一種低輪廓車(chē)載衛星通信天線(xiàn)的跟蹤設計

1 系統組成

　　天線(xiàn)穩定跟蹤控制系統主要由跟蹤接收器、控制器、驅動(dòng)器以及慣性器件組成。跟蹤接收器主要提供衛星信標的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;驅動(dòng)器主要完成功率放大和控制電機的旋轉;軸角編碼器主要提供天線(xiàn)方位及俯仰的實(shí)時(shí)角度;慣性器件主要提供天線(xiàn)載體的擾動(dòng)信息。天線(xiàn)控制系統組成如圖1所示。

2 跟蹤控制策略

　　這里所討論的天線(xiàn)系統是方位和俯仰波束寬度不對稱(chēng)的車(chē)載平板天線(xiàn),俯仰軸的波束寬度較寬,采用了電掃描的方式,同時(shí)輔以?xún)A角儀定位和陀螺穩定補償,實(shí)現了俯仰的穩定跟蹤,而方位波束寬度較窄,所以跟蹤控制策略主要針對方位進(jìn)行。

　　車(chē)載天線(xiàn)控制系統具有在抗載體擾動(dòng)的穩定措施、航向解算的能力才能實(shí)現對衛星目標的快速捕獲和準確跟蹤。在穩定措施實(shí)現上,本文采取了前饋穩定技術(shù),利用安裝在車(chē)體上的速率陀螺提供的載體姿態(tài)信息,解算出補償信號進(jìn)行開(kāi)環(huán)補償;航向信息的解算是以天線(xiàn)捕捉到的跟蹤接收機的AGC最大值點(diǎn)位置為相對航向初始點(diǎn),利用速率陀螺積分得到航向的偏移量對方位進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)修正。

　　2．1 控制環(huán)路設計

　　系統以跟蹤接收機所捕捉到的AGC的最大點(diǎn)的方位相對角度值做為初始位置,采用安裝在車(chē)體3個(gè)正交方向上的速率陀螺提供的數據,通過(guò)坐標變換,解算出車(chē)體擾動(dòng)所產(chǎn)生的天線(xiàn)方位和俯仰的擾動(dòng)分量,對天線(xiàn)進(jìn)行穩定控制,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)再對位置進(jìn)行補償?？刂骗h(huán)路如圖2 所示。圖2中,θi為目標角位置;θo為天線(xiàn)角位置;KaWa(s)為位置環(huán)放大校正環(huán)節傳遞函數;KbWb(s)為速度環(huán)放大校正環(huán)節傳遞函數;KcWc(s)為速度反饋校正環(huán)節傳遞函數;f為方位陀螺輸出。

　　2．2 跟蹤策略

　　掃描與跟蹤是本系統技術(shù)實(shí)現的核心部分,當目標衛星設定后,通過(guò)天線(xiàn)當前經(jīng)緯度和目標星的經(jīng)度可計算出天線(xiàn)方位和俯仰的目標角,根據目標角將天線(xiàn)引導到位,以當前位置為中心點(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(mén)限。當天線(xiàn)AGC大于AGC門(mén)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(chē)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

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(轉彎行駛)和靜態(tài)跟蹤(直線(xiàn)行駛),當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：當方位陀螺輸出值大于臨界值Vfo時(shí),角命令以當前角加上實(shí)時(shí)θf(wàn)為命令角做位置閉環(huán),同時(shí)輔以速度補償。靜態(tài)跟蹤：以AGC最大點(diǎn)為中心,方位機械上輕微地向左和向右方向轉動(dòng)天線(xiàn)平臺一定角度△ θ±θf(wàn),得到2個(gè)AGC：VAGC_l和VAGC_r。當VAGC_l=VAGC_r,則對準目標;當VAGC _l>VAGC_r,則目標偏左,方位向左轉動(dòng)△ θ±θf(wàn)角度;當VAGC_lVAGC_r,則目標偏右,方位向右轉動(dòng)△ θ±θf(wàn)角度;并以修改過(guò)的命令角為中心,重復上述動(dòng)作,尋找目標中心。圖3為掃描與跟蹤模式流程。

3 設計應用及試驗結果

　　在某車(chē)載平板“動(dòng)中通”天線(xiàn)控制系統中采用上述設計方法。經(jīng)測試在直路跟蹤精度為0．24 V。轉彎跟蹤精度為0．35 V。精度計算公式詳見(jiàn)文獻。轉彎跟蹤測試結果如圖4和圖5所示。而直路跟蹤測試結果如圖6和圖7所示。

4 結束語(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)現了車(chē)體擾動(dòng)的隔離以及航向隔離,提高了車(chē)載衛星通信天線(xiàn)的性?xún)r(jià)比。通過(guò)對該跟蹤算法的測試結果可知,該算法能夠滿(mǎn)足精度要求,可以用來(lái)作為低輪廓車(chē)載天線(xiàn)的跟蹤策略,推廣使用。