劉曉麗

(中國電子科技集團公司第54研究所,河北石家莊 050081)

船載衛(wèi)通站天線座架型式的分析

劉曉麗

(中國電子科技集團公司第54研究所,河北石家莊 050081)

分析了在船載衛(wèi)通站伺服跟蹤系統(tǒng)中采用A-E兩軸座架型式和采用A-E-C三軸座架型式各自的優(yōu)缺點。詳細介紹了采用A-E兩軸座架型式跟蹤移動目標時產(chǎn)生正割補償和跟蹤盲區(qū)的原因以及解決正割補償?shù)霓k法。通過對船載A-E-C三軸座架船體運動的分解、坐標轉(zhuǎn)換,指出了A-E-C三軸座架和A-E兩軸座架型式的對應關系以及其之所以解決跟蹤盲區(qū)的原理。

座架型式;正割補償;跟蹤盲區(qū);高仰角跟蹤

0 引言

近年來,隨著我國航天飛船、航天飛行探測器技術(shù)的迅猛發(fā)展,船載移動衛(wèi)星通信技術(shù)也取得了長足的進步。從神州一號的成功發(fā)射到神州七號載人飛船多圈繞地飛行再到嫦娥一號、嫦娥二號的長時間深空探測,遠洋測量船上的船載衛(wèi)通站(船載移動衛(wèi)星通信系統(tǒng))都扮演著重要的角色,在飛行器飛離大陸測控站監(jiān)測范圍時,它是大陸與飛行器聯(lián)系的唯一紐帶。由于遠洋測量船要反復穿越赤道,而此時衛(wèi)星通信天線位于星下點,天線跟蹤的仰角高達80多度,傳統(tǒng)的A-E座架將會給系統(tǒng)帶來盲區(qū),因此需要采用A-E-C三軸座架型式來解決傳統(tǒng)的A-E座架高仰角跟蹤帶來盲區(qū)的問題,本文詳細介紹了兩種座架型式的區(qū)別以及跟蹤的特點。

目前在車載以及近海船載衛(wèi)通站系統(tǒng)中大都采用A-E兩軸座架型式,它的優(yōu)點主要是結(jié)構(gòu)簡單、平衡比較容易、體積小重量輕。然而基于A-E兩軸座架型式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在天頂存在盲區(qū),并且在跟蹤時方位軸存在正割補償。而在遠洋船載衛(wèi)通站系統(tǒng)中主要采用A-E-C三軸座架型式,它的優(yōu)點是解決了兩軸座架型式無法解決的跟蹤盲區(qū)缺陷,缺點是比兩軸座架型式增加了C軸功率控制、體積大。

以下主要結(jié)合兩軸和三軸座架型式就伺服系統(tǒng)高仰角跟蹤的問題進行詳細的闡述。

1 兩軸座架型式

1.1 兩軸座架的正割補償

對大地坐標系中采用A-E兩軸座架型式的衛(wèi)星通信天線,以大地海平面為基準進行目標跟蹤,如圖1所示。

圖1 天線方位上的正割補償示意圖

當跟蹤的目標由B→C,需使天線軸線從AB→AC,這時天線方位軸從AO→AD,形成的區(qū)域為OAD。由圖1可以看出區(qū)域OAD是區(qū)域BAC在大地平面上的投影,天線的俯仰角由E到E′變化,由圖1幾何關系可得出:

也就是說當目標在BAC平面內(nèi)偏離電軸角度α時,天線方位需要轉(zhuǎn)動α′才能對準目標。可以看出α′和α之間存在正割關系,這就是采用A-E兩軸座架型式跟蹤移動目標時方位軸需要正割補償?shù)脑颉?/p>

1.2 兩軸座架的跟蹤盲區(qū)

由公式(6)可知當天線的軸線和目標之間的誤差角α不變的情況下,方位角誤差α′隨仰角E′的增大而增大,式(6)對時間微分可得方位角速度:

式(7)對時間微分可得方位角加速度:

由式(7)可以看出當E′→90°時ωα′→∞在設計上是無法實現(xiàn)的,也就是說當目標在天頂周圍時,采用A -E兩軸座架型式的跟蹤天線存在一個無法跟蹤的高仰角區(qū)域,通常稱為“跟蹤盲區(qū)”,解決跟蹤盲區(qū)的根本方法是采用三軸或四軸座架型式。

1.3 兩軸座架型式跟蹤采用的關鍵技術(shù)

由式(7)和(8)可以看出,對于采用A-E兩軸座架型式的伺服跟蹤系統(tǒng),方位軸上的角速度、角加速度隨俯仰角的增加而增加,因而加大了系統(tǒng)的動態(tài)滯后。為了解決這一問題最常用的方法是在方位支路跟蹤信號和陀螺信號之后分別串接一個正割電位器,但由于正割電位器制造比較難,而余弦電位器制造相對容易,又因為secE′=′所以可用余弦電位器和放大器組合代替正割電位器實現(xiàn)正割補償功能,如圖2所示?；蛘卟捎脭?shù)字處理將計算機采集的跟蹤接收機誤差信號和陀螺信號分別乘以secE′進行正割補償后再送功率放大。

2 三軸座架型式

2.1 三軸座架船體運動的分解

遠洋船載移動衛(wèi)星通信站的天線座架型式一般都采用A-E-C三軸座架,下面通過對船體運動的分解來說明A-E-C三軸座架型式和A-E兩軸座架型式之間的對應關系以及其能解決A-E兩軸式座架型式存在跟蹤盲區(qū)的原因。

