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        過(guò)頂跟蹤技術(shù)在動(dòng)中通中的應(yīng)用

        2012-05-21 08:25:26任娟中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所
        衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)系統(tǒng)

        + 任娟 (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所)

        隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和自動(dòng)跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展,在運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)交換變得越來(lái)越普遍。而且隨著Ka、Ku頻段的應(yīng)用,衛(wèi)星接收設(shè)備體積減小,動(dòng)中通得以大量應(yīng)用。動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量可靠、通信迅速和受環(huán)境影響小等特點(diǎn)。近年來(lái),動(dòng)中通技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于車載、船載和機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。動(dòng)中通的關(guān)鍵技術(shù)是快速、穩(wěn)定、可靠的伺服控制系統(tǒng),它保證了天線時(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信不間斷。對(duì)于需要工作在赤道附近的動(dòng)中通,過(guò)頂跟蹤技術(shù)保證了衛(wèi)星通信無(wú)盲區(qū)。下文將就某車載動(dòng)中通的設(shè)計(jì)說(shuō)明過(guò)頂跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

        1.系統(tǒng)組成

        車載動(dòng)中通系統(tǒng)由于車輛在運(yùn)動(dòng)中顛簸最厲害,因而對(duì)伺服系統(tǒng)的要求最為苛刻,而且天線口徑不能太大。某Ku頻段1.2m車載動(dòng)中通主要由天饋分系統(tǒng)、跟蹤接收機(jī)分系統(tǒng)、伺服控制分系統(tǒng)、座架分系統(tǒng)和衛(wèi)星通信分系統(tǒng)組成,如圖1所示。

        天饋分系統(tǒng)完成對(duì)星通信,采用賦型環(huán)焦天線、主副面設(shè)計(jì)、小型化及輕型的波紋喇叭和寬頻帶差模跟蹤網(wǎng)絡(luò),具有高效率、低旁瓣、低交叉極化隔離度和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

        除了收發(fā)圖象、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等信號(hào)外,天線接收到來(lái)自衛(wèi)星上的信標(biāo)信號(hào),經(jīng)天線主副面反射后,進(jìn)入波紋喇叭,再經(jīng)過(guò)和差網(wǎng)絡(luò)送到跟蹤接收機(jī)解調(diào)出方位和俯仰的角誤差信號(hào),最后送到伺服控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)天線對(duì)衛(wèi)星的單脈沖自跟蹤。

        圖1 動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

        座架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天線的轉(zhuǎn)動(dòng),一般動(dòng)中通的座架主要采用A-E兩軸形式,即方位、俯仰軸,其結(jié)構(gòu)緊湊,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)少,剛度強(qiáng),伺服控制系統(tǒng)也容易實(shí)現(xiàn),但其缺點(diǎn)是高仰角跟蹤有盲區(qū),對(duì)于那些赤道附近的國(guó)家和地區(qū),為實(shí)現(xiàn)高仰角甚至過(guò)頂跟蹤,需要在兩軸基礎(chǔ)上增加交叉軸,采用A-E-C三軸座架,這增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。本系統(tǒng)采用三軸形式,組成三軸穩(wěn)定兩軸跟蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)過(guò)頂跟蹤無(wú)盲區(qū)的要求。

        2.伺服控制

        隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展,伺服控制由原來(lái)的模擬控制轉(zhuǎn)換成了先進(jìn)的數(shù)字控制方式。本系統(tǒng)伺服控制分為艙內(nèi)和艙外兩部分,組成框圖如圖2所示:

        慣導(dǎo)設(shè)備提供航向、橫搖、縱搖數(shù)據(jù),GPS提供經(jīng)緯度信息,并通過(guò)串口把信息送入天線控制單元進(jìn)行目標(biāo)角的計(jì)算。

        座架上安裝了滑環(huán)裝置使方位軸能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),保證衛(wèi)星信號(hào)不間斷。

        圖2 伺服控制分系統(tǒng)

        各軸控制和角度的解析分別由不同的單片機(jī)實(shí)現(xiàn),并通過(guò)CAN總線和天線控制單元通信,跟蹤接收機(jī)的和差信號(hào)也由CAN 總線送到伺服控制系統(tǒng)中。

        由于受天線所在地理位置與衛(wèi)星下行點(diǎn)經(jīng)緯度差和地球曲率影響,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輻射波的極化相對(duì)于衛(wèi)星通信天線的極化有一定的夾角,即極化偏轉(zhuǎn)角,通過(guò)對(duì)極化電機(jī)的控制來(lái)調(diào)整極化角度,以便與衛(wèi)星在不同地區(qū)的極化取向匹配。

        伺服跟蹤的目的是使天線方位、俯仰時(shí)刻保持在目標(biāo)角上,如果慣導(dǎo)達(dá)到一定精度,可以用圖3所示環(huán)路實(shí)現(xiàn)。但車載慣導(dǎo)一般飄移很大,所以方位、俯仰跟上目標(biāo)后,需要利用接收機(jī)和差信號(hào),轉(zhuǎn)入單脈沖跟蹤,使天線時(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

        三軸座架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)伺服控制系統(tǒng)提出了更高的要求。只跟蹤不加穩(wěn)定天線在車體的搖擺下很容易丟星。本系統(tǒng)采用反饋陀螺來(lái)隔離車體姿態(tài),即當(dāng)進(jìn)入跟蹤時(shí),方位控制保持閉合位置環(huán)隨動(dòng)航向,俯仰和交叉用反饋陀螺信號(hào)先隔離車體搖擺,再用單脈沖跟蹤來(lái)修正剩余的跟蹤誤差,如圖4所示。

        這樣,采用三軸座架系統(tǒng)和三軸跟蹤兩軸穩(wěn)定的跟蹤方式,在高仰角和過(guò)頂跟蹤時(shí),交叉軸補(bǔ)償了方位上的偏差,方位軸不需極速轉(zhuǎn)動(dòng),防止了衛(wèi)星通信的中斷。

        圖1 伺服跟蹤環(huán)路2

        通過(guò)多項(xiàng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)和大量跑車試驗(yàn)表明,本系統(tǒng)伺服控制具有優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)性、快速的系統(tǒng)相應(yīng)能力,可靠的穩(wěn)定性能和很高的跟蹤精度,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,滿足在不同路況條件下準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的使用條件。目前該動(dòng)中通已出口到赤道國(guó)家,長(zhǎng)期在俯仰角70°以上工作,通信效果良好。

        [1]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安:西北電訊工程學(xué)院出版社,1986

        [2]馬寧.“動(dòng)中通”常用跟蹤方式,測(cè)控與通信,2008年01期,43-46

        [3]李建榮.X-Y型天線座過(guò)頂跟蹤分析,通信與信息技術(shù),2010年11期,21-23

        圖3 伺服跟蹤環(huán)路1

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