為保證位置伺服的平穩(wěn)運(yùn)行，避免急動(dòng)急停給天線帶來(lái)沖擊，故伺服過(guò)程中加速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化如圖4所示。此外，對(duì)于控制器PID參數(shù)可以參考表1規(guī)律，進(jìn)行最終使位置伺服達(dá)到“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”。

　　伺服電機(jī)的選用也是該伺服天線設(shè)計(jì)內(nèi)容，電動(dòng)機(jī)的額定功率可用下列公式進(jìn)行估算。
　　
　　當(dāng)伺服系統(tǒng)選用較大的功率和力矩時(shí)，可以使伺服參數(shù)容易調(diào)整，但會(huì)使體積和成本增加。所以一般余量不應(yīng)該太大。
本伺服系統(tǒng)為滿足多種螺旋天線的跟蹤需要，采用Maxon公司的EC-max40系列的40 W無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，并選用減速比約246:1的陶瓷行星減速器GP32C，外加了減速比約2.7:1的二級(jí)減速器，總減速比為668.71:1，采用EPOS24/5位置伺服控制器，位置伺服采用了光電編碼器HDEL55。雖然采用光電編碼器，但伺服系統(tǒng)還是能在-10 ℃低溫環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存和工作。
2.3 跟蹤軟件設(shè)計(jì)
　　跟蹤軟件主要完成目標(biāo)方位角解算和控制界面顯示、模式切換等功能，兼顧一定系統(tǒng)故障診斷功能，并具有日志記錄功能，該系統(tǒng)記錄時(shí)間為1 s一次。
　　在軟件中還增加了天線指向車頭方向的操作指令，可以在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行帶來(lái)編碼累計(jì)誤差時(shí)，將天線重新校準(zhǔn)至車頭方向。此外，還具有簡(jiǎn)單異常點(diǎn)剔除功能，當(dāng)無(wú)人機(jī)GPS位置出現(xiàn)異常跳動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不采取動(dòng)作。當(dāng)丟失目標(biāo)時(shí)，遙測(cè)遙控軟件根據(jù)航跡將下一個(gè)航點(diǎn)傳遞給跟蹤軟件，預(yù)置天線轉(zhuǎn)角等待無(wú)人機(jī)。
3 系統(tǒng)分析
3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　天線跟蹤系統(tǒng)屬于采樣開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)控制構(gòu)成中，輸入是無(wú)人機(jī)位置信息，由無(wú)人機(jī)機(jī)載GPS采樣，通過(guò)信道設(shè)備(延時(shí)環(huán)節(jié))進(jìn)行傳輸，地面系統(tǒng)(延時(shí)環(huán)節(jié))解算出定向天線轉(zhuǎn)角，驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，跟蹤具有一定滯后時(shí)間，其滯后時(shí)間等于無(wú)人機(jī)GPS位置數(shù)據(jù)更新間隔、通信鏈路延遲、計(jì)算機(jī)解算延遲等之和。本系統(tǒng)每200 ms進(jìn)行一次解算驅(qū)動(dòng)，滯后時(shí)間經(jīng)工程實(shí)踐可認(rèn)為是200 ms。
　　根據(jù)圖5所示跟蹤速率關(guān)系即可以求出滯后角度，可進(jìn)行跟蹤角度的最壞情況分析。

