多陣面天線運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

，

(成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司，四川 成都 611731 )

0 引言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大、通信方式靈活多樣、質(zhì)量高、不受地理和自然環(huán)境限制等一系列的優(yōu)點(diǎn)，隨著全球經(jīng)濟(jì)和信息化的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的信息通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，在移動(dòng)載體上進(jìn)行衛(wèi)星通信已經(jīng)成為實(shí)時(shí)通信的迫切需求，因此移動(dòng)載體衛(wèi)星通信必將是衛(wèi)星通信的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。按照載體的類型不同分為車載衛(wèi)星通信平臺(tái)，機(jī)載衛(wèi)星通信平臺(tái)和船載衛(wèi)星通信平臺(tái)三大類[1-2]。由于機(jī)載設(shè)備特別是艙外設(shè)備需具備重量輕、迎風(fēng)面小、響應(yīng)快等要求，為此本文提出了一種具有低剖面、多軸聯(lián)動(dòng)控制的平板陣列動(dòng)中通天線，其優(yōu)點(diǎn)是輪廓低，射頻集成化高，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用[2]?，F(xiàn)在主要適用于大型飛機(jī)上，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 基本原理

低剖面動(dòng)中通天線多軸控制系統(tǒng)基于機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)控制原理，使用3個(gè)天線陣面朝同一方向，并且陣面的正上方不得相互遮擋。采用3軸聯(lián)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)方位和俯仰兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及陣面的直線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用2個(gè)單軸速度陀螺進(jìn)行穩(wěn)定控制，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將載體的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換到方位和俯仰2個(gè)運(yùn)動(dòng)控制軸上，同時(shí)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)俯仰的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)天線陣面互不遮擋且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中法向面面積始終保持不變。陣面原理如圖1所示。

圖1 天線陣面原理圖

2 控制策略

2.1 總體控制策略

低剖面動(dòng)中通天線多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有捕獲和跟蹤兩種模式。捕獲時(shí)，根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)值信息快速運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置。為了達(dá)到系統(tǒng)的響應(yīng)要求和控制精度，采用了速度前饋補(bǔ)償控制策略。捕獲完成時(shí)系統(tǒng)迅速轉(zhuǎn)入到跟蹤模式，采用速度陀螺作為穩(wěn)定環(huán)路進(jìn)行穩(wěn)定控制。本控制系統(tǒng)采用共軸跟蹤控制原理[3-5]，它的特點(diǎn)是通過(guò)引入慣性角位置反饋信號(hào)(載體導(dǎo)航信息)構(gòu)成獨(dú)立的位置回路，旋轉(zhuǎn)變壓器、跟蹤控制算法等控制指令結(jié)算環(huán)節(jié)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)分離，從而使控制系統(tǒng)擺脫了滯后等因素的帶寬限制。該系統(tǒng)采用載體的GPS信息及輔助慣性導(dǎo)航信息作為基準(zhǔn)姿態(tài)信息，它構(gòu)成了位置反饋的主回路，同時(shí)在接收基準(zhǔn)姿態(tài)信息的間隔內(nèi)，采用速度陀螺作為穩(wěn)定回路，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理

2.2 直線同步跟蹤控制

為了實(shí)現(xiàn)在整個(gè)過(guò)程中3個(gè)陣面互不遮擋，左右兩邊的陣面在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中還需要分別向左右進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的位移有陣面轉(zhuǎn)動(dòng)的角度決定，如圖3所示。根據(jù)圖3可得：

(1)

其中L為陣面的寬度，并與L1相等。

則移動(dòng)的位移為：

S=L2-L1

(2)

圖3 陣面變換

由于直線運(yùn)動(dòng)與陣面的俯仰運(yùn)動(dòng)存在同步控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)同步控制的策略有以下幾種：

主從同步控制，該方法采用俯仰軸為主動(dòng)軸，直線運(yùn)動(dòng)軸根據(jù)俯仰軸反饋的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算后，跟隨俯仰軸運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)是受俯仰軸控制精度的影響，同時(shí)存在較大的滯后；

虛擬軸同步控制，該方法是建立一個(gè)虛擬運(yùn)動(dòng)軸，俯仰軸和直線軸同時(shí)去跟隨虛擬軸，但是系統(tǒng)的跟隨精度在同步運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不能受控；

主從控制補(bǔ)償控制，該方法是主從控制的優(yōu)化控制，在主從控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)兩軸的反饋值進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以達(dá)到同步跟蹤的更高精度控制。該方法跟隨精度高，跟隨性能好，彌補(bǔ)前兩種控制策略的不足，但是控制策略較復(fù)雜。

