航天测控系统高动态目标角捕获方法研究

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1、典型伺服环路结构进行分析(这是伺服角捕获仿真分析的基础)，随后介绍了传统角捕获方法，在此基数字伺服环路简化模型如图2所示，传递函数C(s)包含校正网络、零阶保持器、速度闭环及减速器来稿日期：2010-09—15；修回日期：2010-11—25。作者简介：吴海洲(1977．03一)。男。博士，工程师，主要从事航天测控技术研究工作。42工程报告载人航天2010年第4期图2伺服环路简化框图的功能。伺服环路输入信号为目标测量角位置鼍，输出为天线指向茗。。而C(s)输入信号为目标角位置与天线指向的差值缸，输出为天线指向‰。数字系统的设计可应用连续系统的设计方法，得到传递函数C(s)，再进行数字化。模拟

2、网络数字化的本质是应用数字滤波技术，将输入信号数字序列处理成输出数字序列，使它们的传递关系符合某种确定的要求。常用的数字化方法包括脉冲响应不变法、零极点变换法及双线性变换法等。这里我们得到伺服环路的传递函数C(s)，通过数字化得到数字伺服环路模型，是后面捕获仿真分析的基础。3高动态目标捕获3．1传统方法传统的测控捕获跟踪思路是：采用宽波束对准目标空域，对目标进行角度粗捕获，再引导至窄波束进行精密跟踪。但对于高动态目标，由于其具有较大的速度和加速度，采用传统的引导捕获方法，整个捕获过程非常困难，捕获时间很长。由于需要引导的波束宽，例如引导天线为80波束。则比0．20精密跟踪天线降低32dB增益

3、，增益太低。这样在雨衰情况下就收不到目标信号，不能对目标进行捕获。3．2改进方法为了接收到目标信号，必须保持一定的接收增益，如引导天线波束宽度为20则比0．20精密跟踪天线降低增益20dB，但增益比807I导天线提高12dB。采用多波束技术，通过4阵元天线，对区域空间进行划分．每个空间为20空域，分别对各区域目标进行捕获，在保证天线波束增益的同时，兼顾空间捕获范围。虽然采用同时多波束技术，天线增益降低了20dB，通过低信噪比空间信号处理，提取目标信息特征，判定空间目标位置(指向)。若要形成多个波束，则可采用多个指向不同方向的导向矢量的波束形成器。图3中共有M个波束形成器。第k个波束的权矢量为

4、：‰“吼)：[1，≯⋯，?㈨魄]T(1)圈3多波束形成原理式中，吼：2}sin吼。因此其输出为孔(n)剐：r聋(n)：∑‰(n)e讲”1概(2)可见，相应的波束图将指向吃。通过设定不同的吼，即得到不同指向的合成波束图。一种特殊情况是：将空间分为M个均匀波束覆盖，则可采用FFr方法得到闭。令却=詈(3)饥鼎‘译簪k=O'1’“，肌l(4)代入式(2)，得扎(n)：∑‰ed(m-n蝴：∑算。。e枷埘k----O，1，⋯，M一1(5)式(5)即为FFr表达式。可见，对于M元阵，可得到M个独立波束，此M个独立波束等间距。4仿真为了检验所提方法是否达到测控系统高动态目标捕获跟踪的性能要求，我们通过以下

5、仿真得到伺服环路角捕获特性，以此验证所提方法的有效性。为了保证接收到目标信号，传统角捕获方法波束宽度定为2。波束(80波束增益太低，不能检测到目标信号)。因此首先仿真2。波束下伺服环路角捕获性能，随后仿真传统方法与所提方法的目标捕获概率。4．1传统捕获过程设天线波束宽度为20。分别对目标角速度为0．25。Is和2．50／s的情况迸行仿真。4．1．1目标角速度0．250／s43载人航天两10年第4期工程报告目标驻留时间为8S，测量时不可避免存在测量随机误差，设测量随机误差为0．20和0．250。伺服系统捕获过程如图4所示，其中(a)为无测量随机角误差的情况，(b)和(c)分别为存在O．20和0

6、．25。随机测量角误差的捕获情况。由图可见，角度震荡最大幅度为0．70，能够完成捕获，收敛时间2s左右。4．1．2目标角速度2．50／s目标驻留时间0．8s。伺服系统捕获过程如图5所示，其中(a)、(b)及(c)分别为无测量随机角误差、存在0．20及0．250随机测量角误差的捕获情况。由图可见，角度震荡最大幅度大于lo，不能完成捕获。由上述仿真可见，对于传统角捕获方法，目标角速度越大，捕获越困难，甚至不能捕获。4．2多波束下伺服捕获概率经过1000次蒙特卡洛仿真，得到三种目标动态下不同波束宽度的捕获概率，如图6所示。其中2。波束宽度为传统角捕获方法波束宽度，采用同时多波束技术扩展覆盖空域，等

7、效为增益不变下波束覆盖范围展宽。角速度分别为0．250／s、10／s及2．50，s。由图6可见，采用多波束技术使波束覆盖范嗣增大，目标捕获概率提高。在无误差情况下，三种角速度隋况下均能达到很好的检测概率(三种情况下曲线重合)。当波束覆盖范围为30时，角度测量随机误差0．20下其捕获概率能达到98％以上。图4目标角速度为0．25％时伺服捕获过程(a)无误差(b)角度测量随机误差O．20(c)角度测量随机误差0．