船載衛(wèi)通站天線控制單元引導(dǎo)計(jì)算異常的解決*

羅 巖,何 瑩,魏春明

(1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰214431;2.泰州學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇泰州225300)

船載衛(wèi)通站天線控制單元引導(dǎo)計(jì)算異常的解決*

羅 巖**1,何 瑩2,魏春明1

(1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰214431;2.泰州學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇泰州225300)

某船載衛(wèi)通站天線控制單元(ACU)在一次任務(wù)海域使用捷聯(lián)慣導(dǎo)(SINS)作為數(shù)據(jù)源引導(dǎo)計(jì)算時(shí)出現(xiàn)了衛(wèi)星捕獲異常情況。針對(duì)該問(wèn)題,從分析船載衛(wèi)通站衛(wèi)星捕獲原理入手,詳細(xì)比對(duì)了各類(lèi)引導(dǎo)源的數(shù)據(jù)格式與異同點(diǎn),結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行問(wèn)題排查定位,提出了相應(yīng)的解決方案并完成了ACU軟件的修改完善和測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用所提方法,問(wèn)題定位準(zhǔn)確,解決方案簡(jiǎn)單有效、可行性強(qiáng),可為類(lèi)似問(wèn)題的解決提供參考。

船載衛(wèi)通站;天線控制單元;數(shù)據(jù)源;捷聯(lián)慣導(dǎo);引導(dǎo)計(jì)算

1 船載衛(wèi)通站衛(wèi)星捕獲原理

船載衛(wèi)通站是遠(yuǎn)洋通信的主要手段。當(dāng)船舶在大洋上航行時(shí),船載衛(wèi)通站利用數(shù)據(jù)源傳來(lái)的經(jīng)緯度和航向角等信息計(jì)算出大地命令角,驅(qū)動(dòng)天線進(jìn)行衛(wèi)星捕獲,隔離船搖使天線波束始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星完成射頻信號(hào)的發(fā)射和接收,保障岸船通信時(shí)刻暢通[1]。

1.1 衛(wèi)星捕獲原理

船載衛(wèi)通天線大多采用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤體制[2]。三軸分別為方位軸(Azimuth,A軸)、俯仰軸(Elevation,E軸)和交叉軸(Cross,C軸)。兩軸跟蹤是指由單脈沖跟蹤接收機(jī)完成E軸和C軸誤差分解并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),經(jīng)過(guò)A、E軸或者E、C軸跟蹤回路對(duì)跟蹤進(jìn)行修正[3]。

衛(wèi)星捕獲過(guò)程可分為四個(gè)步驟:首先,根據(jù)數(shù)據(jù)源送來(lái)的經(jīng)緯度和星址等信息計(jì)算在當(dāng)前海域下天線捕獲衛(wèi)星應(yīng)該轉(zhuǎn)到的方位角和俯仰角(大地命令角);其次,驅(qū)動(dòng)天線方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)至該大地命令角;然后,在此位置空間內(nèi)一定區(qū)域按一定方式轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掃描;最后,在掃描期間若滿足設(shè)定跟蹤條件可自動(dòng)切入自跟蹤。

1.2 引導(dǎo)源數(shù)據(jù)格式及異同點(diǎn)分析

在現(xiàn)有設(shè)備條件下,船姿信息輸入源有3種選擇,分別是GPS/電羅經(jīng)/傾角儀、人工置入和捷聯(lián)慣導(dǎo)。

GPS/電羅經(jīng)/傾角儀為最常用的一種數(shù)據(jù)源,穩(wěn)定性好,精度一般,在海況惡劣的情況下,引導(dǎo)計(jì)算的大地命令角不夠準(zhǔn)確,天線捕獲衛(wèi)星的時(shí)間較長(zhǎng)。

捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)是將陀螺和加速度計(jì)直接固連在載體上的一種慣性導(dǎo)航技術(shù),應(yīng)用越來(lái)越廣泛。捷聯(lián)慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)精度高,實(shí)時(shí)性較好。船載衛(wèi)通站使用該數(shù)據(jù)源,天線對(duì)衛(wèi)星的指向準(zhǔn)確,捕獲時(shí)間短。如果使用GPS/電羅經(jīng)/傾角儀數(shù)據(jù)源天線長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法捕獲衛(wèi)星,可以考慮切換為捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源。ACU引入捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源進(jìn)行衛(wèi)星捕獲,增加了一種引導(dǎo)手段,可提高冗余度和精確度。

