劉曉麗
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,河北石家莊 050081)
船載衛(wèi)通站天線座架型式的分析
劉曉麗
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,河北石家莊 050081)
分析了在船載衛(wèi)通站伺服跟蹤系統(tǒng)中采用A-E兩軸座架型式和采用A-E-C三軸座架型式各自的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹了采用A-E兩軸座架型式跟蹤移動(dòng)目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生正割補(bǔ)償和跟蹤盲區(qū)的原因以及解決正割補(bǔ)償?shù)霓k法。通過(guò)對(duì)船載A-E-C三軸座架船體運(yùn)動(dòng)的分解、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,指出了A-E-C三軸座架和A-E兩軸座架型式的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及其之所以解決跟蹤盲區(qū)的原理。
座架型式;正割補(bǔ)償;跟蹤盲區(qū);高仰角跟蹤
近年來(lái),隨著我國(guó)航天飛船、航天飛行探測(cè)器技術(shù)的迅猛發(fā)展,船載移動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從神州一號(hào)的成功發(fā)射到神州七號(hào)載人飛船多圈繞地飛行再到嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間深空探測(cè),遠(yuǎn)洋測(cè)量船上的船載衛(wèi)通站(船載移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng))都扮演著重要的角色,在飛行器飛離大陸測(cè)控站監(jiān)測(cè)范圍時(shí),它是大陸與飛行器聯(lián)系的唯一紐帶。由于遠(yuǎn)洋測(cè)量船要反復(fù)穿越赤道,而此時(shí)衛(wèi)星通信天線位于星下點(diǎn),天線跟蹤的仰角高達(dá)80多度,傳統(tǒng)的A-E座架將會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)盲區(qū),因此需要采用A-E-C三軸座架型式來(lái)解決傳統(tǒng)的A-E座架高仰角跟蹤帶來(lái)盲區(qū)的問(wèn)題,本文詳細(xì)介紹了兩種座架型式的區(qū)別以及跟蹤的特點(diǎn)。
目前在車載以及近海船載衛(wèi)通站系統(tǒng)中大都采用A-E兩軸座架型式,它的優(yōu)點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平衡比較容易、體積小重量輕。然而基于A-E兩軸座架型式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在天頂存在盲區(qū),并且在跟蹤時(shí)方位軸存在正割補(bǔ)償。而在遠(yuǎn)洋船載衛(wèi)通站系統(tǒng)中主要采用A-E-C三軸座架型式,它的優(yōu)點(diǎn)是解決了兩軸座架型式無(wú)法解決的跟蹤盲區(qū)缺陷,缺點(diǎn)是比兩軸座架型式增加了C軸功率控制、體積大。
以下主要結(jié)合兩軸和三軸座架型式就伺服系統(tǒng)高仰角跟蹤的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
對(duì)大地坐標(biāo)系中采用A-E兩軸座架型式的衛(wèi)星通信天線,以大地海平面為基準(zhǔn)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤,如圖1所示。
圖1 天線方位上的正割補(bǔ)償示意圖
當(dāng)跟蹤的目標(biāo)由B→C,需使天線軸線從AB→AC,這時(shí)天線方位軸從AO→AD,形成的區(qū)域?yàn)镺AD。由圖1可以看出區(qū)域OAD是區(qū)域BAC在大地平面上的投影,天線的俯仰角由E到E′變化,由圖1幾何關(guān)系可得出:
也就是說(shuō)當(dāng)目標(biāo)在BAC平面內(nèi)偏離電軸角度α?xí)r,天線方位需要轉(zhuǎn)動(dòng)α′才能對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)??梢钥闯靓痢浜挺林g存在正割關(guān)系,這就是采用A-E兩軸座架型式跟蹤移動(dòng)目標(biāo)時(shí)方位軸需要正割補(bǔ)償?shù)脑颉?/p>
