船載四軸天線的伺服跟蹤方法

張 鳳

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著天線市場的不斷發(fā)展，用戶對天線各種指標(biāo)的要求也隨之提高，希望整個(gè)天線系統(tǒng)簡單便捷，同時(shí)也便于使用理解和后期的故障判斷維修。為了準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信鏈路的穩(wěn)定連續(xù)，對提高跟蹤精度研究的方法也越來越多。然而，現(xiàn)實(shí)情況下，由于各種不可避免的誤差，天線加工的誤差、安裝誤差等導(dǎo)致指向精度低，用戶的使用體驗(yàn)差?；谏鲜鲈?，為不斷提高跟蹤精度、優(yōu)化各種算法，從大地系到座架系折算的算法也越來越復(fù)雜，指向精度有所提高，同時(shí)也引入了很多的外界誤差。本文提出了一種四軸天線的伺服跟蹤算法，該算法簡潔易懂、易實(shí)現(xiàn)，并且跟蹤精度不丟失。

1 船載天線系統(tǒng)

船載天線系統(tǒng)主要由艙外設(shè)備、艙內(nèi)設(shè)備、接收機(jī)以及慣導(dǎo)系統(tǒng)組成，如圖1所示。艙外設(shè)備包含天線設(shè)備，由方位、俯仰、橫搖以及縱搖四軸組成。艙內(nèi)設(shè)備包含天線控制單元，負(fù)責(zé)采集天線的各種設(shè)備狀態(tài)信息，接收慣導(dǎo)系統(tǒng)的經(jīng)度、緯度、航向、橫傾、縱傾數(shù)據(jù)以及接收機(jī)的信噪比、鎖定信號(hào)，控制天線完成跟蹤捕獲[1]。

圖1 天線系統(tǒng)組成

2 跟蹤工作原理

2.1 傳統(tǒng)三軸天線跟蹤原理

根據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度以及載體的經(jīng)度、緯度計(jì)算出目標(biāo)理論指向方位地理角和俯仰地理角，根據(jù)計(jì)算得出的地理角以及載體的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將橫搖、縱搖、航向轉(zhuǎn)換到甲板坐標(biāo)系得到方位、俯仰、交叉甲板角，同時(shí)能夠隔離姿態(tài)的影響，用于引導(dǎo)天線進(jìn)行理論指向[2]。

衛(wèi)星理論的方位地理角AZGeo、俯仰地理角ELGeo經(jīng)過地理坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的變換得到目標(biāo)的方位座架角度AZDeck、俯仰座架角度ELDeck以及交叉座架角度CroDeck，用于天線的跟蹤。

在跟蹤過程中，天線控制單元根據(jù)計(jì)算獲得的方位、俯仰、交叉座架角度捕獲到位后，穩(wěn)定10 s后轉(zhuǎn)入搜索。搜索過程中，以對星理論角度為搜索中心，同時(shí)以一定的速度和范圍分別在方位和俯仰兩個(gè)方向上進(jìn)行兩個(gè)周期的步進(jìn)搜索，搜索范圍可以根據(jù)不同的階段逐步縮小或者放大。每次搜索都以上次搜索信號(hào)最大點(diǎn)為中心點(diǎn)，直到找到信號(hào)的最大點(diǎn)后轉(zhuǎn)入跟蹤，如果搜索過程中無法找到信號(hào)，則轉(zhuǎn)入穩(wěn)定指向。

2.2 船載四軸天線介紹

傳統(tǒng)船載天線一般為方位-俯仰兩軸天線或者方位-俯仰-交叉三軸天線，船載四軸天線則是由方位-俯仰-橫搖-縱搖四軸組成，橫搖縱搖用于載體姿態(tài)隔離，方位軸和俯仰軸用于跟蹤，跟蹤計(jì)算時(shí)無需坐標(biāo)變換。為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤，保證通信鏈路的連續(xù)，需要對4個(gè)軸的零位進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定，直接關(guān)系到跟蹤精度的高低。

