崔立廷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種海面定向天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

崔立廷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：從海地?zé)o線通信系統(tǒng)完成一個(gè)空中平臺(tái)與多套船載設(shè)備之間高速數(shù)傳的應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)空中設(shè)備對(duì)船載設(shè)備無線通信系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤需求，設(shè)計(jì)了一種基于GPS定位數(shù)據(jù)的船載海面定向天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，闡述了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和跟蹤算法。根據(jù)本地和目標(biāo)位置信息，經(jīng)過實(shí)時(shí)處理計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)本地的角度，利用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)定向接收天線，完成對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤。工程驗(yàn)證表明，系統(tǒng)具有良好的跟蹤效果。

關(guān)鍵詞：定向；天線跟蹤系統(tǒng)；目標(biāo)跟蹤

0引言

海地?zé)o線通信系統(tǒng)完成一個(gè)空中平臺(tái)與多套船載設(shè)備之間的高速數(shù)傳，受海面海情的影響，船體不會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，有不同程度的搖擺和起伏，對(duì)于跟蹤設(shè)備而言，船載站天線在跟蹤并對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的同時(shí)，還要抵抗船體的搖擺和起伏，從而增加了跟蹤的難度。

傳統(tǒng)的船載跟蹤天線一般采用在機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行安裝,該平臺(tái)穩(wěn)定在基于大地坐標(biāo)的慣性空間,使得跟蹤天線對(duì)于大地坐標(biāo)來說處于相對(duì)靜止的狀態(tài),因此保障跟蹤天線穩(wěn)定的指向，但這種機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)來說較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)成本昂貴,平臺(tái)的精度很難設(shè)計(jì)保障實(shí)現(xiàn)。

跟蹤天線方位和俯仰軸上為了穩(wěn)定天線時(shí)采用補(bǔ)償設(shè)計(jì)船體搖姿態(tài)角,因此設(shè)計(jì)笨重的使用平臺(tái),從而保障天線設(shè)計(jì)的精確指向?？紤]到計(jì)算精度和實(shí)際需求，提出了一種基于坐標(biāo)變換的算法實(shí)現(xiàn)天線跟蹤。

1跟蹤控制相關(guān)計(jì)算

1.1PID控制算法

一般車載系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、磁羅盤、定向天線云臺(tái)和數(shù)據(jù)采集處理組成，共分為數(shù)據(jù)采集、隨動(dòng)控制和機(jī)械傳動(dòng)3部分。比對(duì)受控車和指控車的位置坐標(biāo)，計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)的的方位角，磁羅盤輸出實(shí)際的方向角，二者進(jìn)行比較計(jì)算得出云臺(tái)當(dāng)前需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)部分采用數(shù)字PID控制算法[1]，PID控制器通過實(shí)時(shí)比對(duì)系統(tǒng)誤差角度數(shù)據(jù)(受控車與指控車間方位角與云臺(tái)實(shí)時(shí)的方向角偏差)。通過實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試，確定PID控制器的參數(shù)調(diào)整。PID控制調(diào)整參數(shù)方便，改變結(jié)構(gòu)方式靈活，在工業(yè)控制過程中得到廣泛應(yīng)用和普遍認(rèn)可。PID控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　PID控制系統(tǒng)原理圖

在應(yīng)用廣泛的PID控制設(shè)計(jì)中，通過比對(duì)測(cè)量設(shè)計(jì)值與給定數(shù)值，計(jì)算出偏差e(t)，根據(jù)偏差計(jì)算得出控制作用u(t)。采用時(shí)間連續(xù)需求類型，PID控制標(biāo)準(zhǔn)方程如下：

原來PID設(shè)計(jì)的控制器改變PID控制器的積分、微分和比例3個(gè)電位器參數(shù)實(shí)現(xiàn)前面提到的3種參數(shù)的設(shè)計(jì)調(diào)整。而多級(jí)設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)得益于現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展并且計(jì)算機(jī)技術(shù)提高和發(fā)展。PID控制系統(tǒng)規(guī)律融合運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)前、之前及下一步的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行處理。PID控制器各模塊的控制相互影響，僅靠某模塊作用難以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)計(jì)要求,確定實(shí)際的控制參數(shù)需要綜合比對(duì)各個(gè)控制狀態(tài)模塊。PID控制器設(shè)計(jì)采用精確的數(shù)學(xué)模型基于受控對(duì)象，變參數(shù)以及非線性系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到很大的局限。在工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)過程非線性、時(shí)變非線性及不確定性，數(shù)學(xué)建模很難精確建立，采用常規(guī)設(shè)計(jì)的PID控制很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，運(yùn)行適應(yīng)性效果也不是很理想。