在人工置入數(shù)據(jù)源下,需人工設(shè)置經(jīng)緯度和航向角,可在其余兩種數(shù)據(jù)源失效時(shí)應(yīng)急使用。

2 問(wèn)題的分析排查

2.1 問(wèn)題描述

在某次任務(wù)準(zhǔn)備階段,船舶進(jìn)入西經(jīng)南緯后,設(shè)備人員發(fā)現(xiàn)采用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源引導(dǎo)計(jì)算的大地命令角結(jié)果錯(cuò)誤:在西經(jīng)149°、南緯17°、航向角267°時(shí),船載衛(wèi)通站跟蹤圓極化星183°E的大地命令角理論值,方位角和俯仰角命令值分別為299.04°和52.51°;采用GPS/電羅經(jīng)/傾角儀數(shù)據(jù)源計(jì)算的結(jié)果方位角和俯仰角命令值分別為299.06°和52.52°;采用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源計(jì)算的結(jié)果方位角和俯仰角命令值分別為113.62°和46.70°。通過(guò)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源計(jì)算的結(jié)果錯(cuò)誤。

2.2 問(wèn)題定位

設(shè)備連接關(guān)系為捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)先通過(guò)網(wǎng)線傳輸至ACU監(jiān)控微機(jī),再通過(guò)串口從ACU監(jiān)控微機(jī)傳輸至ACU工控機(jī),最后ACU工控機(jī)軟件利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如圖1所示。

圖1　捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)備連接關(guān)系圖Fig.1 Connection diagram of SINS devices

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在西經(jīng)149°、南緯17°、航向角267°時(shí)采用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源引導(dǎo)計(jì)算的大地命令角(方位角和俯仰角命令值分別為113.62°和46.70°)應(yīng)為東經(jīng)149°、北緯17°時(shí)的結(jié)果,此時(shí)ACU監(jiān)控微機(jī)上顯示接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)正常。該問(wèn)題在船舶處于東經(jīng)和北緯時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)。

ACU工控機(jī)軟件中接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的程序段如圖2所示。

圖2　ACU軟件接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)程序段Fig.2 Receiving SINS data program in ACU software

程序中,TrackModeSwitch.DataSource=3表示數(shù)據(jù)源選擇捷聯(lián)慣導(dǎo)。當(dāng)數(shù)據(jù)源選擇了捷聯(lián)慣導(dǎo)后,捷聯(lián)慣導(dǎo)(ReceiveMCSDataStruct_Inerti)的橫搖角、縱搖角、航向角、經(jīng)度和緯度信息直接賦值給ACU軟件中的船姿信息(BoatSwingInformation)。同時(shí),船姿信息中存在記錄東西經(jīng)(BoatSwingInformation.EOrW)和南北緯(BoatSwingInformation.NOrS)的變量。ACU監(jiān)控微機(jī)傳來(lái)的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)中經(jīng)度取值為-180°～180°,-180°～0°表示船舶處于西經(jīng)180°～0°,0°～180°表示船舶處于東經(jīng)0°～180°;緯度取值為-90°～90°,-90°～0°表示船舶處于南緯90°～0°,0°～90°表示船舶處于北緯0°～90°。

ACU軟件船姿信息中經(jīng)度取值范圍為0°～180°;緯度取值范圍為0°～90°,并增加了記錄東西經(jīng)和南北緯的變量,如表1所示。

表1　捷聯(lián)慣導(dǎo)在監(jiān)控微機(jī)與ACU軟件中的格式對(duì)比Tab.1 SINS data format comparison between monitor computer and ACU software

因?yàn)榻萋?lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)在監(jiān)控微機(jī)和ACU工控機(jī)軟件中的格式不同,所以在ACU軟件接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的程序中,將監(jiān)控微機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)的經(jīng)度和緯度信息直接賦值給ACU軟件船姿信息的方式不正確,是導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的根源。

