衛(wèi)星天線捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)構(gòu)建分析

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1 引言

和傳統(tǒng)天線平臺(tái)式穩(wěn)定系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式天線根據(jù)光纖陀螺角速率進(jìn)行積分對(duì)各軸向做反作用力，消除擾動(dòng)，保持天線姿態(tài)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，配合水平傳感器、北斗/GPS、信標(biāo)跟蹤等輔助措施加強(qiáng)天線穩(wěn)定平臺(tái)的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，若天線位于遮擋過程中，可以利用衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)的切換，在恢復(fù)遮擋過程中，仍可以利用衛(wèi)星信標(biāo)實(shí)現(xiàn)捕獲跟蹤，克服陀螺自身漂移的特性。

2 天線穩(wěn)定三軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以使天線有很好的的支撐和定向作用。不同用途的天線有著不同的結(jié)構(gòu)形式和相應(yīng)的穩(wěn)定跟蹤方式。為了使天線能夠有效隔離俯仰、橫滾以及軸向角運(yùn)動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了三軸結(jié)構(gòu)的天線的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。也即在方位-俯仰兩軸天線結(jié)構(gòu)的俯仰軸的幾何中心增加了橫滾軸。該三軸經(jīng)數(shù)字伺服信號(hào)控制下能夠?qū)矸轿?、俯仰、橫滾方向的干擾有效地隔離，保證天線對(duì)星指向相對(duì)穩(wěn)定。

3 三軸穩(wěn)定平臺(tái)抗擾動(dòng)分析

在方位-俯仰-橫滾三軸型天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建天線穩(wěn)定平臺(tái)，有效隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，能夠產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)矩抵消載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾力矩，使被穩(wěn)定結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)。

3.1 三軸穩(wěn)定平臺(tái)原理

圖1為三軸穩(wěn)定平臺(tái)等效示意圖。根據(jù)三軸慣性空間運(yùn)動(dòng)的方位、俯仰、橫滾軸的角速度選取速率測(cè)量陀螺，按所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系正交安裝。三個(gè)轉(zhuǎn)矩電機(jī)Ma、Mp、Mr則分別與方位、俯仰、橫滾三個(gè)環(huán)架轉(zhuǎn)軸直聯(lián)或通過減速裝置連接，輸出解耦的比例控制轉(zhuǎn)矩，以抵消因載體運(yùn)動(dòng)引起的環(huán)架之間的相互作用力。

圖1 三軸穩(wěn)定平臺(tái)等效圖

根據(jù)圖1，以原點(diǎn)分別建立載體、俯仰軸、方位軸、平臺(tái)、電機(jī)坐標(biāo)系：

載體坐標(biāo)系，外環(huán)即俯仰軸的支撐結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、內(nèi)環(huán)即俯仰環(huán)坐標(biāo)系，平臺(tái)負(fù)載坐標(biāo)系、電機(jī)坐標(biāo)系。

三軸平臺(tái)受到載體姿態(tài)變化引起的擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生在各軸系之間相互作用力的傳遞，如圖2所示。其中，圖2a為b系繞Yb軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)θr角度到r系；圖2b為r系繞Xr軸逆向轉(zhuǎn)動(dòng)θp角度到pi系；圖2c為pi系繞Zp軸逆向轉(zhuǎn)動(dòng)角度θa到p系。

圖2 坐標(biāo)系變換關(guān)系圖

3.2 三軸穩(wěn)定平臺(tái)擾動(dòng)傳遞過程分析

裝載在載體上的三軸平臺(tái)，會(huì)因載體姿態(tài)變化產(chǎn)生三軸系間相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)，要抵消這樣的相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)，使三軸能夠產(chǎn)生相對(duì)于上述作用力的逆向運(yùn)動(dòng)就可有效隔離載體角位移對(duì)其平臺(tái)的干擾，實(shí)現(xiàn)三軸平臺(tái)的相對(duì)穩(wěn)定。平臺(tái)負(fù)載（天線）相對(duì)位置變化是由三軸系間的剛性約束和摩擦約束傳遞的，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下保持天線穩(wěn)定，就得設(shè)法消除剛性約束和摩擦約束在軸系間的傳遞。

橫滾環(huán)、俯仰環(huán)、方位環(huán)三軸系間由摩擦約束造成絕對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度向量為：設(shè)由載體運(yùn)動(dòng)使橫滾環(huán)r、俯仰環(huán)p、方位環(huán)a的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度分別為ωir、ωip、ωia，其中角速度ωir在r系上的分量為，角速度ωip在p系上的分量為。

載體角速度運(yùn)動(dòng)向r環(huán)的傳遞。平臺(tái)的r環(huán)軸可通過摩擦約束隔離載體角速度分量，但該分量不能通過剛性約束的方式傳遞到r環(huán)。而載體角速度的另外兩個(gè)分量、、則以剛性約束方式傳遞向外環(huán)傳遞，根據(jù)圖2a有如下：