1.2方位角計(jì)算

跟蹤隨動(dòng)算法是由船載指控設(shè)備和受控設(shè)備決定天線指向，實(shí)時(shí)接收GPS送出的設(shè)備的定位數(shù)據(jù)根據(jù)跟蹤算法得出定向天線需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角[2]。方位角從某指北方向開始以天線旋轉(zhuǎn)軸，依順時(shí)針方向到目標(biāo)方向間經(jīng)過水平夾角。當(dāng)指控設(shè)備定向天線旋轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)角度時(shí)，系統(tǒng)傳輸圖像實(shí)現(xiàn)效果最好[3]。依據(jù)地球模型給出方位角指向示意如圖2所示。

圖2中A為指控設(shè)備位置，B為受控設(shè)備目標(biāo)方向點(diǎn)[4]。二者坐標(biāo)位置分別表示為(λ1,φ1)，(λ2,φ2)，θ1表示兩設(shè)備間的經(jīng)度差值，θ2表示兩設(shè)備間的緯度差值，O表示地心，O1為受控設(shè)備當(dāng)前所在緯度的平面圓心，R表示地球半徑參數(shù)，r表示受控設(shè)備當(dāng)前所在緯度平面圓半徑。其中，θ1=|λ1-λ2|，θ2=|φ1-φ2|。

圖2　 gps方位角示意圖

方位角的計(jì)算：

由于指控和被控目標(biāo)的方位不同，方位角T取值如下：

① 指控在目標(biāo)的東北方向(包括北)時(shí)，T=π+∠BAC；② 指控在目標(biāo)的兩北方向(包括西)時(shí)，T=π-∠BAC；③ 指控設(shè)備在受控設(shè)備目標(biāo)點(diǎn)的西南位置(包括正南向)，T=∠BAC；④指控設(shè)備在在受控設(shè)備目標(biāo)點(diǎn)東南位置(包括正東向)，T=2π-∠BAC；T∈[0°，360°)。

船載指控設(shè)備采用慣導(dǎo)地平系下的數(shù)引數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的坐標(biāo)原點(diǎn)為指控船慣導(dǎo)基準(zhǔn)平臺(tái)臺(tái)體中心，而不是天線座的三軸中心，方位角計(jì)算以地球半徑為分母導(dǎo)致數(shù)引數(shù)據(jù)存在視差，并且目標(biāo)距離越近，視差影響越大[5]。本文對(duì)此計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。

2船載定向天線跟蹤設(shè)計(jì)

2.1算法分析

設(shè)計(jì)的定向跟蹤系統(tǒng)搭載裝于船上，分為數(shù)據(jù)采集處理單元、GPS、定北設(shè)備和天線伺服傳動(dòng)組成。跟蹤設(shè)計(jì)算法基本原理如下，GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)采集導(dǎo)航電文完成地心直角坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系解算，計(jì)算完成后及時(shí)輸出設(shè)備的位置信息，包括經(jīng)度、緯度和高度等定位信息。在通信接收系統(tǒng)中,需要得到載體的地理坐標(biāo)經(jīng)度、緯度和高度和真北角等數(shù)據(jù)。采用GPS二維定位定向系統(tǒng)對(duì)定向天線進(jìn)行方位測(cè)量和定位，通過精確測(cè)量2個(gè)天線間的GPS信號(hào)載波相位差值來獲得主副天線的精確位置，再進(jìn)行數(shù)學(xué)變換處理，就可獲得天線與真北之間的方位值[6]。

數(shù)據(jù)處理單元采集接收本地GPS接收機(jī)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到本地定位位置信息，并結(jié)合空中目標(biāo)點(diǎn)位置的定位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理得出定向天線的方位引導(dǎo)數(shù)據(jù)，送出目標(biāo)角度數(shù)引值，控制云臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天線目標(biāo)角度的對(duì)準(zhǔn)跟蹤。

天線伺服控制組合由天線座、伺服控制組成，伺服控制系統(tǒng)接收方位引導(dǎo)數(shù)據(jù)，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，使定向天線指向空中目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤[7]。跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2算法改進(jìn)

