車載天線指向精度的研究

劉會鋒，李艷梅

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍63756部隊，山東 青島 266100)

0 引言

衛(wèi)星通信是地球上的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站2部分組成。衛(wèi)星通信的特點是：通信范圍大，只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點之間都可進(jìn)行通信；不易受陸地災(zāi)害的影響，只要設(shè)置地球站電路即可開通；同時可在多處接收，能經(jīng)濟地實現(xiàn)廣播、多址通信。

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)和以多媒體為代表的信息高速公路的發(fā)展，今后10年我國衛(wèi)星通信將有一個更大的發(fā)展，并將以自主的大容量通信衛(wèi)星為主體，建立起完善、長期穩(wěn)定運行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。逐步開展車載衛(wèi)星移動通信服務(wù)，石油、地質(zhì)、新聞、水利、外交、海關(guān)、體育、搶險救災(zāi)、銀行、安全、軍事和國防等部門均配備了相應(yīng)業(yè)務(wù)終端，其中車載天線是車載衛(wèi)星通信的重要組成部分。

在車載天線系統(tǒng)中指向精度是很重要的一個指標(biāo)，也是比較難測試的指標(biāo)，車載天線能否正常使用和指向精度直接相關(guān)，系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都有可能影響到指向精度，比較重要的環(huán)節(jié)主要是車體結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)，目前車載天線系統(tǒng)應(yīng)用很多，設(shè)計方法也各不相同，本文從車體結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)和伺服控制的設(shè)計入手介紹提高指向精度的方法[2]。

通過分析影響車載天線系統(tǒng)指向精度的因素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和伺服控制算法入手，給出解決方法。

1 車載天線系統(tǒng)分析與設(shè)計

車載天線系統(tǒng)主要由天線控制單元、天線驅(qū)動單元、軸角編碼單元、安全保護(hù)單元和車載座架單元等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 車載天線系統(tǒng)組成

1.1 天線控制單元

天線控制單元(ACU )主要包括嵌入式控制器EC-4217，支持4路DI(24 V輸入，懸空認(rèn)為低電平)，4路DO(繼電器輸出，最大電流2 A)，3路RS232，2路RS422及1路RS485，2路隔離CAN總線接口，2路10/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)接口，4路16位ADC，輸入信號范圍為±10 V，4路12位DAC。

ACU是天線控制系統(tǒng)的核心部分，天線控制軟件運行在ACU內(nèi)，通過ACU的前面板可以完成對天線的操作，在遠(yuǎn)控模式下接收上級監(jiān)控臺的指令，完成所需要的任務(wù)。

通過CAN口通信采集軸角傳感器的數(shù)據(jù)、通過DO端口采集安全保護(hù)單元的狀態(tài)，結(jié)合控制指令和控制算法計算出天線需要轉(zhuǎn)動的速度和角度，最終控制天線驅(qū)動單元驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動，完成所需要的跟蹤任務(wù)，天線控制單元是車載天線系統(tǒng)的運算決策部分[3]。

1.2 天線驅(qū)動單元

天線驅(qū)動單元的主要作用是根據(jù)天線控制單元的指令驅(qū)動天線座架轉(zhuǎn)動，完成跟蹤目標(biāo)的任務(wù)，天線驅(qū)動單元是車載天線系統(tǒng)的動力執(zhí)行部分。

現(xiàn)在常用的天線座架由方位轉(zhuǎn)軸和俯仰轉(zhuǎn)軸2部分組成，所以天線驅(qū)動單元分為方位軸驅(qū)動單元和俯仰軸驅(qū)動單元2部分，分別驅(qū)動天線的方位軸和俯仰軸。