角速度運(yùn)動(dòng)向p環(huán)的傳遞。通過p環(huán)以摩擦約束方式隔離r環(huán)角速度的分量。角速度分量、通過剛性約束傳遞到內(nèi)環(huán)，圖2b可得如下關(guān)系：

a環(huán)對(duì)于對(duì)于來自p環(huán)角速度運(yùn)動(dòng)的傳遞。a環(huán)軸則通過摩擦約束隔離p環(huán)角速度的分量。的另外兩個(gè)分量、可通過剛性約束傳遞到內(nèi)環(huán)，根據(jù)圖2c可得如下關(guān)系：

將式（1）～（3）綜合整理，得到從載體到天線平臺(tái)的剛性約束傳遞矩陣為：

電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度到天線平臺(tái)的傳遞。力矩電機(jī)產(chǎn)生的環(huán)架角速度是以摩擦約束方式向天線平臺(tái)的傳遞。設(shè)由力矩電機(jī)產(chǎn)生的r環(huán)、p環(huán)、a轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度向量為，由環(huán)架轉(zhuǎn)動(dòng)形成的摩擦約束途徑向天線的傳遞矩陣為，傳遞到天線形成的天線角度在p系上的分量為，則有：

通過對(duì)三軸穩(wěn)定平臺(tái)各軸系的擾動(dòng)傳遞和傳遞方式可以看出，天線方位經(jīng)軸系間擾動(dòng)傳遞的轉(zhuǎn)矩可以由轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行位置補(bǔ)償，因載體側(cè)傾引起天線水平方向的擾動(dòng)可由橫滾軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和方位軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)隔離。即依據(jù)側(cè)傾角的實(shí)際變化量來分配各轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)關(guān)系。載體側(cè)傾角的大小決定了天線平臺(tái)與橫滾軸和方位軸兩軸系解耦其協(xié)調(diào)動(dòng)作的幅度。

載體運(yùn)動(dòng)中對(duì)天線平臺(tái)的擾動(dòng)引起各軸系間方向和速度的變化可由光纖陀螺進(jìn)行測(cè)量，控制系根據(jù)陀螺數(shù)值經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（DSP）進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出針對(duì)各軸進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)矩的大小，消除載體運(yùn)動(dòng)對(duì)天線平臺(tái)的擾動(dòng)。

3.3 捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)方案選型

由于捷聯(lián)式系統(tǒng)是由數(shù)字化傳感器和數(shù)字伺服等數(shù)字硬件搭建的穩(wěn)定平臺(tái)，按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域捷聯(lián)式穩(wěn)定系統(tǒng)在硬件配置上會(huì)有不同的選擇方案：

第一種是以測(cè)量磁場(chǎng)變化作為感應(yīng)載體姿態(tài)變化，以數(shù)字羅盤與北斗/GPS相結(jié)合的方案。北斗/GPS提供載體地理坐標(biāo)信息完成對(duì)星，數(shù)字羅盤測(cè)姿數(shù)據(jù)為伺服單元提供位置補(bǔ)償信息保持平臺(tái)穩(wěn)定。由于數(shù)字羅盤存在固有的遲滯性和零點(diǎn)溫漂、以及受地理環(huán)境、載體鐵磁性質(zhì)的材料的影響，不利在復(fù)雜環(huán)境下使用。

第二種是以測(cè)量角位移和角速度作為載體測(cè)姿的慣性導(dǎo)航元件（IMU）與北斗/GPS結(jié)合的方案。測(cè)出載體位置信息，再根據(jù)測(cè)量出反應(yīng)載體變化的的三軸的角位移、加速度值，經(jīng)DSP伺服系統(tǒng)解析運(yùn)算輸出信號(hào)對(duì)載體姿態(tài)變化實(shí)時(shí)修正維持平臺(tái)穩(wěn)定。

第三種高穩(wěn)定度捷聯(lián)式系統(tǒng)，采用動(dòng)力調(diào)諧陀螺（Dynamic tuned gyroscope）、激光陀螺、高精度的測(cè)量載體姿態(tài)的傳感器獨(dú)立或組合使用，其瞬態(tài)響應(yīng)、控制精度、零點(diǎn)漂移等性能指標(biāo)都大大優(yōu)于前兩種，但因其成本高目前只用于飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)。

上述三種方案，第二種方案以性價(jià)比、應(yīng)用層面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的日趨小型化、機(jī)動(dòng)靈活性等諸因素考量較為合適，進(jìn)行捷聯(lián)式系統(tǒng)穩(wěn)定性的架構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于天線載體穩(wěn)定平臺(tái)構(gòu)建，結(jié)合捷聯(lián)式輔助姿態(tài)融合修正，可以提高天線載體的瞬態(tài)響應(yīng)，有效隔離因信標(biāo)跟蹤滯后帶來的指向誤差，提高了天線的跟蹤精度。隨著MEMS慣導(dǎo)的應(yīng)用與發(fā)展，其低成本優(yōu)勢(shì)，捷聯(lián)式天線穩(wěn)定系統(tǒng)平臺(tái)模式將更好地實(shí)現(xiàn)其工程價(jià)值。