當(dāng)船舶在西經(jīng)149°、南緯17°時(shí),ACU監(jiān)控微機(jī)中捷聯(lián)慣導(dǎo)經(jīng)度和緯度分別為 ReceiveMCSData-Struct_Inerti.Longitude=-149°和ReceiveMCSData-Struct_Inerti.Latitude=-17°,經(jīng)過(guò)ACU工控機(jī)軟件中接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的程序段處理后,船姿信息為BoatSwingInformation.Longitude=-149°、BoatSwing-Information.EOrW=W、BoatSwingInformation.Latitude =-17°和BoatSwingInformation.NOrS=S。在進(jìn)行引導(dǎo)計(jì)算時(shí),西經(jīng)-149°、南緯-17°的計(jì)算結(jié)果為東經(jīng)+149°、北緯+17°的大地命令角,而西經(jīng)+149°、南緯+17°的計(jì)算結(jié)果才是正確的。綜上,該問(wèn)題得到了定位。

該問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響:一方面,船舶在西經(jīng)或南緯,使用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源衛(wèi)星無(wú)法捕獲;另一方面,使用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源跟蹤線極化星時(shí),由于經(jīng)緯度信息有誤,導(dǎo)致命令極化角計(jì)算不正確,使得天線失鎖。

3 解決措施與結(jié)果分析

該問(wèn)題可通過(guò)修改ACU軟件中接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)程序的方法來(lái)解決——把原直接賦值變?yōu)闂l件判斷賦值。當(dāng)監(jiān)控微機(jī)傳來(lái)的捷聯(lián)慣導(dǎo)經(jīng)度大于0時(shí),直接賦值;當(dāng)其小于0時(shí),乘以-1再賦值。緯度操作類(lèi)似,如圖3所示。

圖3　修改后的接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)程序段Fig.3 Modified receiving SINS data program

修改之后,當(dāng)船舶在西經(jīng)149°、南緯17°時(shí), ACU監(jiān)控微機(jī)中捷聯(lián)慣導(dǎo)經(jīng)度和緯度分別為ReceiveMCSDataStruct_Inerti.Longitude=-149°和ReceiveMCSDataStruct_Inerti.Latitude=-17°,經(jīng)過(guò)ACU工控機(jī)軟件中接收捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的程序段處理后,船姿信息為BoatSwingInformation.Longitude= 149°、BoatSwingInformation.EOrW=W、BoatSwingInformation.Latitude=17°和 BoatSwingInformation. NOrS=S,引導(dǎo)計(jì)算的結(jié)果為西經(jīng)+149°、南緯+17°的大地命令角和極化角。

首先,使用原ACU軟件該引導(dǎo)計(jì)算結(jié)果異常的問(wèn)題可以得到復(fù)現(xiàn)。

其次,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證當(dāng)船駛?cè)胛鹘?jīng)或南緯時(shí),修改后的ACU軟件選擇捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源大地命令角計(jì)算正確,天線能夠正常捕獲跟蹤圓極化星183°E。在西經(jīng)或南緯時(shí),修改后的ACU軟件大地命令極化角計(jì)算正確,船載衛(wèi)通站跟蹤線極化星134°E一切正常。

最后,經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證,船舶在其他海域包括穿越赤道時(shí),修改后的ACU軟件選擇捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源大地命令角計(jì)算正確,天線能夠捕獲衛(wèi)星并正常跟蹤。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了船載衛(wèi)通站衛(wèi)星捕獲原理和現(xiàn)有各數(shù)據(jù)源的特點(diǎn),針對(duì)某船載衛(wèi)通站進(jìn)入西經(jīng)南緯時(shí)天線控制單元使用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源引導(dǎo)計(jì)算結(jié)果異常的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析,詳細(xì)論述了問(wèn)題排查的過(guò)程,提出了相應(yīng)的解決方案并對(duì)ACU軟件進(jìn)行了修改。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了解決方案的正確性和有效性。修改后的ACU軟件已在某船載衛(wèi)通站應(yīng)用。

該問(wèn)題的產(chǎn)生是因?yàn)樵诶显O(shè)備改造過(guò)程中對(duì)于軟件版本前后不一致、部分情況等風(fēng)險(xiǎn)考慮不周,故在新設(shè)備投入使用或者老設(shè)備改造時(shí),需針對(duì)軟件的各類(lèi)邊界條件測(cè)試充分。該問(wèn)題的排查過(guò)程可為解決類(lèi)似問(wèn)題提供參考。

