幸雪初，王湘新，陳紹黔

（湖南省公安消防總隊，長沙 410205）

基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)的分析與設(shè)計

幸雪初，王湘新，陳紹黔

（湖南省公安消防總隊，長沙 410205）

本文首先分析了兩軸陀螺穩(wěn)定原理，提出了方位/俯仰控制結(jié)構(gòu)，然后基于LandMark 10 AHRS，討論了動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)的原理、算法，以及算法的實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定方案。

衛(wèi)星通信；衛(wèi)星天線；動中通

1 引言

動中通天線面臨著輪廓與增益、體積與重量、性能與價格等矛盾。為了更深層次發(fā)掘動中通天線的應(yīng)用市場，實現(xiàn)更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣，最終實現(xiàn)移動衛(wèi)星通信行業(yè)的革命性發(fā)展，動中通天線必須向著多頻段、低輪廓、小重量、低成本、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展。

多年來，我國高增益的動中通天線的控制方法以高精度的慣導(dǎo)為條件，一方面價格昂貴，另外一方面產(chǎn)品可靠性差、壽命短。開發(fā)控制精度高、同時低成本的動中通天線具有重大意義。本文提出了一種基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定方案，就該方案的關(guān)鍵問題進行分析。

2 兩軸陀螺穩(wěn)定原理的分析與設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)簡圖和坐標規(guī)定

車載動中通天線系統(tǒng)是兩軸穩(wěn)定系統(tǒng)，是在方位、俯仰組成的平臺上實現(xiàn)視軸穩(wěn)定。圖1為兩軸穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖，oxbybzb為載體坐標系（約定），a為方位環(huán)，其坐標系為oxayaza，oza和ozb重合，oxayaza相對oxbybzb繞ozb的轉(zhuǎn)角θa為方位角，f為俯仰環(huán)（天線），其坐標系為oxfyfzf（OXYZ，穩(wěn)定臺體），oxa和oxf重合，oxfyfzf相對oxayaza繞oxf的轉(zhuǎn)角θf為俯仰角，oyf與極化軸平行，是穩(wěn)定的對象。

圖1 雙軸穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖

在f臺體上安裝有兩個單自由度陀螺，分別為方位陀螺儀GZ和俯仰陀螺儀GX，它們的輸入軸分別為xgz和xgx。

當θf=0時，xgz同方位環(huán)安裝軸oza平行，xgx始終同俯仰環(huán)安裝軸oxa平行。

2.2 載體角速度的隔離

為討論問題的方便，在這里不考慮機械結(jié)構(gòu)的安裝誤差，也不考慮陀螺的安裝誤差，同時假設(shè)各種耦合誤差為0。

圖2

圖3

如圖2所示，ωib（ωibx,ωiby,ωibz,）將通過oza軸的直接帶動和幾何耦合傳遞給方位環(huán)a，當方位環(huán)伺服回路工作時有

如圖3所示，ωia（ωiax,ωiay,ωiaz,）將通過oxa軸的直接帶動和幾何耦合傳遞給俯仰環(huán)f，當俯仰環(huán)伺服回路工作時有

綜合（1）和（2）式，有

根據(jù)衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的實質(zhì)，既要保證ωX=0，ωZ=0，則

cos+由俯仰陀螺測得，故俯仰陀螺必須與oxf平行。

（ωibycosθa-ωibxsinθa）tgθf-ωibz由方位陀螺測得。顯然，secθf，即臺體繞極化軸有轉(zhuǎn)動，會影響極化軸的極化角度，可以通過極化電機進行補償。

從以上載體角速度的隔離分析得到的結(jié)論是：天線跟蹤的實質(zhì)是穩(wěn)定極化軸的空間方位，對于繞自身的轉(zhuǎn)動只會影響極化角，極化角度的補償可以通過極化電機來實現(xiàn)。理論上是可以實現(xiàn)無誤差跟蹤的，方位和俯仰軸的控制原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 方位/俯仰控制原理結(jié)構(gòu)

3 LandMark 10 AHRS在車載動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖4給出的陀螺兩軸車載動中通天線穩(wěn)定平臺實現(xiàn)的是載體角速度的隔離，但動中通天線系統(tǒng)要求實現(xiàn)天線對衛(wèi)星的對準，要求實現(xiàn)位置的穩(wěn)定，必須實現(xiàn)載體“位置”的隔離，否則角速度隔離誤差的長期累計，會導(dǎo)致天線指向的漂移。因此必須引入慣性器件對位置誤差進行修正，這里給出基于LandMark 10 AHRS的穩(wěn)定方案。

3.1 LandMark 10 AHRS簡介

LandMark 10 AHRS是一款低成本、高性能姿態(tài)方位參考系統(tǒng)，由MEMS角速度陀螺、加速度傳感器、磁場計和氣壓高度計組成，在全溫范圍內(nèi)對零偏，比例因子，軸對準和g靈敏度等進行了補償。匹配GPS輔助姿態(tài)方位參考系統(tǒng)，或者輸入外部速度信號，能有效抑制線加速度和轉(zhuǎn)向時離心力帶來的角度誤差。

它們的顯著特點是低噪音、優(yōu)秀的全溫零偏性能、低功耗、優(yōu)秀的G-靈敏度性能和輕重量，抗惡劣環(huán)境設(shè)計，能夠抵擋諸如商業(yè)飛機環(huán)境上的振動和沖擊。無移動部件，長壽命，角速度輸出與偏移等級無關(guān)，適合車載動中通天線穩(wěn)定系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.2 LandMark 10 AHRS在天線平臺上的裝載方法慣性器件在平臺上的不同安裝方法，姿態(tài)隔離算法是不相同的。這里LandMark 10 AHRS裝載在方位旋轉(zhuǎn)平臺上，平臺俯仰軸和慣導(dǎo)Y軸平行，平臺極化軸在水平面的投影和慣導(dǎo)X軸平行，平臺方位軸和慣導(dǎo)Z軸平行。

