船載衛(wèi)通天線角度調(diào)整模式存在問題的分析與改進*

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

1 引 言

船載衛(wèi)星通信(簡稱衛(wèi)通)站伺服跟蹤系統(tǒng)承擔(dān)著實時跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的任務(wù)，確保岸船間的通信暢通，其地位重要、作用巨大。衛(wèi)通天線采用方位(Az)、俯仰(El)、交叉(C)三軸穩(wěn)定、兩軸(A、E或E、C)跟蹤體制，可以有效解決天線過頂跟蹤問題，保證衛(wèi)星可視區(qū)域內(nèi)無跟蹤盲區(qū)[1-3]。

船載衛(wèi)通天線角度調(diào)整有隨動航向和自適應(yīng)調(diào)整兩種工作模式[4]。船載衛(wèi)通天線自適應(yīng)調(diào)整，是指在自跟蹤狀態(tài)下，以交叉軸角度偏離中心點達到一定角度(一般設(shè)為8°)為判斷依據(jù)，方位軸向?qū)?yīng)方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度進行補償，使交叉軸向中心點方向運行的一種工作模式。隨動航向是指船載衛(wèi)通天線方位軸角度隨航向變化而相應(yīng)變化，使航向的變化對天線跟蹤不產(chǎn)生影響的一種工作模式。其工作原理是[5]：實時記錄航向變化值，對航向變化值進行平滑處理，方位軸實時進行調(diào)整補償，使天線隔離航向?qū)Ω櫟挠绊憽Ｔ陂L期使用過程中發(fā)現(xiàn)，兩種工作模式還存在一定的局限性，容易導(dǎo)致天線達到軸系限位，影響正常通信。為解決該問題，本文對此進行深入分析研究，并提出了改進方案。

2 船載衛(wèi)通天線轉(zhuǎn)動數(shù)學(xué)模型

為了便于分析問題，建立衛(wèi)通天線轉(zhuǎn)動幾何模型，如圖1所示，XOY為船甲板平面，OZ為垂直甲板平面向上，OH為天線電軸指向。G為H在平面YOZ上的投影，I為H在平面XOY上的投影，J為G在平面XOY上的投影，矩形GHIJ同時垂直于平面YOZ和平面XOY。

圖1 伺服系統(tǒng)三軸跟蹤空間示意圖

依據(jù)幾何原理，可以得出：

tanc=tanΔa×cose

(1)

cosc×cose=cosE(實時俯仰大地角)×cosΔa

(2)

3 存在問題分析

環(huán)境設(shè)置：船航速12 kn，衛(wèi)通天線跟蹤180°E衛(wèi)星，船位位置在P點(179°E，0°N)，衛(wèi)通工作不少于10 h，則圖2中圓形區(qū)域為船航行覆蓋區(qū)。

圖2 星下點跟蹤狀態(tài)下船航行示意圖

假設(shè)：船航向45°，衛(wèi)通天線初始狀態(tài)A為45°、E為88.82°、C為0°。由于跟蹤過程中航向未變，交叉軸也沒有達到8°，依據(jù)程序原理分析，船航行經(jīng)X、Y點時，天線方位不會進行調(diào)整，天線狀態(tài)如表1所示。到Y(jié)點后，俯仰與交叉在實際跟蹤過程中已經(jīng)互換了角色，即大地俯仰上的變化體現(xiàn)在交叉軸上，大地方位上的變化體現(xiàn)在俯仰上，出現(xiàn)倒置跟蹤現(xiàn)象，如果此時船繼續(xù)往外航行，會出現(xiàn)天線反向跟蹤或軸系限位現(xiàn)象，導(dǎo)致天線丟失目標(biāo)。

另外，船從P點沿著0°緯度直線航線，當(dāng)船航行至Z點時，如表1所示，天線形成了俯仰反向跟蹤狀態(tài)，如果船繼續(xù)往前航行，會出現(xiàn)軸系限位現(xiàn)象，導(dǎo)致天線丟失目標(biāo)。