　　為減少電動(dòng)機(jī)及齒輪的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)壽命，在伺服控制上進(jìn)行限制，當(dāng)待轉(zhuǎn)角度小于0.5°時(shí)，伺服不動(dòng)作，當(dāng)積累到0.5°以上，伺服才動(dòng)作。
　　在實(shí)際使用過(guò)程中，根據(jù)跟蹤動(dòng)態(tài)效果可以將使用分3種情況進(jìn)行考慮：
　　(1) 起飛跟蹤：該近程無(wú)人機(jī)為滑跑起降，所以需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的滑跑試驗(yàn)。對(duì)于天線伺服系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)離地面站距離在100 ～2 000 m不等，最大速度能達(dá)到50 m/s,而且由于地面遮蔽，通信屬于半通視傳輸，其跟蹤情況相對(duì)比較惡劣。該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)130 h使用考核，跟蹤從未丟失過(guò)目標(biāo)。
　　(2) 飛行跟蹤：當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離地面站時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，其跟蹤情況相對(duì)比較寬松。該系統(tǒng)進(jìn)行了12 h使用考核，跟蹤效果主要依賴信道質(zhì)量，但跟蹤效果依然良好。
　　(3)過(guò)頂跟蹤：由于該伺服系統(tǒng)不能控制天線俯仰角，定向天線只能通過(guò)上旁瓣進(jìn)行通信，此時(shí)飛機(jī)通場(chǎng)高度在1 000 m左右，且過(guò)頂時(shí)飛機(jī)速度較快，這種跟蹤情況最為惡劣，所以單獨(dú)作為一種情況進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)了若干次過(guò)頂跟蹤考核，跟蹤也從未丟失目標(biāo)，且無(wú)需人工干預(yù)。
3.2 數(shù)據(jù)分析
　　根據(jù)系統(tǒng)的日志記錄，以上述3種不同情況的跟蹤模式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。日志主要是記錄無(wú)人機(jī)和地面站的經(jīng)緯度、兩者的相對(duì)距離和方位角、天線當(dāng)前指向等信息。通過(guò)分析方位角和天線指向的差值即滯后角度來(lái)評(píng)價(jià)該天線伺服系統(tǒng)的跟蹤品質(zhì)。
　　(1) 起飛數(shù)據(jù)分析，選取一次滑跑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得跟蹤誤差角或有超調(diào)或滯后，但總體上穩(wěn)定在波束角范圍內(nèi)，完全滿足要求。圖6為起飛跟蹤情況，左坐標(biāo)軸代表滯后角度的刻度，右坐標(biāo)軸為機(jī)站距離刻度。

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　　(2) 飛行跟蹤分析。對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該飛行段為14 800 s(4 h)，作用距離約2 km以上。統(tǒng)計(jì)滯后角分布，得到滯后角平均值0.255°，標(biāo)準(zhǔn)差0.157°，此結(jié)果非常理想。滯后角度的分布如圖7所示，滯后角度為負(fù)數(shù)代表超前值?？梢园l(fā)現(xiàn)0.5°的滯后角所占比例較大，這與設(shè)計(jì)要點(diǎn)一節(jié)所提到的0.5°積累角度有關(guān)。

　　(3) 過(guò)頂跟蹤。選擇70 s左右的樣本數(shù)據(jù)，研究通場(chǎng)過(guò)頂情況下的滯后角度，滯后角控制在15°范圍以內(nèi)，滯后角在5°以上小于10 s，此時(shí)機(jī)站的通視距離很近(小于1.5 km、且無(wú)遮蔽物)，實(shí)際情況下使用了定向信號(hào)不會(huì)間斷。圖8為過(guò)頂跟蹤情況，左坐標(biāo)軸代表滯后角度的刻度，右坐標(biāo)軸為機(jī)站距離刻度。

3.3 改進(jìn)措施
　　通過(guò)對(duì)起飛跟蹤和過(guò)頂跟蹤的數(shù)據(jù)分析，盡管該螺旋天線通信鏈路不會(huì)發(fā)生失鎖現(xiàn)象，但是滯后角度依然較大，這主要是由于GPS數(shù)據(jù)更新間隔造成的，與電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性無(wú)關(guān)。但單純提高GPS更新間隔會(huì)占用系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)銷和硬件投入。
　　通過(guò)在原有解算方位角Az的基礎(chǔ)上疊加前置角,可以大大減小滯后角度，這只需在軟件算法上進(jìn)行改進(jìn)，在整個(gè)跟蹤控制上，可以理解為引進(jìn)了微分校正環(huán)節(jié)。
　　天線轉(zhuǎn)動(dòng)前置角計(jì)算如圖9所示，某一時(shí)刻通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載GPS可以知道無(wú)人機(jī)速度和速度方向的信息。通過(guò)將速度在機(jī)站之間矢徑的切線方向投影速度，估算跟蹤方位角速率，通過(guò)滯后時(shí)間Δt，計(jì)算出前置角度ε，疊加到解算出的方位角上，減去天線當(dāng)前指向得到轉(zhuǎn)動(dòng)角，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)；下一時(shí)刻，系統(tǒng)重新計(jì)算前置角和方位角，并根據(jù)天線指向進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)，這并不會(huì)使誤差累計(jì)傳遞到下一時(shí)刻。