張明社

（中國電子科技集團公司 第39研究所，陜西 西安 710065）

在車載衛(wèi)星通信中，由于低輪廓車載天線具有良好的隱蔽性和使用性，應用前景較為廣泛。但要實現(xiàn)性價比達到最優(yōu)，天線跟蹤控制器[1]的設計是關(guān)鍵技術(shù)之一。在脫離航向引導信息的情況下，要實現(xiàn)車載天線穩(wěn)定跟蹤的控制系統(tǒng)難度較大，提出一種新的跟蹤控制策略，使這一問題得到解決。

1 系統(tǒng)組成

天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)主要由跟蹤接收器、控制器、驅(qū)動器以及慣性器件組成。跟蹤接收器主要提供衛(wèi)星信標的AGC電平值；控制器主要提供操作和顯示接口以及完成控制策略的實施；驅(qū)動器主要完成功率放大和控制電機的旋轉(zhuǎn)；軸角編碼器主要提供天線方位及俯仰的實時角度[2]；慣性器件主要提供天線載體的擾動信息[3]。天線控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 天線控制系統(tǒng)組成

2 跟蹤控制策略

這里所討論的天線系統(tǒng)是方位和俯仰波束寬度不對稱的車載平板天線，俯仰軸的波束寬度較寬，采用了電掃描的方式，同時輔以傾角儀定位和陀螺穩(wěn)定補償[4]，實現(xiàn)了俯仰的穩(wěn)定跟蹤，而方位波束寬度較窄，所以跟蹤控制策略主要針對方位進行。

車載天線控制系統(tǒng)具有在抗載體擾動的穩(wěn)定措施、航向解算的能力才能實現(xiàn)對衛(wèi)星目標的快速捕獲和準確跟蹤[5]。在穩(wěn)定措施實現(xiàn)上，本文采取了前饋穩(wěn)定技術(shù)，利用安裝在車體上的速率陀螺提供的載體姿態(tài)信息，解算出補償信號進行開環(huán)補償；航向信息的解算是以天線捕捉到的跟蹤接收機的AGC最大值點位置為相對航向初始點，利用速率陀螺積分得到航向的偏移量對方位進行動態(tài)實時修正。

2.1 控制環(huán)路設計

系統(tǒng)以跟蹤接收機所捕捉到的AGC的最大點的方位相對角度值做為初始位置，采用安裝在車體3個正交方向上的速率陀螺提供的數(shù)據(jù)，通過坐標變換[3]，解算出車體擾動所產(chǎn)生的天線方位和俯仰的擾動分量，對天線進行穩(wěn)定控制，同時將陀螺的輸出量進行積分得到位置偏移量，然后用位置環(huán)再對位置進行補償[6]?？刂骗h(huán)路如圖2所示。

圖2 控制環(huán)路

圖2 中，θi為目標角位置；θo為天線角位置；KaWa（s）為位置環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；KbWb（s）為速度環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；KcWc（s）為速度反饋校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；f為方位陀螺輸出。

2.2 跟蹤策略

掃描與跟蹤是本系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的核心部分，當目標衛(wèi)星設定后，通過天線當前經(jīng)緯度和目標星的經(jīng)度可計算出天線方位和俯仰的目標角，根據(jù)目標角將天線引導到位，以當前位置為中心點進行方位掃描，同時俯仰進行電掃描，直至AGC大于AGC門限。當天線AGC大于AGC門限時將航向置為零，同時采樣方位陀螺速度Vf并進行積分得到車體航向的變化θf。將該角度疊加到步進跟蹤的命令角θi，作為新的命令角進行爬坡找最大值。當找到最大值后將航向重新置為零。進入跟蹤狀態(tài)，同時啟動陀螺輸出積分θf，積分迭代[7]

式中，θf（n）為積分輸出；θf（n-1）為上次積分輸出；Vf（n）為陀螺輸出；Vf（n-1）為上次陀螺輸出。

跟蹤狀態(tài)分為動態(tài)跟蹤（轉(zhuǎn)彎行駛）和靜態(tài)跟蹤（直線行駛），當方位陀螺值大于臨界值時進行動態(tài)跟蹤否則進入靜態(tài)跟蹤。動態(tài)跟蹤：當方位陀螺輸出值大于臨界值Vf0時，角命令以當前角加上實時θf為命令角做位置閉環(huán)，同時輔以速度補償。靜態(tài)跟蹤：以AGC最大點為中心，方位機械上輕微地向左和向右方向轉(zhuǎn)動天線平臺一定角度Δθ±θf，得到2個AGC：VAGC_l和 VAGC_r。 當 VAGC_l=VAGC_r，則對準目標；當 VAGC_l>VAGC_r，則目標偏左，方位向左轉(zhuǎn)動 Δθ±θf角度；當 VAGC_l

圖3 掃描與跟蹤模式流程

3 設計應用及試驗結(jié)果

在某車載平板“動中通”天線控制系統(tǒng)中采用上述設計方法。經(jīng)測試在直路跟蹤精度為0.24 V，轉(zhuǎn)彎跟蹤精度為0.35 V。精度計算公式詳見文獻[7]。轉(zhuǎn)彎跟蹤測試結(jié)果如圖4和圖5所示。而直路跟蹤測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖4 轉(zhuǎn)彎跟蹤方位角度變化圖

圖5 轉(zhuǎn)彎跟蹤AGC變化圖

圖6 直線跟蹤方位角度變化圖

圖7 直線跟蹤AGC變化圖

4 結(jié)束語

本文所描述的控制策略，使用傾角儀和3個速率陀螺通過軟件實現(xiàn)了車體擾動的隔離以及航向隔離，提高了車載衛(wèi)星通信天線的性價比。通過對該跟蹤算法的測試結(jié)果可知，該算法能夠滿足精度要求，可以用來作為低輪廓車載天線的跟蹤策略，推廣使用。

[1]馮愛霞.衛(wèi)星通信地球站天線控制系統(tǒng)步進跟蹤設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（9）：27-29.

[2]金鈺，胡祐德，李向春.伺服系統(tǒng)設計指導[M].北京：北京理工大學出版社，2000：64-73.

[3]秦永元.慣性導航[M].北京：科學出版社，1996：133-164.

[4]張小妹.陀螺原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1997：145-169.

[5]董蓉霞，張桂平.光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在"動中通"中的應用[J].測控與通信，2009，33（2）：26-28.

[6]陳伯時.自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981：205-230.

[7]夏福梯.防空導彈制導雷達伺服系統(tǒng)[M].北京：宇航出版社，1996：266-275.