天線座架的驅(qū)動鏈條主要包括電機、減速機和齒輪組，在驅(qū)動過程中存在齒隙，齒隙的大小直接影響到天線的指向精度，尤其減速機和齒輪組的嚙合處齒隙最大。

目前為了減小齒隙最常用的方法是采用雙電機驅(qū)動，使用2個電機減速機組合和齒輪組嚙合，在驅(qū)動器內(nèi)有2套驅(qū)動系統(tǒng)分別控制2個電機，主要原理是通過力矩偏置和力矩均衡電路去控制電機的工作狀態(tài)，保證減速機的齒輪和齒輪組的齒輪機密嚙合沒有齒隙，保證天線的指向精度[4]。

1.3 軸角編碼單元

軸角編碼單元主要包括軸角傳感器和供電電路，軸角傳感器的轉(zhuǎn)軸和天線座架的轉(zhuǎn)軸通過同步裝置連接，在天線座架轉(zhuǎn)動的同時軸角傳感器同步轉(zhuǎn)動，同時天線控制單元根據(jù)軸角傳感器的數(shù)據(jù)控制天線的位置，所以軸角傳感器的精度決定了天線座架的轉(zhuǎn)動精度。

試驗中軸角傳感器采用光電碼盤MMCD-C5BD-S06S-PRM-M50，該光電碼盤具有16位精度，能分辨天線座架0.005°的變化，足夠滿足車載天線系統(tǒng)的要求[5]。

1.4 安全保護(hù)單元

安全問題是設(shè)計中首要考慮的問題，不但要保證操作人員的安全也要考慮設(shè)備自身的安全，在設(shè)計中使用了3級保護(hù)：軟件限位保護(hù)、電限位保護(hù)和硬件限位保護(hù)。

軟件限位是在軟件中設(shè)置天線的轉(zhuǎn)動范圍，如果轉(zhuǎn)動超出范圍控制驅(qū)動器停機。電限位是在天線的極限位置設(shè)計接觸式傳感器，如果觸碰到傳感器則控制驅(qū)動器停機。硬件限位是在轉(zhuǎn)動極限位置附近設(shè)計阻擋天線轉(zhuǎn)動的碰塊，如果天線超出極限位置碰撞到碰塊，驅(qū)動器過流保護(hù)停機。

在天線運輸或大風(fēng)時防止天線晃動損壞傳動鏈條，設(shè)計了入鎖裝置，入鎖軸插入入鎖裝置保證天線在運輸或大風(fēng)時天線不晃動，防止天線損壞，在天線工作前可以解除鎖定[6]。

2 指向精度分析

指向精度定義為在規(guī)定條件下保持天線(對固定指向天線)或轉(zhuǎn)動天線所能達(dá)到的精確度。

指向誤差是指向精度(相對于名義指向)的一種量度，并定義為指令矢量和通信射頻軸之間空間角度差。

指向精度可以規(guī)定為在指定頻率上和規(guī)定的環(huán)境條件下天線波束寬度的百分比[7]。

在工程實踐上指向精度要求為1/5波束寬度，波束寬度的計算公式為：

β=21/fΑ，

式中，β為波束寬度(°)；f為波束頻率(kHz)；A為天線口徑(m)。

2.1 指向精度誤差源分析

2.1.1 誤差源分類

從誤差性質(zhì)來講，所有的誤差都分為2類：系統(tǒng)誤差(固有誤差)和隨機誤差。

系統(tǒng)誤差是指固定不變或有變化規(guī)律的誤差，系統(tǒng)誤差可以通過一定的方法進(jìn)行標(biāo)定和消除[8]。

隨機誤差是指沒有固定數(shù)值和變化規(guī)律的誤差，隨機誤差產(chǎn)生的原因是非常復(fù)雜的，任何系統(tǒng)誤差源都會產(chǎn)生隨機誤差。

隨機誤差符合一定的統(tǒng)計規(guī)律，其數(shù)字特征一般有2個：算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。

算術(shù)平均值通常是隨機誤差分布的中心；標(biāo)準(zhǔn)方差則反應(yīng)隨機誤差以算術(shù)平均值為中心的分散特性，即方差越大，數(shù)據(jù)越分散。

