动中通卫星通信天伺系统的研究

动中通卫星通信天伺系统的研究

0动中通的天线技术随着人类对计算机科学和数字的需求增加，卫星通信技术的需求也在增加，尤其是对动态卫星通信系统的需求逐年增加。动中通卫星通信技术在军用和民用两方面的用途都十分广泛。例如在战场军事通信、无人机、直升机、预警机远程通信、反恐应急通信、移动指挥;地质考察、火灾和水灾灾害现场应急通信、实时新闻采集、比赛现场实况转播和天气气象的遥测遥感等。目前实现动中通的天线技术有多种,主要有采用抛物面天线和相控阵天线2种方式。这里仅对采用抛物面天线实现动中通的伺服控制系统进行论述。1动中通系统无线遥感监测抛物面天线动中通系统主要安装在车、船、飞机等移动载体上,天线口径有0.6m、0.8m、0.9m、1.2m、1.5m不等。工作的频段有L、C、X、Ku、Ka等。根据数据的流量、卫星的工作频点以及系统误码率要求可选择不同的天线口径和不同的频段。需要高速率数据传输的用户需采用大口径天线,反之采用较小口径天线。目前气象遥感卫星工作在L、X频段,而电视和数传工作在C、Ku、Ka频段。动中通设备在使用时,主要面临的问题是极化控制、电波稳定和可靠跟踪等问题。动中通系统与地面固定站的卫星通信系统的工作环境完全不同。由于承载通信系统的载体在行进中可能遇到各种状况,其中包括载体颠摇和振动冲击、隧道、桥洞、树林和山体遮挡造成电波的中断等。需要动中通系统具有如下功能:(1)载体在运动方向不断改变和路面坡度不断变化情况下能够正常工作;在海况比较恶劣和气流剧烈变化情况下能够正常工作。这就要求动中通设备天伺系统具有非常宽的跟踪范围。(2)系统对载体的摇摆有适应能力,要求伺服系统(车载设备)对路面和车速共同造成的颠摇与冲击的隔离度要足够大,以保证天线主瓣指向卫星。(3)遮挡消失后伺服系统再捕能力。即设备穿过信号中断地带后,伺服系统能快速控制天线,立即恢复通信。2u3000系统结构在动中通系统中为了使天线指向目标,采用的方法有:(1)通过捷联惯导(IMU)提供的载体姿态信息解算天线指向的引导方式;(2)通过天线馈源网络和接收机提供的角差信号控制天线指向目标的自跟踪方式。自跟踪又包括圆锥扫描和单脉冲2种。动中通设备由A-E式两轴座架、天线及其馈源网络、极化控制器、天线控制单元、天线驱动单元、陀螺调节器、轴角编码器、GPS和自跟踪接收机等组成。动中通设备工作在数字引导状态时由捷联惯导IMU或惯性导航系统提供载体姿态信息。图1是具有数字引导和自跟踪功能的车载动中通天伺馈系统原理框图。这里需要说明,采用两轴系统的动中通设备在星下点工作时,极化控制和高仰角跟踪将会遇到困难。采用三轴系统可以解决这些问题。但三轴系统天线座架结构复杂、体积增大,因此设备成本要增加。设备的工作原理描述如下:系统在上电工作后,伺服计算机根据GPS定位信息和预选设定的卫星信息,运用公式:式中,λs为卫星经度,λe为地面站经度,e为地面站纬度,Re为地球半径(6378km);H为同步卫星距地球表面的高度(35786km)。计算出大地方位角AZ、俯仰角EL、极化角Apol。伺服计算机再根据捷联惯导提供的姿态信息R、P、H,运用坐标变换公式:式中,[Dj]为目标在载体坐标系中的坐标矢量。[DM]为目标在大地坐标系中的坐标矢量:MR、MP、MH分别为纵、横、首摇的3个变换距阵:根据甲板或载体坐标系轴角,伺服计算机控制天线使其指向卫星;当接收机锁定后,自动转入自跟踪状态,依靠陀螺环和跟踪环跟踪卫星,建立通信链路。当天线受到遮挡或路面颠簸造成接收机失锁时,伺服控制自动转到数字引导工作状态。在数字引导工作状态时,一旦接收机重新锁定,系统自动转入自跟踪工作状态,链路立刻建立。依靠陀螺环和自跟踪环可以很精确地控制天线指向,有效隔离载体的扰动;依靠数字引导可以使系统的初始捕获和失锁再捕更迅速。3比较系统目前,国内外做抛物面天线动中通伺服控制系统厂家很多,实现中具有代表性的方法有以下几种。(1)极值跟踪的天线条件和使用一般在天线这种方式没有自跟踪功能,天线指向靠GPS定位信息、预选设定的卫星信息和捷联惯导姿态信息计算天线指向,控制天线指向卫星。该方法实现简单,尤其是天线的设计,不需要复杂的网络;信道设计简单,没有跟踪接收机,设备复杂度底。但这种跟踪方式对惯导的要求比较高,尤其是对寻北精度和时漂等指标的要求。采用的惯导设备精度不能满足要求时,需要间断工作,再次标北,或者采用步进接收机修正,由于极值跟踪的特点和工作环境限制,采用步进修正的方法还是不能保证跟踪精度。而且这种方法只适用于口径相对较小的天线。对于口径稍大的天线,保证跟踪精度很难实现。(2)失锁后的北精度和姿态信息采集这种方法主要是自跟踪和陀螺校正起作用。由于电子罗盘受环境的影响比较大,定北精度和姿态信息都不能满足设备的引导要求,捕获和重补是靠大范围搜索和记忆来完成的。失锁后重捕,信号间断时间长,一般在20s以上。这种系统适用于天线口径相对较大、路况比较差、不经常有遮挡又允许较长时间通信中断的通信系统。(3)基于测试系统的优缺点在工作原理一节中叙述的就是这种工作方式。这种工作方式既包含了引导跟踪方式的优点也兼有了自跟踪方式的优点。设备采用精度较低的捷联惯导,总成本上开销必然比第2种方式要大,和第1种相当。系统适合天线口径相对较大、路况又比较差、经常有遮挡又不允许长时间通信中断的环境。3种动中通系统的伺服控制比较如表1所示。4跟踪性监测系统的成本控制由于,数字引导和自跟踪采用的机理不同,技术侧重点不一样。数字引导方式的跟踪精度依赖于惯导的测量和保持精度,惯导的精度和价格成指数关系;跟踪方式对天线的要求比较高,尤其是单脉冲跟踪方式,馈源网络