目标跟踪性能的仿真研究

2012-06-14孙永江金华松于建成

无线电工程 2012年2期

孙永江，金华松，于建成

(中国卫星海上测控部，江苏江阴214400)

0 引言

在跟踪雷达中，伺服系统控制天线实现对目标的搜索、捕获和控制，所以伺服系统必须具有良好的快速性能和跟踪性能。伺服系统性能指标主要包括:角跟踪性能(天线的运动范围、速度和加速度)、捕获时间、带宽和跟踪精度。各性能指标之间是相互联系、相互制约的，需要不断调试才能达到最优的效果。系统以某船载跟踪雷达伺服系统作为对象，通过改变控制输入模拟机动目标，对跟踪雷达伺服系统进行仿真。以定量的描述将带宽、跟踪性能和跟踪精度有机地结合起来。

1 伺服系统指标分析

1.1 带宽

闭环幅频特性下降到频率为零时的分贝值以下3 dB时，对应的频率ωb称为带宽频率。即

对于I型和I型以上的系统，表达式为:

系统对于高于频率ωb的输入信号衰减很大，只允许低于频率ωb的输入很好通过。系统幅频特性不低于－3 dB对应的频率范围0＜ω＜ωb成为系统带宽。

带宽是频率域中的一项重要指标。带宽大，表明系统能通过较宽的频率的输入;带宽窄，系统只能通过较窄频率的输入[3，4]。因此，带宽大的系统，一方面重现输入信号的能力强，另一方面，抑制输入端高频噪声的能力就弱。将这一原理用在雷达跟踪系统中，当目标比较远时，其速度小，信噪比低，一个较窄的伺服通带可在接收机热噪声的影响最小的同时，以适当小的动态滞后跟踪目标。当目标较近时，信号强，压住了接收机的噪声，适当地增加宽带，可以显著减小滞后误差，但同时又使随机误差增加不多，使系统总误差最小。

1.2 伺服系统跟踪精度

伺服系统跟踪精度包含2个方面:① 系统误差指重复测试均保持同一数值或按某种规律变化的误差分量。主要包括:动态滞后、传递误差、伺服放大器零点漂移和死区;②随机误差是指一种随机的、不规则的、反复多次测量后其大小和符号均不相同的误差分量。主要包括传动误差、伺服放大器零漂和噪声。根据雷达精度要求，分保精度跟踪、稳定跟踪和跟踪不丢失3种跟踪类型。

2 伺服系统仿真

2.1 建立系统模型

采用某船载雷达伺服系统作为仿真模型。为了隔离船摇，自跟踪环路中内嵌了陀螺稳定环路[5]。

跟踪位置环调节器传递函数为:

陀螺稳定环闭环传递函数为:

式中，Kvl为陀螺稳定环闭环增益;τvl为陀螺稳定环闭环等效时常数。

2.2 改变校正参数确立不同的带宽

在仿真过程中，通过选取不同的校正参数来模拟伺服系统不同位置回路带宽。建立系统仿真模型[6～8]，如图1所示。根据仿真结果可以得到位置调节器校正参数和带宽之间的关系。

图1 自跟踪环仿真模型

2.3 正弦函数控制输入仿真

取控制信号为正弦函数作为目标飞行器的飞行轨迹:

则目标的速度特性和加速度特性为:

将图1中输入信号输入正弦信号，在MATLAB中进行仿真。通过选择不同的频率ω来实现不同的跟踪性能要求。然后根据频率可以算出在不同情况下的最大速度和加速度值，结果如表1所示。下面以位置环路带宽为ωb=1.8 Hz，保精度跟踪来进行说明。选择目标频率 ω =0.65，则=6.5°/s，=4.225°/s2。其仿真结果如图2所示。

表1 伺服带宽对机动目标跟踪性能表

图2 位置回路带宽为1.8 Hz时保精度跟踪仿真曲线

2.4 正弦加斜波函数控制信号输入仿真

取控制信号为正弦加斜波函数作为机动目标的飞行轨迹，

则目标的速度特性和加速度特性为:

将图1中输入信号改成正弦信号加斜波信号，在MATLAB中进行仿真。通过选择不同的频率ω来实现不同的跟踪性能要求。然后根据频率可以算出在不同情况下的最大速度和加速度值，结果如表2所示。下面以位置环路带宽为ωb=1.8、保精度跟踪来进行说明。选择目标频率ω=0.65，则=21.5°/s，=4.225°/s2。其仿真结果如图 3所示。

图3 位置回路带宽为1.8 Hz时保精度跟踪仿真曲线

表2 伺服带宽对机动目标跟踪性能表

3 仿真结果分析

从仿真结果可以看出，带宽直接制约着系统的跟踪性能。带宽愈宽，系统适应目标飞行器变化的能力愈强。上面所列的输入信号为正弦信号以及正弦信号加斜波信号2种情况只是2种特例。对于用复杂的数学模型建立的真实目标的仿真，结论同样适用;另外，一般跟踪系统都设计成二阶系统。对于速度恒定的目标飞行器可以实现无静差跟踪，即系统的跟随误差为零。