+ 任娟 (中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所)
隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和自動跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展,在運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)交換變得越來越普遍。而且隨著Ka、Ku頻段的應(yīng)用,衛(wèi)星接收設(shè)備體積減小,動中通得以大量應(yīng)用。動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量可靠、通信迅速和受環(huán)境影響小等特點(diǎn)。近年來,動中通技術(shù)越來越多地應(yīng)用于車載、船載和機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。動中通的關(guān)鍵技術(shù)是快速、穩(wěn)定、可靠的伺服控制系統(tǒng),它保證了天線時時對準(zhǔn)衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信不間斷。對于需要工作在赤道附近的動中通,過頂跟蹤技術(shù)保證了衛(wèi)星通信無盲區(qū)。下文將就某車載動中通的設(shè)計說明過頂跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
車載動中通系統(tǒng)由于車輛在運(yùn)動中顛簸最厲害,因而對伺服系統(tǒng)的要求最為苛刻,而且天線口徑不能太大。某Ku頻段1.2m車載動中通主要由天饋分系統(tǒng)、跟蹤接收機(jī)分系統(tǒng)、伺服控制分系統(tǒng)、座架分系統(tǒng)和衛(wèi)星通信分系統(tǒng)組成,如圖1所示。
天饋分系統(tǒng)完成對星通信,采用賦型環(huán)焦天線、主副面設(shè)計、小型化及輕型的波紋喇叭和寬頻帶差模跟蹤網(wǎng)絡(luò),具有高效率、低旁瓣、低交叉極化隔離度和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
除了收發(fā)圖象、語音和數(shù)據(jù)等信號外,天線接收到來自衛(wèi)星上的信標(biāo)信號,經(jīng)天線主副面反射后,進(jìn)入波紋喇叭,再經(jīng)過和差網(wǎng)絡(luò)送到跟蹤接收機(jī)解調(diào)出方位和俯仰的角誤差信號,最后送到伺服控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)天線對衛(wèi)星的單脈沖自跟蹤。
圖1 動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成
座架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天線的轉(zhuǎn)動,一般動中通的座架主要采用A-E兩軸形式,即方位、俯仰軸,其結(jié)構(gòu)緊湊,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)少,剛度強(qiáng),伺服控制系統(tǒng)也容易實(shí)現(xiàn),但其缺點(diǎn)是高仰角跟蹤有盲區(qū),對于那些赤道附近的國家和地區(qū),為實(shí)現(xiàn)高仰角甚至過頂跟蹤,需要在兩軸基礎(chǔ)上增加交叉軸,采用A-E-C三軸座架,這增加了系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試的難度。本系統(tǒng)采用三軸形式,組成三軸穩(wěn)定兩軸跟蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)過頂跟蹤無盲區(qū)的要求。
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展,伺服控制由原來的模擬控制轉(zhuǎn)換成了先進(jìn)的數(shù)字控制方式。本系統(tǒng)伺服控制分為艙內(nèi)和艙外兩部分,組成框圖如圖2所示:
慣導(dǎo)設(shè)備提供航向、橫搖、縱搖數(shù)據(jù),GPS提供經(jīng)緯度信息,并通過串口把信息送入天線控制單元進(jìn)行目標(biāo)角的計算。
座架上安裝了滑環(huán)裝置使方位軸能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動,保證衛(wèi)星信號不間斷。
圖2 伺服控制分系統(tǒng)
各軸控制和角度的解析分別由不同的單片機(jī)實(shí)現(xiàn),并通過CAN總線和天線控制單元通信,跟蹤接收機(jī)的和差信號也由CAN 總線送到伺服控制系統(tǒng)中。
由于受天線所在地理位置與衛(wèi)星下行點(diǎn)經(jīng)緯度差和地球曲率影響,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輻射波的極化相對于衛(wèi)星通信天線的極化有一定的夾角,即極化偏轉(zhuǎn)角,通過對極化電機(jī)的控制來調(diào)整極化角度,以便與衛(wèi)星在不同地區(qū)的極化取向匹配。
伺服跟蹤的目的是使天線方位、俯仰時刻保持在目標(biāo)角上,如果慣導(dǎo)達(dá)到一定精度,可以用圖3所示環(huán)路實(shí)現(xiàn)。但車載慣導(dǎo)一般飄移很大,所以方位、俯仰跟上目標(biāo)后,需要利用接收機(jī)和差信號,轉(zhuǎn)入單脈沖跟蹤,使天線時時對準(zhǔn)衛(wèi)星。
三軸座架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對伺服控制系統(tǒng)提出了更高的要求。只跟蹤不加穩(wěn)定天線在車體的搖擺下很容易丟星。本系統(tǒng)采用反饋陀螺來隔離車體姿態(tài),即當(dāng)進(jìn)入跟蹤時,方位控制保持閉合位置環(huán)隨動航向,俯仰和交叉用反饋陀螺信號先隔離車體搖擺,再用單脈沖跟蹤來修正剩余的跟蹤誤差,如圖4所示。
這樣,采用三軸座架系統(tǒng)和三軸跟蹤兩軸穩(wěn)定的跟蹤方式,在高仰角和過頂跟蹤時,交叉軸補(bǔ)償了方位上的偏差,方位軸不需極速轉(zhuǎn)動,防止了衛(wèi)星通信的中斷。
圖1 伺服跟蹤環(huán)路2
通過多項環(huán)境實(shí)驗和大量跑車試驗表明,本系統(tǒng)伺服控制具有優(yōu)越的驅(qū)動性、快速的系統(tǒng)相應(yīng)能力,可靠的穩(wěn)定性能和很高的跟蹤精度,達(dá)到了設(shè)計要求,滿足在不同路況條件下準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的使用條件。目前該動中通已出口到赤道國家,長期在俯仰角70°以上工作,通信效果良好。
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[2]馬寧.“動中通”常用跟蹤方式,測控與通信,2008年01期,43-46
[3]李建榮.X-Y型天線座過頂跟蹤分析,通信與信息技術(shù),2010年11期,21-23
圖3 伺服跟蹤環(huán)路1