由公式(6)可知當(dāng)天線的軸線和目標(biāo)之間的誤差角α不變的情況下,方位角誤差α′隨仰角E′的增大而增大,式(6)對(duì)時(shí)間微分可得方位角速度:
式(7)對(duì)時(shí)間微分可得方位角加速度:
由式(7)可以看出當(dāng)E′→90°時(shí)ωα′→∞在設(shè)計(jì)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,也就是說(shuō)當(dāng)目標(biāo)在天頂周圍時(shí),采用A -E兩軸座架型式的跟蹤天線存在一個(gè)無(wú)法跟蹤的高仰角區(qū)域,通常稱為“跟蹤盲區(qū)”,解決跟蹤盲區(qū)的根本方法是采用三軸或四軸座架型式。
由式(7)和(8)可以看出,對(duì)于采用A-E兩軸座架型式的伺服跟蹤系統(tǒng),方位軸上的角速度、角加速度隨俯仰角的增加而增加,因而加大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)滯后。為了解決這一問(wèn)題最常用的方法是在方位支路跟蹤信號(hào)和陀螺信號(hào)之后分別串接一個(gè)正割電位器,但由于正割電位器制造比較難,而余弦電位器制造相對(duì)容易,又因?yàn)閟ecE′=′所以可用余弦電位器和放大器組合代替正割電位器實(shí)現(xiàn)正割補(bǔ)償功能,如圖2所示?;蛘卟捎脭?shù)字處理將計(jì)算機(jī)采集的跟蹤接收機(jī)誤差信號(hào)和陀螺信號(hào)分別乘以secE′進(jìn)行正割補(bǔ)償后再送功率放大。
遠(yuǎn)洋船載移動(dòng)衛(wèi)星通信站的天線座架型式一般都采用A-E-C三軸座架,下面通過(guò)對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的分解來(lái)說(shuō)明A-E-C三軸座架型式和A-E兩軸座架型式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及其能解決A-E兩軸式座架型式存在跟蹤盲區(qū)的原因。
對(duì)船載移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),當(dāng)船只在海上航行時(shí)除了船體本身的航行運(yùn)動(dòng)之外,在海浪的沖擊下,還會(huì)產(chǎn)生周期性的搖擺運(yùn)動(dòng)。對(duì)于A-E-C三軸座架,這種搖擺運(yùn)動(dòng)在其上的投影,做以下分解,通過(guò)分解可以看出各軸應(yīng)產(chǎn)生的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)已達(dá)到隔離這種搖擺的目的,分解是以速度為量綱的,因?yàn)樗俣仁鞘噶?所以可用矢量合成的方法。這種分解是近似的。A-E-C三軸座架在船體運(yùn)動(dòng)中的分解關(guān)系見圖3。
圖2 余弦電位器電路圖
圖3 船體運(yùn)動(dòng)的分解
圖3中ΩH、ΩP、ΩR為船的空間搖擺角速度分別在橫搖軸、縱搖軸、艏搖軸上的投影,即橫搖、縱搖、艏搖的角速度。也就是說(shuō)船體的搖擺運(yùn)動(dòng)可以用橫搖、縱搖、艏搖三個(gè)矢量來(lái)表征,三個(gè)矢量是正交的。將其分解為平面圖如圖4。
圖4 船體運(yùn)動(dòng)的平面分解
從圖4不難得出船體的搖擺運(yùn)動(dòng)在A-E-C座架三軸上的投影分別為
式中β為天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)的地理方位角與船的航向角的合成角,及為天線的甲板角。從上面的推導(dǎo)可以得出,實(shí)際上A-E-C三軸天線座架就是在A-E軸系座架的基礎(chǔ)上增加一個(gè)C軸,C軸落在E軸框架上,并與E軸正交。這樣無(wú)論船的航向怎樣變化,目標(biāo)始終在EC軸所在平面的法線方向上,被跟蹤的目標(biāo)就不會(huì)出現(xiàn)在某一跟蹤軸的軸線方向,所以不可能出現(xiàn)盲區(qū)。也就是說(shuō)如果不是采用三軸座架而是采用A-E式兩軸座架,那么船的搖擺運(yùn)動(dòng)在C軸上的投影分量就必須由A軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離,此時(shí)A軸的運(yùn)動(dòng)為
當(dāng)仰角E較高時(shí),ΩA就會(huì)很大,且需要正割增益補(bǔ)償。當(dāng)俯仰角 E→90°時(shí)cosE→0,ΩA→∞這樣就會(huì)出現(xiàn)高仰角跟蹤盲區(qū)。
