陳東坡

摘要：“動中通”天線自動跟蹤系統(tǒng)，采用兩軸穩(wěn)定平臺，安裝一個拋物面環(huán)焦天線。具有ka和ku兩個波段。在車輛運動或靜止時，天線實時跟蹤同步地球衛(wèi)星，實現(xiàn)地面車輛和衛(wèi)星通訊。

本文介紹結構設計、系統(tǒng)剛度研究等方面關鍵技術。

系統(tǒng)采用A-E型雙軸轉臺的通用結構形式，方位軸、俯仰軸可以自由轉動，俯仰軸承載一個支撐座，天線、IMU及其控制電路安裝在支撐座上。天線極化方向通過控制饋源旋轉解決。

系統(tǒng)采用等剛度設計原則，為了提高結構剛度，降低重量，選用比強度和比剛度高的材料；優(yōu)化設計結構形狀，合理布置各搭載部件的位置，減小轉動體的轉動慣量；對轉動軸進行靜平衡設計，使質(zhì)心落在軸心，減少配重塊的質(zhì)量；采用合理的散熱措施，避免賦形環(huán)焦天線局部受熱變形。

關鍵詞：“動中通”；穩(wěn)定平臺；自動跟蹤；剛度

1.概述

1.1國內(nèi)外研究動態(tài)

“動中通”天線自動跟蹤系統(tǒng)，在車輛運動或靜止時，控制天線實時跟蹤同步地球衛(wèi)星，實現(xiàn)運動車輛和同步地球衛(wèi)星信號傳輸。

“動中通”系統(tǒng)工作原理是，車輛在移動過程中，由于其運動姿態(tài)和地理位置發(fā)生變化，會引起衛(wèi)星天線偏離衛(wèi)星，使通信信號減弱甚至中斷，因此必須對車體的這些變化進行隔離，同時通過衛(wèi)星上信標信號完成天線漂移修正，使天線始終對準通訊衛(wèi)星，實現(xiàn)移動狀態(tài)下的不間斷通訊[1] [2]。

目前國內(nèi)外研究和生產(chǎn)動中通的單位較多，主要研制單位有：重慶航天新世紀衛(wèi)星應用技術有限責任公司、重慶巴山儀器廠、中電集團第39研究所、航天恒星科技股份有限公司、北京愛科迪信息通訊技術有限公司等。

1.2 系統(tǒng)組成

“動中通”天線自動跟蹤系統(tǒng)由賦型環(huán)焦天線、穩(wěn)定平臺、控制部分組成。里程計信息、GPS信息由總體提供。賦型環(huán)焦天線安裝在穩(wěn)定平臺上。

穩(wěn)定平臺對于“動中通”系統(tǒng)是至關重要的，必須嚴格隔離車體角運動，隔離程度越高越好。

穩(wěn)定平臺采用A-E兩軸結構，包括方位環(huán)和俯仰環(huán)，每個環(huán)上裝有旋轉變壓器和力矩電機。方位環(huán)在外面，加裝導電滑環(huán)，可以方位360°任意角度轉動；俯仰環(huán)在里面，天線安裝在俯仰環(huán)支撐座上，可以自由俯仰，角度范圍13°～95°。

系統(tǒng)的慣性測量組件（IMU）包括三個光纖陀螺儀和三個加表，安裝在俯仰環(huán)支撐座上。天線也安裝在俯仰環(huán)支撐座上，因此IMU與天線固聯(lián)，可以使用同一坐標系。

光纖陀螺儀電路簡單，直接輸出數(shù)字量，無需交流電源和力反饋等外置電路，方便系統(tǒng)調(diào)試和維修。光纖陀螺儀模型簡單，在傾斜狀態(tài)下尋北精度可以達到±0.3°。相對機械陀螺，光纖陀螺儀可靠性高，平均無故障時間達20000小時，適合于長時間工作；光纖陀螺儀抗震性能良好，適合與車載越野環(huán)境[3] [4]。

