一種基于多目標(biāo)獨立跟蹤的機(jī)載定向天線

崔玉龍，蔡文莉，張立軍，張 碩，高建海

(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

在無人機(jī)視距鏈路中，常常根據(jù)任務(wù)需要安裝兩臺定向天線來完成信號的接收和發(fā)射，并能夠在飛機(jī)動態(tài)條件下跟蹤對準(zhǔn)目標(biāo)[1]?，F(xiàn)階段定向天線一般通過設(shè)計來保證波束寬度大于其俯仰角度跟蹤角度范圍，所以只需通過轉(zhuǎn)動方位即可實現(xiàn)對目標(biāo)的對準(zhǔn)跟蹤。當(dāng)天線安裝位置在飛行中由于某些姿態(tài)受機(jī)體遮擋導(dǎo)致跟蹤失效時，還可以采用增加俯仰軸來增加波束掃面范圍的方法實現(xiàn)連續(xù)通信。

機(jī)載設(shè)備對重量、運(yùn)動包絡(luò)尺寸、安裝空間等都有較嚴(yán)格的要求[2]。當(dāng)任務(wù)需要跟蹤不同目標(biāo)時，按照傳統(tǒng)思路可通過安裝兩臺定向天線的方案解決，但同時也會帶來裝機(jī)需求空間變大、重量變重等問題。本文設(shè)計了一款新型的機(jī)載定向天線，它能夠集成兩副定向天線，并可實現(xiàn)對不同目標(biāo)的獨立跟蹤，解決了傳統(tǒng)思路下天線帶來的問題。

1 天線系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)載定向天線系統(tǒng)由天線陣面、天線座和伺服設(shè)備等組成。

天線分天線1和天線2；天線座包括天線1的方位和俯仰機(jī)構(gòu)、天線2方位機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)和滑環(huán)等；伺服設(shè)備包括天線座上的天線1俯仰驅(qū)動盒和獨立于天線座的天線控制單元組成。

定向天線1和天線2可獨立運(yùn)轉(zhuǎn)，天線1可進(jìn)行方位、俯仰轉(zhuǎn)動，天線2僅方位轉(zhuǎn)動。定向天線的組成示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載定向天線組成

1.2 座架設(shè)計

機(jī)載天線座架是天線的載體[3-4]，驅(qū)動裝置輸出力矩通過齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動天線轉(zhuǎn)軸，從而帶動天線轉(zhuǎn)動，使天線指向目標(biāo)。

機(jī)載天線座架主要由天線1俯仰機(jī)構(gòu)、天線1方位機(jī)構(gòu)、天線2方位機(jī)構(gòu)、裝機(jī)平臺等組成。其中俯仰機(jī)構(gòu)由俯仰電機(jī)、傳動齒輪、俯仰驅(qū)動盒及俯仰U型架等組成；天線1方位機(jī)構(gòu)由天線1方位驅(qū)動、天線1滑環(huán)關(guān)節(jié)及天線1方位轉(zhuǎn)軸等組成；天線2方位機(jī)構(gòu)由天線2方位驅(qū)動、天線2射頻關(guān)節(jié)和天線2方位轉(zhuǎn)軸等組成；天線座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)載定向天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線座架采用獨立雙方位軸共軸設(shè)計，如圖3所示，天線1方位轉(zhuǎn)軸穿過中空設(shè)計的天線2方位轉(zhuǎn)軸。同時在天線2方位轉(zhuǎn)軸的中空內(nèi)部設(shè)計天線1方位轉(zhuǎn)軸中部的軸承安裝，在天線1方位轉(zhuǎn)軸的頂部和底部再分別設(shè)計兩組軸承支撐，三組軸承保證了整體剛度和轉(zhuǎn)動時的同軸精度。天線1方位轉(zhuǎn)軸頂部和天線1俯仰機(jī)構(gòu)聯(lián)接，從而天線1能夠?qū)崿F(xiàn)方位俯仰兩軸跟蹤。天線2方位轉(zhuǎn)軸外部設(shè)計一組軸承安裝于座架箱體上，從而實現(xiàn)天線2單方位軸的高精度同軸轉(zhuǎn)動。