通過伺服系統(tǒng)控制方位角和俯仰角，從而控制船載定向接收天線的指向。

船載跟蹤系統(tǒng)受限：由于船載載重限制、伺服設(shè)備體積小、船在海面的搖擺，造成限位點(diǎn)附近不能穩(wěn)定[8]。再者由于船體抖動(dòng)以及云臺(tái)限位0°～370°，不能應(yīng)用PID控制算法，選用性能/價(jià)格比最優(yōu)或次優(yōu)的跟蹤方法是選擇跟蹤方式的原則，基于這個(gè)原則考慮過零點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

定向天線的指向受限于空中目標(biāo)點(diǎn)和船載設(shè)備的位置，依據(jù)本地設(shè)備GPS位置信息和空中目標(biāo)點(diǎn)定位信息解算方位角。定向天線指向空中目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，傳輸下行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)效果最好[9]。

實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中方位角需要進(jìn)行調(diào)整，基于GPS輸出的磁北角和設(shè)備縱軸之間的夾角，該夾角與算法計(jì)算的方位角相減，這個(gè)角度數(shù)值即是定向天線指向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度[10]。而且針對(duì)船載設(shè)備相對(duì)空中目標(biāo)點(diǎn)遠(yuǎn)近的對(duì)于方位角計(jì)算的影響，目標(biāo)距離越近，視差影響越大進(jìn)行方位角計(jì)算調(diào)整。

實(shí)現(xiàn)船載定向天線利用數(shù)字引導(dǎo)的方法與空中平臺(tái)天線傳輸，根據(jù)船載設(shè)備到空中平臺(tái)連線與真北的夾角γ，定向天線指向與真北的夾角β，參照天線反射面與北的夾角θ，計(jì)算判斷旋轉(zhuǎn)方向并根據(jù)需求調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送幀頻。船載定向天線與真北的夾角如圖4所示。

圖4　定向天線數(shù)引方式示意圖

3無線環(huán)境測(cè)試結(jié)果

3.1設(shè)備選型

根據(jù)船載一般戰(zhàn)技要求，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)定位誤差為0.006 弧度。

在實(shí)際工程中船載定向天線采用四單元螺旋陣列天線圓極化型式實(shí)現(xiàn)數(shù)字導(dǎo)引，空中和船載定位組合使用北京某公司的慣導(dǎo)和雙天線GPS羅盤。慣導(dǎo)輸出空中目標(biāo)的俯仰角和橫滾角。雙天線GPS羅盤輸出船載設(shè)備GPS定位信息。雙天線GPS接收設(shè)計(jì)模式通過精確位置信息計(jì)算定向、定姿。雙天線GPS定向與電子羅盤定向?qū)Ρ葋碚f，計(jì)算數(shù)值精度高，電磁干擾影響小等優(yōu)點(diǎn)。雙天線距離設(shè)計(jì)一般采用0.5～2 m，缺省間距0.5 m，，基線長(zhǎng)度會(huì)影響航向精度?；€長(zhǎng)設(shè)計(jì)采用0.5 m，航向精度可以實(shí)現(xiàn)0.25°；基線長(zhǎng)設(shè)計(jì)采用1 m，航向精度能實(shí)現(xiàn)0.15°；基線長(zhǎng)設(shè)計(jì)采用2 m(最大值)，航向精度能達(dá)到實(shí)現(xiàn)0.1°?；€長(zhǎng)多于2 m算法會(huì)錯(cuò)解甚至無法解算，基線長(zhǎng)度增加可以提高定位解算的精度，也會(huì)增加定位算法解算難度、時(shí)間[11]。系統(tǒng)最終采用2個(gè)天線間隔長(zhǎng)度為1 m。設(shè)備的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1　性能指標(biāo)

3.2測(cè)試試驗(yàn)

3.2.1定點(diǎn)測(cè)試

測(cè)試程序如下：

① 將船載設(shè)備平臺(tái)與空中平臺(tái)設(shè)備拉開一定距離(一般選擇大于2 km)，分別放置在點(diǎn)S1和S2，兩點(diǎn)海拔高度差為ΔH，通視距離為d2，水平距離為d1；