系統(tǒng)饋源軸裝有旋轉變壓器和力矩電機，用于控制天線饋源的位置。工作過程中，饋源軸處于位置伺服狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)橫滾陀螺儀Gy和X加表測量車體橫滾運動，穩(wěn)定饋源軸。

2.結構概述

2.1 組成

結構設計分為天線組件、方位環(huán)架、俯仰環(huán)架、慣性測量組件（IMU）等部分組成。

系統(tǒng)采用雙軸轉臺的結構形式。俯仰軸承載一個支撐座，賦形環(huán)焦天線、IMU及其控制電路安裝在支撐座上。方位軸、俯仰軸可以自由轉動，通過穩(wěn)定平臺可以隔離車體角運動。通過計算和控制，這種雙軸轉臺可以實現(xiàn)雙軸穩(wěn)定平臺，從而實現(xiàn)天線電軸指向和對準衛(wèi)星。天線極化方向可以通過控制饋源旋轉解決，而不必通過天線整體旋轉的方法解決。根據(jù)衛(wèi)星信號的極化方向調(diào)整饋源軸，使賦形環(huán)焦天線的極化方向與衛(wèi)星保持一致。

2.1.1慣性測量單元（IMU）

慣性測量單元（IMU）由支架、三只光纖陀螺、三個加表、一只溫度傳感器等組成。支架上留有安裝基準或銷釘，便于安裝在支撐座上，并保證互換性。三個光纖陀螺正交放置在支架上，光纖陀螺的插件和輸出電纜應符合電磁兼容要求，電纜首先進入支架內(nèi)部，再由IMU插件轉接到外部伺服控制組合。支架采用中空結構，內(nèi)部安裝加表支架，加表支架上安裝三個加表，信號線也由IMU插件轉接到外部伺服控制組合，有利于加表的電磁兼容。用金屬蓋板把支架封閉，統(tǒng)一設計一只IMU插件，陀螺、加表、溫度傳感器的信號都通過插件轉接到外部伺服控制組合。

2.1.2支撐座

支撐座是一個裝配平臺，賦形環(huán)焦拋物面天線、慣性測量單元、伺服控制組合、微波器件等裝在支撐座上。支撐座內(nèi)側采用平底碟形結構，賦形環(huán)焦天線組件通過法蘭固連在支撐座上。支撐座外側安裝兩個半軸，通過軸承與U形方位框架連接。支撐座采用鋁合金材料。為了增加支撐座的結構剛度和減輕重量，綜合考慮支撐座的質(zhì)量分布，布置支撐座上的加強筋。

由于安裝在支撐座上方的天線組件較重，為了減少配重，設計支撐座的質(zhì)量分布，把加強筋放在上部，這樣也符合支撐座的受力情況。上部承受壓應力，下部承受拉應力。

在設計波導管時，盡可能減少波導管的折彎次數(shù)，減小波導管的長度，能夠減少微波在傳遞過程中的損失。

2.2 基準設計

2.2.1方位基準及方位電機旋變的零位對準

在底座側面的小平面上和U形方位框架上分別安裝對準工裝，通過光學儀器調(diào)整底座和U形方位框架上的兩個基準面平行，通過工裝使U形方位框架和底座固連。調(diào)節(jié)方位電機和方位旋變的零位。調(diào)整完畢后固定方位電機和旋變。

2.2.2俯仰基準及俯仰電機旋變的零位調(diào)整

在圖5所示軸端安裝調(diào)試工裝，可通過光學儀器對準，使支撐架水平或與水平面45°夾角（零位），調(diào)整俯仰電機和旋變的零位，然后安裝固定。

2.3 靜平衡設計

根據(jù)控制要求，需要對俯仰軸、方位軸等，進行靜平衡設計。饋源軸是一個回轉體，軸上裝配的元器件均為環(huán)形對稱結構，只需進行靜平衡測試即可。

3.結構剛度研究

3.1 結構剛度概述

車輛在行駛的過程中，會受到路面的影響，而產(chǎn)生沖擊和振動，車內(nèi)發(fā)動機、車載其它設備和乘員等也可能產(chǎn)生周期性或隨機的沖擊和振動。