圖3 獨立雙方位機(jī)構(gòu)示意圖

2 傳動鏈設(shè)計

2.1 載荷計算

機(jī)載定向天線承受的載荷有：慣性載荷、摩擦載荷及偏心載荷等。

(1)慣性載荷

根據(jù)設(shè)計模型，天線1方位軸總轉(zhuǎn)動慣量約Ja1=0.005kg·m2，俯仰軸總轉(zhuǎn)動慣量約Je=0.0005kg·m2，天線2方位軸總轉(zhuǎn)動慣量約Ja2=0.001kg·m2；因此計算時取值按照天線1的轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)值。

最大速度為：Ω=30(°)/s=0.52rad/s；

最大加速度為：ε1=10(°)/s2=0.18rad/s2；

則方位軸的慣性力矩為：Ma1=Ja1×ε1=0.005×0.18=0.0009N·m；

(2)摩擦載荷

摩擦載荷主要來自于軸承、滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、齒輪等轉(zhuǎn)動器件的摩擦力矩，且考慮到在-55℃低溫工作條件下，各旋轉(zhuǎn)器件的啟動力矩相比常溫會有所增加，結(jié)合實測和經(jīng)驗，摩擦載荷取Ma2=0.5N·m。

(3)偏心載荷

根據(jù)設(shè)計模型，方位軸偏心力臂最長為35mm，方位軸偏心重量約為1kg，則偏心力矩Ma3=0.35 N·m。天線1俯仰軸的偏心載荷遠(yuǎn)小于方位偏心載荷，所以仍按方位軸偏心載荷取值計算。

因此，方位軸總的工作載荷為：

Ma=Ma1+Ma2+Ma3=0.0009+0.5+0.35=0.85N·m

2.2 驅(qū)動校核

根據(jù)總的負(fù)載力矩和最大角速度可計算所需電機(jī)的功率：

其中，M為工作載荷，單位為kg·m；Ω為轉(zhuǎn)速，單位為rad/s，η為傳動總效率。

由以上公式對電機(jī)功率進(jìn)行初步估算，再根據(jù)電機(jī)特性對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核[5]。

根據(jù)計算的工作載荷和電機(jī)功率，可以對機(jī)載定向天線的方位機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動設(shè)計。結(jié)合天線速度和控制精度的要求，天線驅(qū)動選用直流伺服電機(jī)加行星減速器的方案，傳動鏈方案如圖4。直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速高，能夠滿足飛機(jī)平臺大機(jī)動時天線的跟蹤速度要求。采用大速比行星減速器能夠保證末端輸出力矩能夠大于工作載荷。

圖4 傳動鏈框圖

基于通用化、模塊化、維修性等多方面考慮，天線1方位、俯仰，天線2方位三軸均選用同一型號的直流伺服電機(jī)。其中電機(jī)額定功率為8.68W，額定扭矩0.01N·m，額定轉(zhuǎn)速7100rpm；減速器的減速比為82，最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩0.82N·m；天線1方位軸傳動鏈末級減速比為1.6，俯仰軸傳動鏈末級減速比為5，天線2方位軸傳動鏈末級減速比為5。由上述計算可知所選電機(jī)能夠滿足驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)速要求，且實際工作功率要小于額定功率。

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種新型的機(jī)載定向天線，采用了獨立雙方位共軸設(shè)計實現(xiàn)通過一臺天線座架安裝兩副定向天線的功能。兩個定向天線傳動機(jī)構(gòu)上相互獨立，可實現(xiàn)對不同目標(biāo)的獨立跟蹤。同時，若天線俯仰面掃描波束速寬范圍較小時，可通過加裝俯仰機(jī)構(gòu)增加俯仰掃描范圍，完成更大范圍的波束覆蓋。通過以上設(shè)計有效地解決了兩臺天線裝機(jī)空間不足、包絡(luò)尺寸大、重量重等問題，該設(shè)計思路可推廣到其他機(jī)載天線和對空間重量要求嚴(yán)格的車載、船載天線上。