車載天線伺服系統(tǒng)技術(shù)分析

任金泉，周洪波，蔡文莉

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

0 引言

車載天線伺服系統(tǒng)接收綜控系統(tǒng)發(fā)送的載體坐標(biāo)數(shù)據(jù)和慣性數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算出天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位、俯仰和極化角。再與天線當(dāng)前的方位、俯仰、極化的角度進(jìn)行比較，通過數(shù)字校正，輸出控制信號(hào)到功放，驅(qū)動(dòng)天線指向目標(biāo)。隨著載體的移動(dòng)，發(fā)送的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，伺服系統(tǒng)計(jì)算出的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的角度也相應(yīng)的變化，并驅(qū)動(dòng)天線朝目標(biāo)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星的目的。車載天線伺服系統(tǒng)采用了擴(kuò)展CAN通信技術(shù)和一種安裝偏差角標(biāo)定技術(shù)。

1 擴(kuò)展CAN通信技術(shù)

CAN總線即控制器局部網(wǎng)，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。具有以下突出特點(diǎn):①CAN的傳輸速率可到1 Mbit/s;② 具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制，有自動(dòng)重發(fā)功能;③ 采用獨(dú)特的非破壞性仲裁技術(shù)，具有CRC校驗(yàn)功能;④ 連線簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。擴(kuò)展CAN通信協(xié)議只包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，用戶可自定義應(yīng)用層協(xié)議，具有很大的靈活性。

車載綜控系統(tǒng)采用CAN總線為天線伺服系統(tǒng)提供位置信息和姿態(tài)信息，采用了擴(kuò)展CAN通信技術(shù)。

1.1 物理特性和幀格式

伺服系統(tǒng)和CAN接口要求提供120 Ω終端匹配電阻。總線通信速率設(shè)置為500 kbps。

CAN通信協(xié)議約定了4種不同的幀格式，該系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。CAN首先接收到仲裁場，根據(jù)仲裁場的內(nèi)容判斷所接收到的信號(hào)是哪種幀格式，用戶將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)場中進(jìn)行發(fā)送，或從數(shù)據(jù)場中讀取接收到的數(shù)據(jù)。CAN幀結(jié)構(gòu)中字節(jié)1～字節(jié)5定義為控制段，用來承載通信雙方的相關(guān)控制信息。CAN幀結(jié)構(gòu)中的字節(jié)6～13字節(jié)定義為正文段，用來承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或者是控制信息的控制參數(shù)。

CAN2.0B擴(kuò)展幀格式如表1所示。

表1 CAN 2.0B擴(kuò)展幀格式

1.2 控制區(qū)協(xié)議

1.2.1 CAN節(jié)點(diǎn)地址

綜控系統(tǒng)各單元地址采用8 bit編址方式，綜控系統(tǒng)CAN總線地址中，綜控系統(tǒng)為0X01，伺服系統(tǒng)為0X02。在CAN幀結(jié)構(gòu)中，安排下列CAN地址信息:

ID［28:21］為源地址域:數(shù)據(jù)發(fā)送方的CAN節(jié)點(diǎn)地址信息。

ID［20:13］為目的地址域:數(shù)據(jù)接收方的CAN節(jié)點(diǎn)地址信息。

支持優(yōu)先級(jí)機(jī)制，低地址CAN節(jié)點(diǎn)具有較高的通信優(yōu)先級(jí)。

1.2.2 CAN幀控制信息

ID［12:5］為 CAN幀結(jié)構(gòu)中的控制域，該域用來表示綜控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)上的幀類型，以及控制信息，ID［12:11］表示幀類型，對(duì)于幀類型的約定如下:

ID［12:11］=［00］該幀為信息幀，ID［12:11］無定義。當(dāng)前幀為信息幀時(shí)，正文段為通信雙方需交互的正文內(nèi)容;

ID［12:11］=［10］該幀為控制幀，ID［12:11］為通信雙方進(jìn)行通信的控制命令。當(dāng)前幀為控制幀時(shí)，正文段的數(shù)據(jù)為控制幀的相關(guān)控制參數(shù)。

1.2.3 當(dāng)前CAN幀狀態(tài)

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)超過CAN單幀大小，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，采用ID1、ID0來標(biāo)識(shí)當(dāng)前CAN幀在整個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中的分包情況如表2所示。

表2 當(dāng)前CAN幀狀態(tài)規(guī)定

發(fā)送數(shù)據(jù)通過分包形成的各幀需要準(zhǔn)確填寫ID［12:11］分包信息，以此來為收端數(shù)據(jù)組包提供必要信息。

1.3 系統(tǒng)通信流程與應(yīng)用結(jié)果

伺服系統(tǒng)與綜控系統(tǒng)通信流程如圖1所示。

車載天線伺服系統(tǒng)能夠通過CAN2.0B協(xié)議實(shí)時(shí)可靠的接收到綜控系統(tǒng)發(fā)送的位置信息和姿態(tài)信息。