一般情況下，天線指向精度的隨機誤差符合正態(tài)分布規(guī)律。

2.1.2 重力載荷影響分析

重力載荷引起系統(tǒng)誤差分量，它隨天線仰角而變化，對于車載天線來說，反射器對于俯仰軸是平衡的，故重力載荷不產(chǎn)生與取向有關(guān)的偏差。引起指向誤差效應(yīng)最重要的重力變形是主反射器結(jié)構(gòu)的下垂與撓曲的結(jié)果。由于支撐的幾何關(guān)系，副反射器位移的效應(yīng)部分地抵消了反射器轉(zhuǎn)動效應(yīng)。反射器、俯仰驅(qū)動機構(gòu)及副反射器位移的合成效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，在俯仰軸讀出的這一誤差可歸因為與反射器軸垂直的重力的分量，這一誤差隨仰角的余弦而變化。值得注意的是由反射器的重力變形而引起的波束偏轉(zhuǎn)其方向因支撐而異。

重力變形誤差很難建立數(shù)學(xué)模型，一般用下面的經(jīng)驗公式來近似計算。也可以建立一個與俯仰相關(guān)的數(shù)據(jù)修正表，采用查表法進(jìn)行修正。

ΔE=βcosE，

式中，ΔE為俯仰變形角度(°)；E為俯仰的當(dāng)前角度；β為重力變形系數(shù)。

2.1.3 風(fēng)載荷影響分析

車載天線所受的風(fēng)載荷作用有很多種，風(fēng)不僅可以引起車載天線結(jié)構(gòu)受力的變化，也可以引起天線結(jié)構(gòu)的震動，所以風(fēng)載荷的分析對車載天線至關(guān)重要。

由風(fēng)載荷引起的指向誤差是風(fēng)速以及相對于風(fēng)向的天線取向的函數(shù)，它包括反射器結(jié)構(gòu)的偏差以及座架和基礎(chǔ)的撓曲和轉(zhuǎn)動。天線結(jié)構(gòu)的力和力矩是風(fēng)速(空氣的速度) 以及天線相對于風(fēng)的取向的函數(shù)。受氣流的影響，風(fēng)速在時間上是連續(xù)和隨機變化的，它可以用非零平均高斯過程來描述。對于任意給定地點，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差是正比于平均風(fēng)速的，其比值或常數(shù)與局部地形特征有關(guān)。

對于采用圓形拋物面的車載天線，在二維體軸坐標(biāo)系內(nèi)，風(fēng)載荷有3個變量，計算公式為：

Fc=CcqA，F(xiàn)A=CAqA，

FM=CMqAD，q=0.5βV2，

式中，F(xiàn)c為橫向力；FA為軸向力；FM為風(fēng)力矩；Cc、CA為風(fēng)力系數(shù)；CM為風(fēng)力矩系數(shù)；A為天線的面積；D為天線表征尺寸;β為空氣密度；V為風(fēng)速[9]。

某型車載天線的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果表

平均風(fēng)速/(km/h)方位誤差/(°)俯仰誤差/(°)系統(tǒng)隨機系統(tǒng)隨機48．20．0080．0030．0020．00148．20．0170．0050．0050．002

2.1.4 溫度變化影響分析

因為天線結(jié)構(gòu)使用鋼結(jié)構(gòu)，均勻的溫度變化導(dǎo)致均勻的膨脹或收縮，不產(chǎn)生指向誤差。當(dāng)天線處于天頂位置時，太陽輻射導(dǎo)致變形，這一變形對射頻軸是軸對稱的，這種變形影響反射器的表面精度，但不產(chǎn)生任何指向誤差，當(dāng)天線接近水平時，溫度效應(yīng)產(chǎn)生橫過反射器的熱梯度而引起指向誤差。此時反射器的上部比下部溫度高，這就引起射頻軸下垂。類似地，橫過座子結(jié)構(gòu)的溫度梯度使座子發(fā)生撓曲。根據(jù)測試估計出當(dāng)天線水平并無風(fēng)時1.2 kW/m2太陽輻射導(dǎo)致約5 ℃的溫度梯度。有風(fēng)時不可能產(chǎn)生這一溫度梯度?？梢约俣◤乃降教祉?shù)臒彷d荷引起的誤差隨仰角成余弦變化[10]。

