過頂跟蹤技術(shù)在動中通中的應(yīng)用

+ 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)。

1.系統(tǒng)組成

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。

2.伺服控制

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。

[1]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社,1986

[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