圖1 伺服系統(tǒng)與綜控系統(tǒng)通信流程

2 安裝偏差角標(biāo)定技術(shù)

由于伺服系統(tǒng)需要綜控系統(tǒng)向其提供北向、當(dāng)?shù)厮矫娴淖藨B(tài)角，為保證角度的傳遞精度，首先需要將裝車狀態(tài)下天線坐標(biāo)系與綜控系統(tǒng)本體系之間的安裝偏差角標(biāo)定出來。下面給出了一種基于光學(xué)系統(tǒng)的角度標(biāo)定技術(shù)。

2.1 相關(guān)坐標(biāo)系

2.1.1 車體坐標(biāo)系

車體坐標(biāo)系簡稱體軸系，其定義如下:原點(diǎn)在車體質(zhì)心:O1Y1沿車體縱軸，指向車體前進(jìn)方向;O1X1垂直于O1Y1軸，指向車體右側(cè);O1X1Y1Z1為右手直角坐標(biāo)系。該坐標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中由綜控系統(tǒng)坐標(biāo)系來代替。

2.1.2 綜控系統(tǒng)坐標(biāo)系

綜控系統(tǒng)坐標(biāo)系描述為b系，該坐標(biāo)系與綜控系統(tǒng)本體固連，由本體安裝基準(zhǔn)面確定，在沒有陀螺和加速度表在本體安裝誤差的情況下，其3個(gè)軸與陀螺和加速度表的敏感軸平行。

按照裝車位置，綜控系統(tǒng)給出的是車體系相對(duì)北向、水平面的姿態(tài)角。

2.1.3 天線坐標(biāo)系

天線坐標(biāo)系描述為T系，如圖2所示。在天線的安裝基面上刻有安裝基準(zhǔn)線，沿車體縱軸方向指向車頭。坐標(biāo)原點(diǎn)OT在天線的回轉(zhuǎn)中心，OTYT軸與重合，OTXT軸指向車體右側(cè)，OTZT與 OTXT、OTYT軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。OTZT軸為方位軸，OTXT軸為俯仰軸。

圖2 天線坐標(biāo)系

2.1.4 坐標(biāo)系相互關(guān)系推導(dǎo)

天線坐標(biāo)系到綜控系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:①繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，原坐標(biāo)到新坐標(biāo)轉(zhuǎn)移陣為Rx(α);② 繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角，原坐標(biāo)到新坐標(biāo)轉(zhuǎn)移陣為Ry(β);③ 繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角，原坐標(biāo)到新坐標(biāo)轉(zhuǎn)移陣為Rz(γ)。

2.1.5 安裝偏差角轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)

當(dāng)設(shè)備安裝在車輛上，由于機(jī)械加工和測(cè)量誤差，車體坐標(biāo)系OTXTYTZT(實(shí)際由綜控系統(tǒng)本體坐標(biāo)系測(cè)定)與天線坐標(biāo)系OTXTYTZT之間必定存在安裝偏差角。如圖3所示轉(zhuǎn)序定義T系與b系間的方位偏差角 Δφm、滾動(dòng)偏差角 Δψm和俯仰偏差角 Δγm。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖

因此，T與b系間的轉(zhuǎn)換矩陣為:

2.2 偏差角標(biāo)定技術(shù)

2.2.1 水平偏差角

由于車體具備粗平20＇，精調(diào)平1＇的能力，因此首先將天線安裝基面調(diào)平。在此基礎(chǔ)上，綜控系統(tǒng)進(jìn)行水平傾角測(cè)量，測(cè)量的角度即可認(rèn)為是水平安裝偏差角 Δγm、Δψm。

2.2.2 方位偏差角

2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

在衛(wèi)通天線裝車以后，通過以上坐標(biāo)標(biāo)定方案標(biāo)定偏差角之后，天線方位角和俯仰角與目標(biāo)實(shí)際的角度，偏差控制在6＇以內(nèi)，滿足系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)要求，保證了鏈路通信。

圖4 方位安裝偏差角

3 結(jié)束語

在某車載天線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的CAN2.0B節(jié)點(diǎn)和協(xié)議設(shè)計(jì)，將天線坐標(biāo)系與綜控系統(tǒng)本體坐標(biāo)系之間的常值偏差角進(jìn)行標(biāo)定，滿足了整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能要求，并在裝車后實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星，保證了鏈路暢通。

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