表1 天線狀態(tài)變化表1

因此，在實際應(yīng)用中，在通信衛(wèi)星星下點附近跟蹤時，船位變化的影響比較突出，同時天線處于高俯仰角跟蹤狀態(tài)，兩種工作模式存在如下缺陷：

(1)自適應(yīng)調(diào)整模式下，交叉軸角度達到預(yù)設(shè)的8°以后，現(xiàn)有的角度調(diào)整方案依據(jù)式(1)和式(2)可知：俯仰角度越高，方位軸角度的調(diào)整量對交叉軸角度變化量的影響越小，使天線交叉角度長期處于8°附近，此時由于船搖等影響，很容易使天線交叉達到限位；

(2)隨動航向模式下，方位軸只隔離了航向因素，地理位置變化的因素沒有考慮，若船沿同一航向長時間行駛，交叉軸會朝同一方向運動，最終達到限位；

(3)地理位置比較特殊情況下，容易導(dǎo)致天線姿態(tài)變化，即俯仰、交叉倒置跟蹤或者俯仰反向跟蹤，雖然不影響設(shè)備的正常跟蹤和通信，但在設(shè)備長期運行或狀態(tài)繼續(xù)惡化情況下容易導(dǎo)致天線失鎖，通信中斷。

另外，隨動航向模式中，方位軸雖然處于閉環(huán)狀態(tài)，但其調(diào)整是高頻度的間歇性工作，產(chǎn)生的擾動較大，影響俯仰、交叉軸的跟蹤。方位軸頻繁的啟動、停止，對驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及卷繞線纜也有較大損害，從而縮短設(shè)備使用壽命，因此，船載大型衛(wèi)通站主要采取自適應(yīng)跟蹤模式。

4 角度調(diào)整優(yōu)化模式研究

4.1 復(fù)合模式：自適應(yīng)調(diào)整模式改進

針對兩種跟蹤模式存在的弊端，本文設(shè)計了一種復(fù)合調(diào)整模式，利用實時理論大地方位角來控制甲板方位角，同時兼顧隨動航向模式中方位調(diào)整頻繁問題。當(dāng)實時理論大地方位角扣除實時航向值后與甲板方位角差值超過8°時，進行一次自適應(yīng)調(diào)整，這樣，該復(fù)合調(diào)整模式兼顧了自適應(yīng)調(diào)整和隨動航向兩種跟蹤模式的優(yōu)勢，同時避免了兩種模式的弊端，使天線方位角度與理論角度的差值控制在8°以內(nèi)，確保天線保持良好的姿態(tài)，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠跟蹤，具體流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合調(diào)整模式流程圖

針對隨動航向模式存在的實時調(diào)整方位角帶來的擾動問題，復(fù)合調(diào)整模式采取了實際大地方位角度變化量達到8°調(diào)整一次的做法，有效降低了方位軸調(diào)整次數(shù)；針對過頂跟蹤問題，依據(jù)修改后的程序執(zhí)行情況，天線狀態(tài)如表2所示，此時無論船如何航行，都不會導(dǎo)致天線限位(方位硬件限位反轉(zhuǎn)除外)，確保了設(shè)備跟蹤穩(wěn)定。

表2 天線狀態(tài)變化表2

天線低俯仰角情況下，3種模式都能正常跟蹤。復(fù)合模式設(shè)置實際大地方位角度變化量達到8°實現(xiàn)一次調(diào)整，是為了確保低俯仰角度下跟蹤時將交叉軸角度控制在8°以內(nèi)。

4.2 復(fù)合模式：隨動航向模式改進

相對于小型船載衛(wèi)通站而言，方位軸高頻度間歇性調(diào)整對天線的影響相對較小，隨動航向模式為主用模式，將隨動航向控制改為隨動大地方位角度控制，如圖4所示，即可解決航向模式存在的實時調(diào)整方位角帶來的擾動問題。