由于本系統(tǒng)需要俯仰控制的精度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，同時(shí)直線運(yùn)動(dòng)的精度要求相當(dāng)較低，防止俯仰軸反饋角度對(duì)直線的影響，因此采用虛擬軸同步控制策略。

3 系統(tǒng)的隔離控制原理

對(duì)載體(基座)外界干擾進(jìn)行隔離，主要采用慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，目前比較主流的方式有兩種，一是將三軸陀螺安裝在載體上，陀螺能夠敏感的感知載體的姿態(tài)變化，但是由于需要將載體的姿態(tài)轉(zhuǎn)換到天線陣面坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換存在較復(fù)雜的非線性模型。第二種方式是將二自由度的陀螺安裝在俯仰天線陣面上，一軸垂直于陣面，一軸平行于陣面轉(zhuǎn)動(dòng)軸[6-7]，如圖4所示。

圖4 陀螺安裝

根據(jù)陀螺的安裝方式首先設(shè)定基座的所在坐標(biāo)系為b系，根據(jù)坐標(biāo)系變換將b系轉(zhuǎn)換到天線陣面坐標(biāo)系(設(shè)定為f系)。首先坐標(biāo)系繞b系的Z軸(即垂直于基座平面的軸)轉(zhuǎn)動(dòng)θa角度，記為a系；然后以a系為基準(zhǔn)繞X軸(即俯仰方向)轉(zhuǎn)動(dòng)θf(wàn)度，記為f系，a系和b系的相對(duì)位置如圖5所示，f系和a系的相對(duì)位置如圖6所示。

圖5 a系和b系的相對(duì)位置

圖6 f系和a系的相對(duì)位置

設(shè)定ωibx，ωiby，ωibz為載體(基座)沿3個(gè)坐標(biāo)軸的角速度分量，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式進(jìn)行運(yùn)算[8-9]，a系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果為:

(3)

f系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果為:

(4)

f系的角速度等于由載體角速度和方位、俯仰伺服回路角速度的疊加為：

(5)

按照天線穩(wěn)定系統(tǒng)的要求計(jì)算得：

(6)

(7)

ωifx由俯仰陀螺測(cè)得，此處俯仰陀螺軸線平行OXf軸；ωifz由方位陀螺測(cè)得，此處俯仰陀螺軸線平行OZf軸。

4 系統(tǒng)控制仿真分析

4.1 仿真模型的建立

根據(jù)本系統(tǒng)的控制策略，建立控制系統(tǒng)的仿真模型，主要包括伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型、控制策略數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)定控制模型。首先根據(jù)功能要求進(jìn)入捕獲模式，當(dāng)捕獲完成后系統(tǒng)立即切換到跟蹤模式。在跟蹤模式下，速度陀螺在時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行位置積分，然后將積分值經(jīng)坐標(biāo)系變換后與給定目標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加，其仿真框圖如圖7所示。

其中伺服電機(jī)的仿真模型包括電機(jī)數(shù)學(xué)模型、電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和轉(zhuǎn)速輸出[10]，如圖8所示。

4.2 仿真模型分析

根據(jù)動(dòng)中通天線的相關(guān)技術(shù)要求，天線指向角速度最大值：方位≥90°/s，俯仰≥30°/s；天線指向角加速度：方位≥25°/s2，俯仰≥60°/s2。因此將方位擬合成振幅324°，周期為22.4 s的正弦曲線；俯仰振幅15°，周期為3.14 s的正弦曲線進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

經(jīng)過(guò)仿真分析，采用傳統(tǒng)PID控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤誤差不能達(dá)到要求，其跟蹤精度都高達(dá)0.4°以上，而采用了傳統(tǒng)PID控制與速度前饋補(bǔ)償相結(jié)合的控制策略大大提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，方位跟蹤精度達(dá)到0.2°，俯仰跟蹤精度達(dá)到0.28°。

圖7 控制系統(tǒng)模型

圖8 伺服電機(jī)模型

圖10 俯仰跟蹤誤差

5 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)的控制效果，在實(shí)驗(yàn)室里將天線安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變天線的姿態(tài)，分別進(jìn)行了靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制精度

6 結(jié)束語(yǔ)

低剖面動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)的跟蹤精度直接影響通信質(zhì)量，為了抑制因控制精度而引起的與衛(wèi)星通信信號(hào)的衰減量，詳細(xì)分析了控制系統(tǒng)的控制策略，在傳統(tǒng)PI控制策略的基礎(chǔ)上，引入了速度前饋補(bǔ)償和同步控制策略，達(dá)到了較高的跟蹤精度。同時(shí)采用二軸速率陀螺的穩(wěn)定控制策略，避免了因引入傳統(tǒng)三軸速度陀螺進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換而引起的非線性耦合誤差。通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試表明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了機(jī)載動(dòng)中通天線的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤要求。

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