結構在動載荷作用下，總要產(chǎn)生一定的振動響應，結構振動常是結構損壞、環(huán)境惡化、設備精度和可靠性降低等工程事故的主要原因[5]。因此研究結構的動力特性和動力強度，已日益成為結構設計中的重要課題。

本課題研究時，用有限元法對平臺系統(tǒng)中的關鍵件的結構諧振頻率進行仿真分析。

3.2 結構剛度分析

3.2.1慣性測量單元（IMU）組件的振動模態(tài)

IMU組件是系統(tǒng)的核心，垂直正交裝有三個高精度光纖陀螺和三個加速度計，其剛度直接影響到系統(tǒng)的精度和平臺的穩(wěn)定，一階諧振頻率為953Hz，其它階次的諧振頻率均比一階高，能夠滿足系統(tǒng)要求。

3.2.2支撐座

支撐座是穩(wěn)定平臺的載體，賦形環(huán)焦天線、IMU組件、伺服控制組合等組件均裝在支撐座上。其一階諧振頻率為786Hz。

3.2.3賦形環(huán)焦天線

賦形環(huán)焦天線的諧振頻率較低，可根據(jù)試驗情況決定是否采取減振措施，以防隨系統(tǒng)共振。

3.2.4 U形方位框架

U形方位框架連接方位軸和俯仰軸，其結構剛度直接影響系統(tǒng)的支撐剛度。為了提高結構剛度，減小重量，采用比剛度高的鋁合金材料，采用中空結構形式，在合適的位置設置加強筋，同時考慮鑄造的工藝性，采用分體式結構。

經(jīng)過多次優(yōu)化設計，該組件的最低諧振頻率大于300Hz，能夠滿足設計要求。

3.2.5裝配體的模態(tài)分析

用模擬負載法對整機進行簡化，進行了振動分析，見圖8簡化的整機仿真模型。用一個模擬負載代替賦形環(huán)焦天線組件，重量和賦形環(huán)焦天線組件相同。一階諧振頻率為97Hz。

通過分析和計算，裝配體在不安裝賦性環(huán)焦天線和微波組件時的最低諧振頻率應在80～100Hz之間，能夠滿足穩(wěn)定系統(tǒng)對結構的剛度要求。裝配賦形環(huán)焦天線后，系統(tǒng)的最低諧振頻率大于60Hz。能夠滿足微波通訊的要求。

4.結論

本文主要研究了動中通天線自動跟蹤系統(tǒng)的關鍵問題：結構及剛度。結構形式?jīng)Q定結構剛度，小型化及輕量化是結構設計永遠的追求目標。剛度提高也有助于系統(tǒng)精度的提高。精確控制阻力矩，能夠使結構更優(yōu)化，降低系統(tǒng)的轉動慣量，提高系統(tǒng)的精度，減少響應時間，滿足使用要求。

參考文獻

[1]牛傳峰，杜彪，韓國棟.等.低輪廓動中通天線 中國電子科學研究院學報，2013年4月.第2期149～155

[2]姜軍，陳慶偉，郭健.等.兩種動中通自穩(wěn)定結構比較研究 南京理工大學學報 ，2011年10月 第35卷.第5期 681～686.

[3]吳文敬，谷志慧，高悅.小型動中通應急指揮車的設計與實現(xiàn) 現(xiàn)代電信科技， 2013年5月第5期 35～42

[4]許道峰，何緯.載體運動對動中通天線指向影響 指揮信息系統(tǒng)與技術 2012年6月 第3卷. 第3期 59～62.

[5]李巖.光電穩(wěn)定跟蹤裝置誤差建模及評價問題研究[博士學位論文]長沙：國防科學技術大學，2008年1月.