主反射面的變形對指向精度的影響很大，車載天線工作在室外環(huán)境，環(huán)境的變化直接影響到車載天線，尤其天線面的熱變形會引起主反射面的軸線偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致天線的發(fā)射或接收波束方向偏移，最終表現(xiàn)為天線的指向精度降低。

主反射面軸向偏轉(zhuǎn)0°、0.015°、0.05°情況下天線波束偏轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 主反射面熱變形對天線波束指向的影響 (°)

副反射面在環(huán)境溫度變化時也可能產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，這種偏轉(zhuǎn)角的變化導(dǎo)致天線散焦、天線副瓣不對稱、發(fā)射或接收的波束指向改變。副反射面軸向偏轉(zhuǎn)0°、0.015°、0.05°情況下天線波束偏轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 副反射面偏轉(zhuǎn)角對天線波束指向的影響

副反射面偏轉(zhuǎn)角度/(°)波束偏轉(zhuǎn)角度/(°)0．0000．0000．0150．00300．0500．0034

副反射面由于熱變形有可能產(chǎn)生橫向位移。以副反射面焦平面中心為基點，對副反射面發(fā)生橫向位移的情況進(jìn)行分析，副反射面橫向位移0°、0.05mm、0.15mm情況下天線波束指向的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 副反射面橫向位移對天線波束指向的影響

副反射面橫向位移/mm波束偏轉(zhuǎn)角度/(°)0．0000．0000．050．00250．150．0080

從以上分析中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的變化可以導(dǎo)致天線波束指向的變化，主要表現(xiàn)形式有3種：主反射面軸線偏轉(zhuǎn)、副反射面軸線偏轉(zhuǎn)和副反射面橫向位移，這3種形式中最主要的影響是主反射面軸偏，其他2種可以忽略不計[11]。

2.2 指向精度誤差解決方法

2.2.1 克服重力和溫度變化的影響

碳纖維復(fù)合材料/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，主要是彈性模量與密度、線脹系數(shù)之積的比值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)天線面板的金屬材料，在高端結(jié)構(gòu)件中使用很多，所以在設(shè)計中采用碳纖維復(fù)合材料/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作天線主反射面和副反射面[12]。

在天線主反射面和副反射面的設(shè)計過程中需要解決很多關(guān)鍵技術(shù)，主要有原材料的篩選、負(fù)壓模具的設(shè)計、膠粘劑的選擇、夾層結(jié)構(gòu)性能試驗和成型工藝參數(shù)確定等多項關(guān)鍵環(huán)節(jié)，再次過程中需要大量的計算和實驗。最終決定使用低膨脹合金模具來實現(xiàn)碳纖維蒙皮的預(yù)置成形及蒙皮與蜂窩的膠粘成形。通過施加真空負(fù)壓，使雙層碳纖維蒙皮和蜂窩等分離組件被壓貼在模具上并由粘接劑膠接固化為一整體，實現(xiàn)反射面面板在小剛度下成形，大剛度下定型。經(jīng)此種工藝方法制造出的反射面型面精度可達(dá)到δ≤0.15 mm(R.M.S)。

碳纖維復(fù)合材料最大的優(yōu)點是具有充分的設(shè)計自由度，可實現(xiàn)多種天線結(jié)構(gòu)形式，靈活多變。碳纖維復(fù)合材料天線在制作過程中采用高溫、高壓模具成型，所以天線面具有很高的曲面精度，并且碳纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕、壽命長、重量輕和強度好等優(yōu)點。