基于船載A-E-C三軸座架型式的伺服系統(tǒng)常采用三軸穩(wěn)定兩軸跟蹤的形式,即方位軸隨動(dòng)船體航向,俯仰軸和交叉軸依靠安裝在各自軸向上的陀螺以及跟蹤接收機(jī)提供的俯仰、交叉誤差信號(hào)穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星波束。由船體運(yùn)動(dòng)的平面分解可以看出,天線波束的空間指向變化,可以分解為高低角和橫軸角的的變化。那么由于船體運(yùn)動(dòng)所引起的波束指向變化,完全可以由高低角和橫軸角的變化來(lái)表征。所以只要兩個(gè)陀螺的敏感軸分別平行于高低軸(E軸)和橫軸(C軸)那么他們就能敏感這種變化并通過(guò)控制回路加以修正。另外,方位軸也是被穩(wěn)定的,它是用船上的羅經(jīng)或者慣導(dǎo)提供的航向信號(hào)來(lái)穩(wěn)定的。這樣就保證了天線波束指向始終是垂直于E、C陀螺的敏感軸的,即垂直于E軸和C軸組成的平面,這也就保證了E軸和波束的高低軸,C軸和橫軸的重合。在低仰角時(shí),C軸平行于方位軸,C支路的陀螺穩(wěn)定回路還可補(bǔ)償航向的周期變化引起的波束指向變化,這就三軸穩(wěn)定系統(tǒng)。
由于陀螺隨溫度、時(shí)間會(huì)產(chǎn)生漂移,電路的漂移、船體的不斷航行,會(huì)引起波束指向的變化,為此采用自跟蹤來(lái)修正這些誤差。由跟蹤接收機(jī)完成指向誤差的分解,將指向誤差分解為Δεe和Δεc分別送入E軸陀螺和C軸陀螺所在的陀螺環(huán)中,通過(guò)陀螺環(huán)修正天線的指向,這就是兩軸跟蹤體制。
兩種座架型式的比較見表1。由表1可以看出兩種座架型式各有各的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)于不同的區(qū)域針對(duì)不同的站型合適選擇座架型式可以達(dá)到最優(yōu)的跟蹤性能。
表1 兩種座架型式對(duì)照表
綜上分析可以得出當(dāng)衛(wèi)星通信站位于緯度20°~60°之間時(shí),天線跟蹤衛(wèi)星的俯仰地理角在70°以下,因此對(duì)于車載和近海船載移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用A-E兩軸座架型式就足夠了,但是在進(jìn)行跟蹤時(shí)依然要在方位支路增加正割補(bǔ)償。而對(duì)于遠(yuǎn)洋船載移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)講由于它們要頻繁穿越赤道,跟蹤仰角高達(dá)80多度,采用A-E兩軸座架型式就不能解決高仰角跟蹤盲區(qū)的問(wèn)題,因此采用A-EC三軸座架型式以適應(yīng)過(guò)頂跟蹤的要求。
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Analysis of antenna structure in the shipboard satellite communications system
LIU Xiao-li
(The54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)
It analyzed the advantage and disadvantage of antenna structure comparing A-E two axis w ith A-E-C three axis in shipboard satellite communications system,and introduced the reason of“Secant Compensation”and“tracking blind district”and the so lution of“Secant Compensation”in detail.By reso lving the ship motion and analyzing coo rdinates translation,it put fo rw ard the relation of antenna structure comparing A-E two axis w ith A-E-C three axis and the reason w hy A-E-C three axis can so lve“tracking blind district”.
Antenna structure;Secant Compensation;Tracking blind district;High-elevation tracking
TN820
:A
1001-9383(2011)02-0040-05
2011-03-25
劉曉麗(1975-),主要研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、天線伺服.