一种克服机载天线阵风扰动的方法*

田捷力，仇钰清，顾田航

（1.中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西 西安 710065；2.陕西省天线与控制技术重点实验室，陕西 西安 710065；3.西北工业大学，陕西 西安 710072；4.西安邮电大学，陕西 西安 710121）

0 引 言

机载天线处于高空多变的情形下，必须考虑隔离载体移动、姿态变化带来的扰动，才可以实时稳定对准目标，完成对目标的捕获及跟踪，保证稳定的通信信道。影响机载天线瞄准精度的因素很多，如控制系统的影响、编码精度、结构的热变形、跟踪接收机精度、机械平台的扰动以及随机扰动（如气流振动）影响等。其中，随机扰动已成为影响控制系统性能的一个较大因素。高空中，风是飞机的重要随机干扰源。为了实现随机扰动下的机载天线精确随动控制，随机扰动和天线系统的建模分析至关重要。采用合适的控制策略，可提高系统的瞄准精度[1]。

1 飞机阵风干扰模型

飞机在飞行过程中会受到阵风、湍流等外界因素的干扰，虽然飞行控制系统会抑制干扰引起的振荡，但仍会引起飞机的姿态角在平衡状态发生抖动，降低了固连于飞机的机载天线的瞄准精度[2]。为了能够有效抑制飞机由于风扰给机载天线带来的姿态扰动，需要研究阵风作用于飞机上时，在飞行控制器的作用下所产生的姿态响应[3]，为天线提供干扰输入源。

风是飞机干扰的主要来源，作用于飞机引起机体振动。阵风作用可看作对飞机速度的扰动，因此可建立风速模型。风速模型的计算流程如图1所示，应用单位标准差的高斯白噪声输入Davenport滤波器，经过滤波后输出拥有脉动风功率谱的信号，再经过一个比例增益系数为K的环节与滤波器F后，转换为等效速度输入信号。建立阵风干扰模型后，需要利用该风速模型生成干扰风速作用到飞机的速度通道，以模拟阵风对飞机运动的干扰，从而得到飞机受扰后姿态角的运动规律。利用Simulink以及阵风模型对飞机阵风扰动进行仿真，可知对于扰动风速的大小可通过改变白噪声功率来实现。当白噪声参数为10时，扰动风速超过15 m/s，无人机迎角扰动值达到1.7°，即天线俯仰角的扰动达到1.7°。仿真图如图2和图3所示[4]。

2 机载天线控制器模型建立

在卫星天线的实际应用中，天线伺服系统是一个多回路反馈控制系统。伺服控制器主要是针对位置环进行设计，伺服系统的指向精度和跟踪性能很大程度上取决于位置环控制算法的设计。传统的PID控制器虽然具有结构简单、参数易于调整等优点，但为了达到抗扰动的性能，只能提高PI增益，会减小系统稳定裕度，无法抑制天线谐振。PID控制方法在复杂干扰条件下难以达到稳定满意的跟踪控制效果，因此采用PI+LQG算法设计天线的伺服控制器，以增强天线抗扰性能，提高天线系统伺服带宽。以天线俯仰运动为例，设计控制结构如图4所示。采用经典两闭环控制策略，其中测速信号构成速度环，角度传感器构成位置环。PI+LQG天线控制是基于PI+LQG的天线控制器，驱动电机带有电机控制器[5]。

3 仿真验证

根据分析得到系统模型，在Simulink中搭建设计系统的结构，然后加载阶跃等信号对其性能进行仿真验证。

3.1 干扰抑制度

考虑由于飞机受阵风扰动后的迎角偏差对天线控制精度的影响，在测量噪声的基础上，引入机体迎角扰动进行仿真。仿真过程中，飞机所受阵风扰动的风速曲线如图5所示，飞机受阵风扰动后的迎角响应曲线如图6所示。

对于天线系统，不施加控制指令，在仿真过程中加入过程噪声机体扰动信号与量测噪声信号后，仿真结果如图7所示，响应曲线1为加入过程噪声与量测噪声后未经LQG控制器滤波的天线位置输出信号，最大幅值θ为4.8°；响应曲线2为经过LQG控制器Kalman滤波之后的天线位置输出信号，其最大幅值θ为0.7°。根据仿真结果可明显看出，LQG控制器对量测噪声与机体干扰噪声可以有效滤波，实现了较好的估计。它的干扰抑制度为：

3.2 动态性能仿真

动态性能仿真即对系统动态误差的仿真验证，主要验证正弦坡输入下系统的动态误差是否符合要求。系统加载幅度为12°、频率为0.2 Hz的正弦指令，不考虑机体扰动与量测噪声，仿真时间设为10 s，正弦信号输入下天线位置输出曲线仿真结果如图8所示，天线跟踪误差曲线如图9所示。根据仿真结果可以看出，天线伺服控制系统能够很好地跟踪斜坡信号，位置动态误差小于0.2°

4 结 语

LQG控制器抑制随机白噪声阵风具有良好的效果且工程容易实现。文中对天线受风阻影响进行了仿真，表明LQG控制器能有效抑制噪声，降低了影响，拓展了速度环路的带宽，可以充分保留位置环路的高动态性能优势，降低了高空阵风扰动对飞机天线瞄准精度的影响。