對船載移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,當船只在海上航行時除了船體本身的航行運動之外,在海浪的沖擊下,還會產(chǎn)生周期性的搖擺運動。對于A-E-C三軸座架,這種搖擺運動在其上的投影,做以下分解,通過分解可以看出各軸應產(chǎn)生的相應運動已達到隔離這種搖擺的目的,分解是以速度為量綱的,因為速度是矢量,所以可用矢量合成的方法。這種分解是近似的。A-E-C三軸座架在船體運動中的分解關系見圖3。

圖2 余弦電位器電路圖

圖3 船體運動的分解

圖3中ΩH、ΩP、ΩR為船的空間搖擺角速度分別在橫搖軸、縱搖軸、艏搖軸上的投影,即橫搖、縱搖、艏搖的角速度。也就是說船體的搖擺運動可以用橫搖、縱搖、艏搖三個矢量來表征,三個矢量是正交的。將其分解為平面圖如圖4。

圖4 船體運動的平面分解

從圖4不難得出船體的搖擺運動在A-E-C座架三軸上的投影分別為

式中β為天線對準衛(wèi)星時的地理方位角與船的航向角的合成角,及為天線的甲板角。從上面的推導可以得出,實際上A-E-C三軸天線座架就是在A-E軸系座架的基礎上增加一個C軸,C軸落在E軸框架上,并與E軸正交。這樣無論船的航向怎樣變化,目標始終在EC軸所在平面的法線方向上,被跟蹤的目標就不會出現(xiàn)在某一跟蹤軸的軸線方向,所以不可能出現(xiàn)盲區(qū)。也就是說如果不是采用三軸座架而是采用A-E式兩軸座架,那么船的搖擺運動在C軸上的投影分量就必須由A軸的運動來隔離,此時A軸的運動為

當仰角E較高時,ΩA就會很大,且需要正割增益補償。當俯仰角 E→90°時cosE→0,ΩA→∞這樣就會出現(xiàn)高仰角跟蹤盲區(qū)。

2.2 三軸座架跟蹤的關鍵技術(shù)

基于船載A-E-C三軸座架型式的伺服系統(tǒng)常采用三軸穩(wěn)定兩軸跟蹤的形式,即方位軸隨動船體航向,俯仰軸和交叉軸依靠安裝在各自軸向上的陀螺以及跟蹤接收機提供的俯仰、交叉誤差信號穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星波束。由船體運動的平面分解可以看出,天線波束的空間指向變化,可以分解為高低角和橫軸角的的變化。那么由于船體運動所引起的波束指向變化,完全可以由高低角和橫軸角的變化來表征。所以只要兩個陀螺的敏感軸分別平行于高低軸(E軸)和橫軸(C軸)那么他們就能敏感這種變化并通過控制回路加以修正。另外,方位軸也是被穩(wěn)定的,它是用船上的羅經(jīng)或者慣導提供的航向信號來穩(wěn)定的。這樣就保證了天線波束指向始終是垂直于E、C陀螺的敏感軸的,即垂直于E軸和C軸組成的平面,這也就保證了E軸和波束的高低軸,C軸和橫軸的重合。在低仰角時,C軸平行于方位軸,C支路的陀螺穩(wěn)定回路還可補償航向的周期變化引起的波束指向變化,這就三軸穩(wěn)定系統(tǒng)。

由于陀螺隨溫度、時間會產(chǎn)生漂移,電路的漂移、船體的不斷航行,會引起波束指向的變化,為此采用自跟蹤來修正這些誤差。由跟蹤接收機完成指向誤差的分解,將指向誤差分解為Δεe和Δεc分別送入E軸陀螺和C軸陀螺所在的陀螺環(huán)中,通過陀螺環(huán)修正天線的指向,這就是兩軸跟蹤體制。

3 兩種座架型式的比較

兩種座架型式的比較見表1。由表1可以看出兩種座架型式各有各的優(yōu)缺點,對于不同的區(qū)域針對不同的站型合適選擇座架型式可以達到最優(yōu)的跟蹤性能。

表1 兩種座架型式對照表

4 結(jié)束語

綜上分析可以得出當衛(wèi)星通信站位于緯度20°～60°之間時,天線跟蹤衛(wèi)星的俯仰地理角在70°以下,因此對于車載和近海船載移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用A-E兩軸座架型式就足夠了,但是在進行跟蹤時依然要在方位支路增加正割補償。而對于遠洋船載移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)來講由于它們要頻繁穿越赤道,跟蹤仰角高達80多度,采用A-E兩軸座架型式就不能解決高仰角跟蹤盲區(qū)的問題,因此采用A-EC三軸座架型式以適應過頂跟蹤的要求。

[1] 吳鳳高.天線座架結(jié)構(gòu)設計[M].西安:西北電訊工程學院,1975.

[2] 溫桂森.動載體衛(wèi)星通信天線控制數(shù)學模型[J].無線電通信技術(shù),1997,23(4):36-40.

[3] 薛敦偉.影響天線高仰角跟蹤性能的因素分析[J].遙控遙測,1998,19(2):34-40.

Analysis of antenna structure in the shipboard satellite communications system

LIU Xiao-li

(The54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)

It analyzed the advantage and disadvantage of antenna structure comparing A-E two axis w ith A-E-C three axis in shipboard satellite communications system,and introduced the reason of“Secant Compensation”and“tracking blind district”and the so lution of“Secant Compensation”in detail.By reso lving the ship motion and analyzing coo rdinates translation,it put fo rw ard the relation of antenna structure comparing A-E two axis w ith A-E-C three axis and the reason w hy A-E-C three axis can so lve“tracking blind district”.

Antenna structure;Secant Compensation;Tracking blind district;High-elevation tracking

TN820

:A

1001-9383(2011)02-0040-05

2011-03-25

劉曉麗(1975-),主要研究方向:計算機網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信、天線伺服.