3.2.1 坐標定義

為問題討論方便，定義三種坐標系。

⊙ 平臺旋轉(zhuǎn)坐標系。角度為：（θxz,θxy,θxx）。

⊙ 慣導(dǎo)坐標系。角度為：（θpz,θpy,θpx），同時GPS測量的到的航跡角為（θgz）。

⊙ 地理坐標系。在地理坐標系里計算得到的方位、俯仰和極化角稱為理論對星角，標記為（Az0,Ez0,Pz0）。

考慮載體俯仰和橫滾后，理論對星角度經(jīng)過修正后得到的角度稱為實際理論對星角。標記為（Az,Ez,Pz）。

3.2.2 坐標系測量基準關(guān)系

3.2.2.1地理坐標系和慣導(dǎo)測量的航向角的關(guān)系

LandMark 10 AHRS測量的得到的航向角是以正北為基準的，與地理坐標系一致，故認為（Az0,Ez0,Pz0）和（θpz）之間的基準誤差為0。

3.2.2.2平臺旋轉(zhuǎn)坐標系方位測量基準與慣導(dǎo)測量的航跡角度關(guān)系

LandMark 10 AHRS測量的航跡線指向車體行進方向，平臺旋轉(zhuǎn)坐標系方位角度測量基準為平臺上固定一點，它們之間的關(guān)系是一個確定的關(guān)系，設(shè)為（?Axg），即

在天線一次安裝中，?Axg為常數(shù)值，通過標定得到；θgz為測量航跡角。

3.2.2.3LandMark 10 AHRS測量的俯仰和橫滾角度基準和平臺旋轉(zhuǎn)坐標系俯仰、極化測量基準關(guān)系

（θaz,θay,θax）測量的基準為水平面，平臺旋轉(zhuǎn)坐標系俯仰、極化測量基準為平臺上固定點，他們之間的關(guān)系是確定的，分別設(shè)為：（?Exa）和（?Pxa）

圖5 基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定算法的實現(xiàn)

式中，（?Exa）和（?Pxa）為常數(shù)值，通過標定得到。

3.3 基于LandMark 10 AHRS的位置誤差修正算法

3.3.1 理論初始對星方位和俯仰角度計算公式

式中，α為載體所處位置的經(jīng)度；β為衛(wèi)星所處位置的經(jīng)度；γ為載體所處位置的維度。

3.3.2 理論極化角度計算公式

3.3.3 非水平面理論對星角度的修正計算公式

3.3.4 基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定算法的實現(xiàn)

在兩軸速度隔離的基礎(chǔ)上，基于LandMark 10 AHRS的車載動中通天線穩(wěn)定算法需要得到的結(jié)果是：在平臺旋轉(zhuǎn)測量的坐標系里，適時計算得到正確的天線對星方位角、俯仰角和極化角，為天線的控制提供正確的參考依據(jù)。

算法的實現(xiàn)分為三個部分，一是計算所需要信號的采集或估計，二是系統(tǒng)的標效，三是結(jié)果的計算。

（1）信號的采集。算法需要的原始信號有：載體經(jīng)、緯度，航跡角（θgz），載體的姿態(tài)角度（θpz,θpy,θpx），通過LandMark 10 AHRS得到。衛(wèi)星的經(jīng)度，通過系統(tǒng)設(shè)定得到。

（3）結(jié)果計算。結(jié)果計算過程如圖5，分3步來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

到此，本論文分析了兩軸陀螺穩(wěn)定原理，同時說明了它實現(xiàn)的是載體角速度的隔離，但動中通天線系統(tǒng)要求實現(xiàn)天線對衛(wèi)星的對準，要求實現(xiàn)位置的穩(wěn)定。本文提出基于LandMark 10 AHRS低精度慣導(dǎo)的動中通天線穩(wěn)定方案，分析了穩(wěn)定方案的原理和算法、以及算法的實現(xiàn)，本論文所提出的算法均在相關(guān)產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

[1] 甘仲民，張更新．衛(wèi)星通信技術(shù)的新發(fā)展．通信學(xué)報，2006 (8), 2-8

[2] 魏英杰．動中通地面站衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)．無線電通信技術(shù)，2007(3),30-32

[3] 伍宗偉，姚敏立，蔡國新．車載低輪廓動中通的三軸穩(wěn)定分析與設(shè)計.壓電與聲光，2010(8),554-557

Analysis of Satellite Communication Antenna on the Move based on LandMark 10 AHRS

Xing Xuechu,Wang Xiangxin，Chen Shaoqian
(HuNan Municipal detachment of public security of fire control, Changsha, 410205)

This article firstly analyzes the principle of two-axis gyro stabilized platform, Introduces the control Structure of azimuth/Pitch axis.Then this paper discusses the principle, control algorithm, and algorithm realization. In the Last part, this paper introduces a new method of attitude stability used by Satellite Communication Antenna On the Move Based on LandMark 10 AHRS.

Satellite Communication; Satellite Communication Antenna; Communication in Moving

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.09.007

TN927+.2，TN82

A

1672-7274（2015）09-0031-04

幸雪初，男，1974年生，湖南省公安消防總隊司令部高級工程師，碩士研究生，研究方向為消防應(yīng)急通信。

王湘新，男，1973年生，湖南省公安消防總隊司令部高級工程師，碩士研究生，研究方向為計算機技術(shù)。

陳紹黔，男，1975年生，湖南省公安消防總隊司令部高級工程師，碩士研究生，研究方向為計算機技術(shù)。