考慮到加工、制造和安裝的要求，天線采用分瓣組裝方式，中間部分為對稱的3塊，兩側(cè)折疊部分各一塊。

天線反射器和負(fù)反射器質(zhì)量輕，重力變形小，熱脹冷縮系數(shù)小，基本不受重力和溫度變化的影響。

2.2.2 克服風(fēng)載荷的影響

車體采用高精度自動調(diào)平系統(tǒng)，工作時4個支腿支撐天線，增加車體的穩(wěn)定性。

伺服控制系統(tǒng)中采用雙機消隙系統(tǒng)，消除了齒隙和傳動誤差帶來的影響，同時采用智能PI控制算法，增強了系統(tǒng)剛度和抗干擾性。

伺服控制的主要參數(shù)是天線的位置，根據(jù)理論位置和實際位置的誤差控制天線向減小誤差的方向轉(zhuǎn)動，在智能PI(比例、積分)控制算法中根據(jù)誤差的大小分成多個區(qū)間，在不同的區(qū)間內(nèi)使用不同的參數(shù)，保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和控制策略過渡的平穩(wěn)性，在小誤差范圍內(nèi)使用PI算法控制[13]。

PI算法的特點是二階無靜差，經(jīng)過一定時間的控制后可以達(dá)到靜態(tài)誤差為零，開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

式中，K(s)為傳遞函數(shù)；Ka為系統(tǒng)增益；T為采樣周期；τ為時間常數(shù)；ξ為阻尼系數(shù)。該式的對數(shù)頻率特性曲線如圖2所示。

圖2 開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線

在PI算法的編程實現(xiàn)過程中需要采用離散化處理，目前比較容易實現(xiàn)編程的離散算法是增量式數(shù)字PI控制算法，主要思想是數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出只是控制量的增量U(k)，其表達(dá)式為：

U(k)=Kp×[e(k)-e(k-1)+e(k)×Ts/Ti]，

式中，Kp為比例放大系數(shù)；Ts為采樣周期；Ti為積分時間常數(shù)；U(k)為當(dāng)前增量輸出；e(k)為第k次偏差[14]。

智能PI控制算法在實際自動控制使用很廣，算法越來越成熟，無論是使用單片機還是使用工控機作為控制器都能方便地通過編程來實現(xiàn)算法[15]。

通過結(jié)構(gòu)和伺服控制算法的改進(jìn)增強了車載天線的穩(wěn)定性和抗風(fēng)性能。

3 應(yīng)用分析

在某型車載天線系統(tǒng)中指向精度估算表如表5所示，其中，Δ總為總均方根誤差，

表5 指向精度估算表

項目方位誤差/(°)俯仰誤差/(°)軸角編碼誤差0．0050．003回差誤差0．0010．001航向誤差0．0250．000調(diào)平誤差0．0180．018軸系誤差0．0030．003自重力矩誤差0．0000．010∑Δ2i，∑Δσ2i0．0310．021

最高工作頻率12.745 GHz，理論波束寬度為0.26°，指向精度為優(yōu)于1/5半功率波束寬度，即要求為0.05°。經(jīng)表5核算，指向誤差為0.037 8°<0.05°[16]。實際測試記錄如表6所示。

表6 指向精度測試記錄

次數(shù)方位Ai/(°)俯仰Ei/(°)19．0545．5929．0445．6239．0145．6149．0345．5658．9545．5569．0445．5879．0445．5789．0145．5698．9545．58109．0245．59119．0245．58128．9745．63138．9445．64149．0145．59158．9945．57169．0245．61179．0245．62188．9645．57199．0245．56208．9145．55均值(°)A0=9．00E0=45．586均方差0．02770．027

實際測試的結(jié)果0.0387°<0.05°，通過測試和實際應(yīng)用指向精度有了顯著提高。

4 結(jié)束語

本文分析了影響車載天線指向精度的主要因素，通過仿真得出各影響因素的模型，在此基礎(chǔ)上提出了解決方法，通過改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)和伺服控制算法來提高系統(tǒng)的指向精度，經(jīng)過分析和實際測試證明本文的方法是正確的，所以本文對車載天線系統(tǒng)的設(shè)計有指導(dǎo)的作用。

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