圖4 隨動航向跟蹤模式流程圖

4.3 后續(xù)分析

對于天線反向跟蹤或倒置跟蹤時，是否會丟失目標(biāo)的問題，分析如下：正常狀態(tài)下，當(dāng)天線往下偏離目標(biāo)時，如圖5(a)所示，俯仰誤差電壓為正，促使天線向上運行，達到跟蹤目標(biāo)的目的；當(dāng)天線俯仰反向跟蹤，處于圖5(b)狀態(tài)時，俯仰角度與正常角度增加，但相對于天線面來說，目標(biāo)在天線的下方，俯仰誤差電壓為負，促使天線向下運行，天線仍能正常跟蹤目標(biāo)；當(dāng)天線處于倒置跟蹤時，同理，出正或負的交叉誤差電壓，仍能正常跟蹤。所以，無論天線處于何種狀態(tài)，只要極化角、接收機相位正確，均能正常跟蹤。唯一例外的是，當(dāng)跟蹤線極化衛(wèi)星，在過頂跟蹤的瞬間，需要大范圍調(diào)整極化角度，此時，天線將會丟失目標(biāo)，如果能夠協(xié)調(diào)交叉耦合相位調(diào)整、極化角度調(diào)整按相應(yīng)方向同時、同速率調(diào)整，就能解決該問題。另外，關(guān)于在同一位置天線處于不同狀態(tài)(倒置、俯仰反向)跟蹤時信號的極化是否會影響跟蹤問題，通過理論推導(dǎo)和實際使用，確認為不影響跟蹤，這里不再闡述。

圖5 天線跟蹤原理圖

復(fù)合調(diào)整模式在自適應(yīng)跟蹤模式下增加了實時理論計算及兩個判斷程序，對程序運行本身不增加變量，并且軟件運行所需資源也較少，不會引起程序其它方面的問題，非常適合于船載衛(wèi)通站使用。

5 結(jié)束語

本文對船載衛(wèi)通站自跟蹤模式進行了分析，建立了衛(wèi)通天線轉(zhuǎn)動數(shù)學(xué)模型，通過理論分析并結(jié)合船載衛(wèi)星通信的實際使用情況，指出了現(xiàn)有跟蹤模式存在的問題，提出了以實時理論大地角為基礎(chǔ)的復(fù)合調(diào)整模式方案，消除高俯仰角狀態(tài)對跟蹤的影響，在某型號船載衛(wèi)通站上實現(xiàn)了改進使用，天線跟蹤更加穩(wěn)定、可靠。

參考文獻：

[1] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.衛(wèi)星通信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

Committee for Editing Military Training Book of PLA. Technology of Satallite Communication[M].Beijing:National Defense Industry Press,2000.(in Chinese)

[2] 蔣力.目標(biāo)過頂?shù)某绦蚋櫩刂萍夹g(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(9):1-4.

JIANG Li. Control Technology for Program Tracking during Zenith Pass[J]. Modern Electronics Technique,2005,28(9):1-4.(in Chinese)

[3] 李培,韓恩典.船載天伺饋系統(tǒng)速度環(huán)路的PID控制調(diào)整[J].無線電工程,2010,40(4):38-42.

LI Pei, HAN En-dian. PID Controller Adjustment of Velocity Loop in ship-Borne Antenna Servo and Feed System[J]. Radio Engineering,2010,40(4):38-42.(in Chinese)

[4] 瞿元新.航天測量船海上測控技術(shù)概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

QU Yuan-xin. A panorama of measuring and control technique an sea in aerospace measuring ship[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.(in Chinese)

[5] 簡仕龍.航天測量船測控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

JIAN Shi-long. Technique of stabling ship swaying for measuring control and communication equipment in aerospace measuring ship[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.(in Chinese)