2.3 機(jī)械軸零位標(biāo)定

天線在加工裝配時(shí)，橫搖、縱搖、方位配備了零位孔，選擇符合孔徑的定位銷插進(jìn)定位孔，定位銷在孔內(nèi)能夠保持不晃動(dòng)，此時(shí)為機(jī)械標(biāo)校零位。俯仰軸配備了45°的定位孔，定位銷在孔內(nèi)保持不晃動(dòng)，此位置為俯仰軸45°。機(jī)械標(biāo)定的過程中存在加工誤差，導(dǎo)致角度有所偏差，為了提高天線的跟蹤精度，需要再次進(jìn)行信號(hào)標(biāo)定。首先跟蹤不同衛(wèi)星，多次對比衛(wèi)星實(shí)際跟蹤信號(hào)最大值的角度與理論指向角度，得到兩者之間的差值。其次在天線控制單元中配置軟件的標(biāo)校參數(shù)，將上述差值進(jìn)行修正，進(jìn)而完成天線四軸的機(jī)械標(biāo)校。

2.4 伺服控制流程

根據(jù)天線控制單元設(shè)置的星位和收到的定位信息，包括經(jīng)度、緯度計(jì)算目標(biāo)的理論角度，然后再根據(jù)載體的姿態(tài)信息，包括航向Heading、橫搖Roll、縱搖Pitch以及在當(dāng)前位置衛(wèi)星的方位理論角度AZGeo、俯仰理論角度ELGeo。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到天線方位座架角度AZDeck、俯仰座架角度ELDeck、橫搖座架角度XDeck以及縱搖座架角度YDeck。天線的橫搖軸和縱搖軸用于使天線保持在水平的位置，隔離載體的橫傾、縱傾影響，方位軸用于隔離航向的影響，俯仰軸保持理論指向。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方位、俯仰、橫搖、縱搖進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)保持目標(biāo)指向，伺服驅(qū)動(dòng)控制流程如圖2所示，角度轉(zhuǎn)換的計(jì)算方式為：

圖2中，Aj為天線理論角度，Aj0為天線當(dāng)前角度，As為天線理論速度，As0為天線當(dāng)前速度，AI為天線理論計(jì)算電流，AI0為天線電機(jī)實(shí)際電流。

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)控制流程

天線的伺服驅(qū)動(dòng)控制中，電流環(huán)和速度環(huán)是提高伺服性能的關(guān)鍵因素，主要靠伺服驅(qū)動(dòng)器完成。因此，伺服驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)劣也會(huì)影響伺服跟蹤精度的高低，電流環(huán)通過產(chǎn)生的電流來控制電機(jī)，速度環(huán)主要用來提高帶寬[3,4]。

2.5 跟蹤流程

天線捕獲到位后轉(zhuǎn)入到搜索過程（圖3），接收機(jī)連續(xù)鎖定一定時(shí)間后表示搜索成功轉(zhuǎn)入下一階段，如果接收機(jī)未鎖定則先進(jìn)行小范圍搜索，方位軸俯仰軸在給定的范圍和速度內(nèi)進(jìn)行三角形搜索[5]。在此過程中，接收機(jī)鎖定則轉(zhuǎn)入下一階段，否則完成搜索圈數(shù)后搜索失敗，結(jié)束搜索過程。在跟蹤過程中如果目標(biāo)丟失則接收機(jī)失鎖，保持指向當(dāng)前位置一定時(shí)間，一定時(shí)間后若接收機(jī)還未鎖定，則轉(zhuǎn)入重新捕獲，如果接收機(jī)重新鎖定，則轉(zhuǎn)入搜索過程[6,7]。跟蹤流程如圖4所示，搜索失敗后轉(zhuǎn)入指向跟蹤的流程如圖5所示。

圖3 搜索過程

圖4 跟蹤流程圖

圖5 指向跟蹤流程

3 結(jié) 語

四軸天線通過橫搖軸和縱搖軸隔離姿態(tài)的影響，保證天線AE始終在水平方向。根據(jù)上述設(shè)計(jì)跟蹤流程可以實(shí)現(xiàn)天線的精準(zhǔn)跟蹤，保證通信鏈路的連續(xù)與暢通。增加的橫搖軸和縱搖軸大大簡化了傳統(tǒng)復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并在實(shí)際天線的應(yīng)用實(shí)踐中得到了充分驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)了理論的產(chǎn)生到實(shí)踐應(yīng)用的整個(gè)過程。