② 用手持GPS測(cè)出船載設(shè)備平臺(tái)的緯度、經(jīng)度(B1,L1)(單位:°)和空中平臺(tái)設(shè)備的緯度、經(jīng)度(B2,L2)(單位:°)，以及兩點(diǎn)之間的海拔高度差ΔH；計(jì)算出距離ρ(單位：弧度)；按計(jì)算出船載設(shè)備平臺(tái)與空中平臺(tái)設(shè)備之間的距離；

③ 計(jì)算空中平臺(tái)設(shè)備相對(duì)于船載設(shè)備平臺(tái)的方位值計(jì)算出方位K1(單位：弧度)；

④ 將空中平臺(tái)天線置于高處，與船載設(shè)備平臺(tái)天線之間無遮擋無反射；設(shè)備加電，使所有設(shè)備工作正常；設(shè)置伺服設(shè)備進(jìn)入數(shù)引方式，驅(qū)動(dòng)天線穩(wěn)定指向目標(biāo)方向，記錄此時(shí)天線控制組合顯示的方位值；

⑤ 將天線任意偏離該方向30°左右，設(shè)置伺服設(shè)備進(jìn)入數(shù)引方式，記錄天線穩(wěn)定顯示的方位值；

⑥ 重復(fù)進(jìn)行步驟，測(cè)試記錄N個(gè)樣本點(diǎn)。

3.2.2動(dòng)態(tài)測(cè)試

距離50～100 km，4級(jí)海情，船體行駛速度25 km/h(折合6.94 m/s,該速率不用考慮目標(biāo)速度帶來的時(shí)延)，上節(jié)中測(cè)試記錄N個(gè)樣本點(diǎn)的空中位置和船載位置信息以及實(shí)際輸出的方位角進(jìn)行計(jì)算。

空中設(shè)備大地高程hs與空中設(shè)備到目標(biāo)點(diǎn)間的距離R有直接關(guān)系。目標(biāo)與船載設(shè)備之間的距離R也會(huì)影響跟蹤算法的定位精度，定位誤差與距離近似成正比的關(guān)系，這也涉及到高程hs對(duì)定位算法誤差的影響[12]。

對(duì)于經(jīng)緯度精度的提高可采用蒙特卡洛法用Matlab進(jìn)行誤差仿真試驗(yàn)，符合近似正態(tài)分布，可以用小波分析剔除較大的誤差值。動(dòng)態(tài)精度誤差對(duì)于距離比較敏感，經(jīng)緯度精度提高對(duì)于定位誤差沒進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)仿真。

試驗(yàn)結(jié)果表明天線方位穩(wěn)定跟蹤，算法正確可行，系統(tǒng)能與空中目標(biāo)點(diǎn)保持正常通信。

4結(jié)束語

提出了一種基于雙天線GPS定位海面定向天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，控制八螺旋陣列定向天線指向，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)自動(dòng)跟蹤完成高度數(shù)據(jù)海面無線高效傳輸?shù)墓δ?。?jīng)過系統(tǒng)使用驗(yàn)證，通信穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性和可靠性好，數(shù)據(jù)無線傳輸效果好，具有一定的通用性。跟蹤和方式精度受限于天線座、GPS定位數(shù)據(jù)以及天線標(biāo)校精度等因素；跟蹤算法必需要有設(shè)備安裝的GPS提供定位數(shù)據(jù),一旦載體上GPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障,將導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)失效，還要考慮跳值、數(shù)據(jù)融合等對(duì)數(shù)值進(jìn)行修補(bǔ)來增強(qiáng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性。

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An Automatic Tracking System for Ship-borne Directional Antenna

CUI Li-ting

(The 54 th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：According to target tracking requirements of land-sea wireless communications system,the thesis develops an automatic tracking device based on GPS for marine directional antenna,and describes its implementation and tracking algorithm.Based on local and target location information，the target angle relative to local location is calculated through real-time processing firstly,then the servo system is used to drive directional receiving antenna to realize automatic target tracking in real time.Engineering verification shows that the system has good tracking performance.

Key words：orientation；antenna tracking system；target tracking

中圖分類號(hào)：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)03-55-4

作者簡(jiǎn)介：崔立廷(1974—)，男，工程師，主要研究方向：無人機(jī)測(cè)控技術(shù)。

收稿日期：2016-01-12 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101122)

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.15

引用格式：崔立廷.一種海面定向天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):55-58.