雷 达 通 过 嵌 入 天 线 阵 元 的 移 相 器 对 阵面辐射波前进行控制 ， 实现波束 的 空 间 扫 描 。 这 种 体 制 的 相 控 阵 雷 达 可 解 决 快 速 扫 描 问 题 ， 完成对目标的跟 踪 。 在跟踪的同时需要消除由于导弹弹体姿态运动 产 生 的 对 目 标 跟 踪 精 度 的 扰 动 影 响 ， 同时保证稳定平台能够 为了消除弹体姿态变化对 目 标 测 量 的 影 响 ， 采用捷联式稳定 较好地跟踪固定目标或运动目标 。 对于雷达导引头 ， 平台来实现天线的稳定 。 基于补充原理 ， 采用了角位置补偿法进行了数字仿真研究 。 关键词 ：相控阵导引头 ；位标器 ；稳定跟踪 ；稳定平台 ： ／ 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ Ｔ Ｎ ５ １ ０ 文献标志码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ５ ０ ６ Ｘ． ２ ０ １ ３． ０ ２． ２ ９ － ｊ
１ ２］ 制算法 ［ 等很多先进的算法 也 有 很 多 研 究 成 果 ， 但应用于 工程实践的还较少见 。 本文基于 Ｐ 控制及前馈控制 建立 Ｉ Ｄ
来正在发展的新技术 ， 它比单脉冲 、 脉冲多 普 勒 等 任 何 一 种 技术对雷达发展所带来的影响都要深刻 和 广 泛 。 采 用 相 控 电扫描 快 速 跟 踪 、 多目标 阵雷达的导引头具有功率密度大 、 空时自适 应 信 号 处 理 、 自 适 应 抗 干 扰、 体积小和 信息提取 、 可靠性高等多种技术 优 势 ， 是精确制导雷达导引头的发展 ４］ 。 方向 ， 成为世界各国共同关注的课题 ［ 由于弹体姿态角 的 变 化 对 目 标 测 量 存 在 影 响 ， 其稳定 ］ ５ ６ － ， 算法的精度将直接影响跟踪的精 度 ［ 由于相控阵的特殊 只能采用捷联式稳定平台来实现天线 的 稳 定 ， 基于补充 性， ７］ ， 。 原理 本文采用了角位置补偿法进行了数字仿真研究 ［ 相控阵导引头位标器稳定平台是利用 弹 体 上 的 角 速 率 陀螺测量出导弹本身的三轴角速率 ， 通过 稳 定 补 偿 算 法 ， 通 过嵌入天线阵元的移 相 器 对 阵 面 辐 射 波 前 进 行 控 制 ， 改变 波束指向来消除弹体对跟踪目标的扰动 ， 因此， 基于此的目
Leabharlann Baidu
０ 引 言
［ １］ 快速的波 束 捷 变 能 力 ， 它能在 相控阵雷达 具有灵活 、 瞬间 完 成 对 多 目 标 进 行 跟 踪 和 区 域 搜 索 的 计算机控制下 ， ］ ２ ３ － 功能 ， 目前已广泛应用于军事领 域 。 相 控 阵 技 术 ［ 是近年
标跟踪控制方法较框架／平台式复杂得多 ， 控制方式也多样 ］ ８ ９ － 化了 。 随动跟踪思想目前在视频 监 控 器 、 机 器 人 领 域［ 应 ［ ［ １ ０］ １ １］ 用较多 ， 最优控制算 法 、 自适应控 Ｈ∞ 鲁 棒 控 制 算 法 、
第２期
·４ ０ ３ ·
邓方艺等 ：相控阵导引头位标器稳定跟踪控制仿真
速率ω 形成新的方位角和俯仰角速率分别为 ＇ ｚ 和角度 ｘ ｚ； ｙ ｙ ， 可以将弹体 ＇ ｓ ｉ ｎ ＇ ｃ ｏ ｓ ω ω ω ｘ ｚ ω ｘ ｚ 经 过 上 述 变 换， ｚ ｚ ε＝ ｙ ｙ ｙ ｙ β＝ 扰动角速率转换为视线坐标系中对方位角 和 俯 仰 角 的 扰 动 角 。 由于变换过程 中 用 到 了 滚 转 角 速 率 的 积 分 ， 扰动现象 有一定的延迟 。
（ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ Ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｌ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ Ｌ ｕ ｏ ａ ｎ ４ ７ １ ０ ０ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） ｙ， ｙ ｇ
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并对算法精度进行了仿真 。 了系统跟踪的仿真模型 ，
１ 相控阵导引头位标器控制原理
控制原理就是首 先 将 扰 动 速 率 转 换 到 视 线 坐 标 系 ， 由 ， 于是三轴速率扰动 将 滚 转 轴 的 扰 动 先 通 过 积 分 变 为 扰 动 滚转角 ， 将三轴速率扰动变为相应的方位 、 俯仰两轴的速率 扰动 ， 再经过积分形成两轴角度扰动 ， 通过 改 变 波 束 指 向 形 成的视线角相加构成方位 、 俯仰通道的视 线 失 调 角 ， 利用适 当的控制律完成失调角的控制 。 弹体三轴扰动角速率转换到视线坐标 系 的 几 何 关 系 如 图 １ 所示 。 图中 ， 分别与 ω ω ω ａ ｘ， ａ ａ ｚ 为弹体三轴 扰 动 速 率， ｙ， 其中ω 俯 视线坐 标 系 ｘ， ｚ 轴 同 方 向； ω ｙ， ａ ａ ｚ 形 成 方 位 角、 ｙ， 仰角速率干扰 ， 可以合成为速率ω 具 有 角 度 滚转扰 ｚ， ｚ； ｙ ｙ 动 速率 ω 使ω 形成新的 ａ ｘ 将会形成扰动滚转角 ｘ， ｚ 转动 ｘ， ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． ２ Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ０ １ ３ ｙ２
网址 ： ｗｗｗ． ｓ ｓ ｅ ｌ ｅ ． ｃ ｏ ｍ － ｙ
相控阵导引头位标器稳定跟踪控制仿真
邓方艺 ，邹 谊
图 ３ 视线坐标系点目标位置
（ ） Ｃｏ ２ ω ωｍ ａ ｍ ＝Ｃ ｉ ｏ ｍ Ｔ ， （ ， ， ） ； 式中 ωｍ ＝ ω 为弹体三轴角速度 Ｃ ｍ ｘ ω ｍ ｍ ｚ ｏ ｍ 为弹体 ｙ ω 到外框的转换矩阵 ， 表示为 ｃ ｏ ｓ ０ －ｓ ｉ ｎλ λ 熿 燄 ｙ ｙ
Ｃ ｏ ｍ ＝
图 １ 扰动速率关系