低輪廓車載衛(wèi)星通信天線的跟蹤設計

在車載衛(wèi)星通信中，由于低輪廓車載天線具有良好的隱蔽性和使用性，應用前景較為廣泛。但要實現(xiàn)性價比達到最優(yōu)，天線跟蹤控制器的設計是關鍵技術之一。在脫離航向引導信息的情況下，要實現(xiàn)車載天線穩(wěn)定跟蹤的控制系統(tǒng)難度較大，提出一種新的跟蹤控制策略，使這一問題得到解決。

1 系統(tǒng)組成
    天線穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)主要由跟蹤接收器、控制器、驅(qū)動器以及慣性器件組成。跟蹤接收器主要提供衛(wèi)星信標的AGC電平值；控制器主要提供操作和顯示接口以及完成控制策略的實施；驅(qū)動器主要完成功率放大和控制電機的旋轉(zhuǎn)；軸角編碼器主要提供天線方位及俯仰的實時角度；慣性器件主要提供天線載體的擾動信息。天線控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 跟蹤控制策略
    這里所討論的天線系統(tǒng)是方位和俯仰波束寬度不對稱的車載平板天線，俯仰軸的波束寬度較寬，采用了電掃描的方式，同時輔以傾角儀定位和陀螺穩(wěn)定補償，實現(xiàn)了俯仰的穩(wěn)定跟蹤，而方位波束寬度較窄，所以跟蹤控制策略主要針對方位進行。
    車載天線控制系統(tǒng)具有在抗載體擾動的穩(wěn)定措施、航向解算的能力才能實現(xiàn)對衛(wèi)星目標的快速捕獲和準確跟蹤。在穩(wěn)定措施實現(xiàn)上，本文采取了前饋穩(wěn)定技術，利用安裝在車體上的速率陀螺提供的載體姿態(tài)信息，解算出補償信號進行開環(huán)補償；航向信息的解算是以天線捕捉到的跟蹤接收機的AGC最大值點位置為相對航向初始點，利用速率陀螺積分得到航向的偏移量對方位進行動態(tài)實時修正。
2．1 控制環(huán)路設計
    系統(tǒng)以跟蹤接收機所捕捉到的AGC的最大點的方位相對角度值做為初始位置，采用安裝在車體3個正交方向上的速率陀螺提供的數(shù)據(jù)，通過坐標變換，解算出車體擾動所產(chǎn)生的天線方位和俯仰的擾動分量，對天線進行穩(wěn)定控制，同時將陀螺的輸出量進行積分得到位置偏移量，然后用位置環(huán)再對位置進行補償?？刂骗h(huán)路如圖2所示。圖2中，θi為目標角位置；θo為天線角位置；KaWa(s)為位置環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；KbWb(s)為速度環(huán)放大校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；KcWc(s)為速度反饋校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；f為方位陀螺輸出。

2．2 跟蹤策略
    掃描與跟蹤是本系統(tǒng)技術實現(xiàn)的核心部分，當目標衛(wèi)星設定后，通過天線當前經(jīng)緯度和目標星的經(jīng)度可計算出天線方位和俯仰的目標角，根據(jù)目標角將天線引導到位，以當前位置為中心點進行方位掃描，同時俯仰進行電掃描，直至AGC大于AGC門限。當天線AGC大于AGC門限時將航向置為零，同時采樣方位陀螺速度Vf并進行積分得到車體航向的變化θf。將該角度疊加到步進跟蹤的命令角θi，作為新的命令角進行爬坡找最大值。當找到最大值后將航向重新置為零。進入跟蹤狀態(tài)，同時啟動陀螺輸出積分θf，積分迭代
   
式中，θf(n)為積分輸出；θf(n-1)為上次積分輸出；Vf(n)為陀螺輸出；Vf(n-1)為上次陀螺輸出。
    跟蹤狀態(tài)分為動態(tài)跟蹤(轉(zhuǎn)彎行駛)和靜態(tài)跟蹤(直線行駛)，當方位陀螺值大于臨界值時進行動態(tài)跟蹤否則進入靜態(tài)跟蹤。動態(tài)跟蹤：當方位陀螺輸出值大于臨界值Vfo時，角命令以當前角加上實時θf為命令角做位置閉環(huán)，同時輔以速度補償。靜態(tài)跟蹤：以AGC最大點為中心，方位機械上輕微地向左和向右方向轉(zhuǎn)動天線平臺一定角度△θ±θf，得到2個AGC：VAGC_l和VAGC_r。當VAGC_l=VAGC_r，則對準目標；當VAGC _l>VAGC_r，則目標偏左，方位向左轉(zhuǎn)動△θ±θf角度；當VAGC_l<VAGC_r，則目標偏右，方位向右轉(zhuǎn)動△θ±θf角度；并以修改過的命令角為中心，重復上述動作，尋找目標中心。圖3為掃描與跟蹤模式流程。

3 設計應用及試驗結(jié)果
    在某車載平板“動中通”天線控制系統(tǒng)中采用上述設計方法。經(jīng)測試在直路跟蹤精度為0．24 V。轉(zhuǎn)彎跟蹤精度為0．35 V。精度計算公式詳見文獻。轉(zhuǎn)彎跟蹤測試結(jié)果如圖4和圖5所示。而直路跟蹤測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

4 結(jié)束語
    本文所描述的控制策略，使用傾角儀和3個速率陀螺通過軟件實現(xiàn)了車體擾動的隔離以及航向隔離，提高了車載衛(wèi)星通信天線的性價比。通過對該跟蹤算法的測試結(jié)果可知，該算法能夠滿足精度要求，可以用來作為低輪廓車載天線的跟蹤策略，推廣使用。