低輪廓車載衛(wèi)星通信天線的跟蹤設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)組成

天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)主要由跟蹤接收器、控制器、驅(qū)動(dòng)器以及慣性器件組成。跟蹤接收器主要提供衛(wèi)星信標(biāo)的AGC電平值;控制器主要提供操作和顯示接口以及完成控制策略的實(shí)施;驅(qū)動(dòng)器主要完成功率放大和控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn);軸角編碼器主要提供天線方位及俯仰的實(shí)時(shí)角度;慣性器件主要提供天線載體的擾動(dòng)信息。天線控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 跟蹤控制策略

這里所討論的天線系統(tǒng)是方位和俯仰波束寬度不對(duì)稱的車載平板天線,俯仰軸的波束寬度較寬,采用了電掃描的方式,同時(shí)輔以傾角儀定位和陀螺穩(wěn)定補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了俯仰的穩(wěn)定跟蹤,而方位波束寬度較窄,所以跟蹤控制策略主要針對(duì)方位進(jìn)行。

車載天線控制系統(tǒng)具有在抗載體擾動(dòng)的穩(wěn)定措施、航向解算的能力才能實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)的快速捕獲和準(zhǔn)確跟蹤。在穩(wěn)定措施實(shí)現(xiàn)上,本文采取了前饋穩(wěn)定技術(shù),利用安裝在車體上的速率陀螺提供的載體姿態(tài)信息,解算出補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)補(bǔ)償;航向信息的解算是以天線捕捉到的跟蹤接收機(jī)的AGC最大值點(diǎn)位置為相對(duì)航向初始點(diǎn),利用速率陀螺積分得到航向的偏移量對(duì)方位進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)修正。

2．1 控制環(huán)路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以跟蹤接收機(jī)所捕捉到的AGC的最大點(diǎn)的方位相對(duì)角度值做為初始位置,采用安裝在車體3個(gè)正交方向上的速率陀螺提供的數(shù)據(jù),通過(guò)坐標(biāo)變換,解算出車體擾動(dòng)所產(chǎn)生的天線方位和俯仰的擾動(dòng)分量,對(duì)天線進(jìn)行穩(wěn)定控制,同時(shí)將陀螺的輸出量進(jìn)行積分得到位置偏移量,然后用位置環(huán)再對(duì)位置進(jìn)行補(bǔ)償?？刂骗h(huán)路如圖2 所示。圖2中,θi為目標(biāo)角位置;θo為天線角位置;KaWa(s)為位置環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù);KbWb(s)為速度環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù);KcWc(s)為速度反饋校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù);f為方位陀螺輸出。

2．2 跟蹤策略

掃描與跟蹤是本系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心部分,當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星設(shè)定后,通過(guò)天線當(dāng)前經(jīng)緯度和目標(biāo)星的經(jīng)度可計(jì)算出天線方位和俯仰的目標(biāo)角,根據(jù)目標(biāo)角將天線引導(dǎo)到位,以當(dāng)前位置為中心點(diǎn)進(jìn)行方位掃描,同時(shí)俯仰進(jìn)行電掃描,直至AGC大于AGC門限。當(dāng)天線AGC大于AGC門限時(shí)將航向置為零,同時(shí)采樣方位陀螺速度 Vf并進(jìn)行積分得到車體航向的變化θf(wàn)。將該角度疊加到步進(jìn)跟蹤的命令角θi,作為新的命令角進(jìn)行爬坡找最大值。當(dāng)找到最大值后將航向重新置為零。進(jìn)入跟蹤狀態(tài),同時(shí)啟動(dòng)陀螺輸出積分θf(wàn),積分迭代

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式中,θf(wàn)(n)為積分輸出;θf(wàn)(n-1)為上次積分輸出;Vf(n)為陀螺輸出;Vf(n-1)為上次陀螺輸出。

跟蹤狀態(tài)分為動(dòng)態(tài)跟蹤(轉(zhuǎn)彎行駛)和靜態(tài)跟蹤(直線行駛),當(dāng)方位陀螺值大于臨界值時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤否則進(jìn)入靜態(tài)跟蹤。動(dòng)態(tài)跟蹤：當(dāng)方位陀螺輸出值大于臨界值Vfo時(shí),角命令以當(dāng)前角加上實(shí)時(shí)θf(wàn)為命令角做位置閉環(huán),同時(shí)輔以速度補(bǔ)償。靜態(tài)跟蹤：以AGC最大點(diǎn)為中心,方位機(jī)械上輕微地向左和向右方向轉(zhuǎn)動(dòng)天線平臺(tái)一定角度△ θ±θf(wàn),得到2個(gè)AGC：VAGC_l和VAGC_r。當(dāng)VAGC_l=VAGC_r,則對(duì)準(zhǔn)目標(biāo);當(dāng)VAGC _l>VAGC_r,則目標(biāo)偏左,方位向左轉(zhuǎn)動(dòng)△ θ±θf(wàn)角度;當(dāng)VAGC_l<VAGC_r,則目標(biāo)偏右,方位向右轉(zhuǎn)動(dòng)△ θ±θf(wàn)角度;并以修改過(guò)的命令角為中心,重復(fù)上述動(dòng)作,尋找目標(biāo)中心。圖3為掃描與跟蹤模式流程。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用及試驗(yàn)結(jié)果

在某車載平板“動(dòng)中通”天線控制系統(tǒng)中采用上述設(shè)計(jì)方法。經(jīng)測(cè)試在直路跟蹤精度為0．24 V。轉(zhuǎn)彎跟蹤精度為0．35 V。精度計(jì)算公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)。轉(zhuǎn)彎跟蹤測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。而直路跟蹤測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所描述的控制策略,使用傾角儀和3個(gè)速率陀螺通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了車體擾動(dòng)的隔離以及航向隔離,提高了車載衛(wèi)星通信天線的性價(jià)比。通過(guò)對(duì)該跟蹤算法的測(cè)試結(jié)果可知,該算法能夠滿足精度要求,可以用來(lái)作為低輪廓車載天線的跟蹤策略,推廣使用。