[1] 瞿元新.航天測(cè)量船測(cè)控通信設(shè)備船搖穩(wěn)定技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009. QU Yuanxin.Anti-rocking technologies employed in TT&C and communication equipments on the space tracking ship[M].Beijing:National Defense Industry Press, 2009.(in Chinese)

[2] 林習(xí)良,周錦標(biāo),趙乾宏.E&C跟蹤對(duì)極化角的影響及解決方法[J].電訊技術(shù),2011,51(11):37-41. LIN Xiliang,ZHOU Jinbiao,ZHAO Qianhong.Solution to the influence of elevation&cross tracking mode on polarization angle[J].Telecommunication Engineering,2011, 51(11):37-41.(in Chinese)

[3] 王友強(qiáng),劉峻,馬云龍.船載衛(wèi)通天線角度調(diào)整模式存在問(wèn)題的分析與改進(jìn)[J].電訊技術(shù),2010,50(9):102-105. WANG Youqiang,LIU Jun,MA Yunlong.Problems of angle adjustment model in shipborne satcom station:investigation and amelioration[J].Telecommunication Engineering,2010,50(9):102-105.(in Chinese)

羅 巖(1989—),男,江西南昌人,2015年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?

LUO Yan was born in Nanchang,Jiangxi Province,in 1989.He received the M.S.degree in 2015.He is now an engineer.His research concerns communication engineering.

Email:5luoyan@sina.com

何 瑩(1985—),女,江蘇泰州人,2011年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?

HE Ying was born in Taizhou,Jiangsu Province,in 1985. She received the M.S.degree in 2011.She is now a lecturer. Her research concerns communication engineering.

魏春明(1982—),男,江蘇靖江人,2004年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

WEI Chunming was born in Jingjiang,Jiangsu Province,in 1982.He received the B.S.degree in 2004.He is now an engineer.His research concerns communication engineering.

Solution to Abnormal Calculation Problem of Antenna Control Unit in Shipboard Satellite Communication Station

LUO Yan1,HE Ying2,WEI Chunming1
(1.China Satellite Marinetime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China;
2.School of Computer Science and Technology,Taizhou University,Taizhou 225300,China)

The problem occured that the antenna failed to track the satellite when antenna control unit (ACU)of shipboard satellite communication station used strapdown inertial navigation system(SINS)data source in a certain sea area.For this problem,this paper starts with analyzing the tracking principle of shipboard satellite station,compares the characteristics of each data source in detail,locates and detects the problem according to experience in engineering,proposes the corresponding solution and completes ACU software modification and test.The experiment results illustrate that the problem is located accurately,the solution is simple,effective and feasible,which can help to solve similar problems.

shipboard satellite communication station;antenna control unit;data source;strapdown inertial navigation system;leading calculation

某船載衛(wèi)通站天線控制單元(Antenna Control Unit,ACU)在西經(jīng)南緯海域使用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源出現(xiàn)了衛(wèi)星捕獲異常情況。該問(wèn)題是首次發(fā)現(xiàn),并且船舶在東經(jīng)北緯海域未出現(xiàn)。此時(shí),監(jiān)控軟件上顯示捷聯(lián)慣導(dǎo)(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)數(shù)據(jù)接收正常。通過(guò)試驗(yàn)選用不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)使用捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源計(jì)算的大地命令角是錯(cuò)誤的,故導(dǎo)致天線捕獲異常。

為了準(zhǔn)確了解該問(wèn)題產(chǎn)生的原因,本文從分析船載衛(wèi)通站衛(wèi)星捕獲原理入手,詳細(xì)比對(duì)了各類(lèi)引導(dǎo)源的數(shù)據(jù)格式與異同點(diǎn),結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行問(wèn)題排查定位。

**通信作者:5luoyan@sina.com 5luoyan@sina.com

TN820

A

1001-893X(2016)11-1279-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.11.017

2016-03-14;

2016-05-18

date:2016-03-14;Revised date:2016-05-18

引用格式:羅巖,何瑩,魏春明.船載衛(wèi)通站天線控制單元引導(dǎo)計(jì)算異常的解決[J].電訊技術(shù),2016,56(11):1279-1282.[LUO Yan,HE Ying, WEI Chunming.Solution to abnormal calculation problem of antenna control unit in shipboard satellite communication station[J].Telecommunication Engineering,2016,56(11):1279-1282.]