车载动中通伺服系统的分析与设计

车载动中通伺服系统的分析与设计

车载移动卫星通信也被称为“车载移动通信”。简而言之，车载通信技术是指车辆在行驶过程中连续不断的卫星通信技术。目前车载动中通主要应用在军事通信、地质勘探、应急通信、新闻转播等领域。由于其工作的特殊性,需要车辆长期在山区、路面颠簸不平、高速变向通过隧道等情况下行使。因此在这些情况下怎样保证车载动中伺服系统快速完成对卫星的初始捕获、高质量的稳定跟踪卫星主波束以及在长时间通过遮挡物后迅速恢复中断的通信链路,是车载动中通成功的关键,而这些都是需要有高质量的车体航向和姿态做保障的。随着计算机技术、惯性测量技术的飞速发展,为捷联惯导的应用创造了条件。捷联惯导由于能够提供高精度的车体航向和姿态信息、不受地磁环境的影响,相比采用电子罗盘作为引导的优势逐渐体现了出来。目前车载动中通主要采用A-E两轴座架型式,它的主要优点是结构简单、平衡比较容易、体积小,然而其缺点也很突出,那就是它的高仰角跟踪问题,对于那些地处赤道附近的国家和区域A-E两轴式座架则会造成一定范围的跟踪盲区。而对于三轴车载动中通而言,伺服控制组成三轴稳定两轴跟踪方式,在高仰角跟踪时不存在盲区,缺点是结构复杂,造价高。本文就车载动中通采用的引导源、座架形式、实现的原理进行详细的分析。1源引导1.1速度检测原理介绍捷联惯导主要由三个陀螺、三个加速度计和一个导航计算机组成。陀螺和加速度计沿车体坐标系三轴方向安装。捷联惯导的工作原理主要是根据对速度积分得出车体位置、姿态,对加速度积分得出速度的过程,其原理框图如图1所示。由于陀螺和加速度计是直接安装在车体上的,所以通过陀螺和加速度计测定的车体速度和加速度都是基于车体坐标系的物理量。对于加速度计测量的车体相对于惯性空间的速度在车体坐标系中的投影被称为比力。而对于捷联惯导而言,导航计算要在地理坐标系中完成。因此,首先要将车体坐标系中的物理量装换为大地坐标系的量。也就是图1所体现的姿态矩阵计算,由姿态矩阵可以求得车体的三个姿态角:航向角κ、俯仰角β、横滚角α,随后通过串口传送给伺服控制系统,作为伺服系统初始捕获和遮挡保护时的计算依据。1.2地球磁场测量的系统构成早期的车载动中通伺服系统多采用电子罗盘作为引导源。电子罗盘是根据磁场原理用磁阻传感器测量运动物体姿态的器件,主要由三维磁阻传感器、两个倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补充;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及输出和软铁、硬铁补偿。当车体发生倾斜以及车体周围的地理磁场发生改变时其所提供的车体航向的准确性将要受到很大的影响,该误差的大小取决于车体所处位置和倾角的大小。1.3卫星的追踪问题对于捷联惯导和电子罗盘两者之间的差异可通过下面的图表以及实例来得出结论。图2为车载动中通在某地点顺时针旋转一周电子罗盘(HMR3000)所产生的误差对照表。这种误差尤以车辆通过立交桥,钢筋混凝土等建筑时为严重,一般都会产生10到30度的航向偏差。所以如果车辆驶出遮挡天线进行重新捕获卫星将是异常的困难,造成天线长时间不能跟踪卫星。而捷联惯导则不同,它主要由空间惯性元件陀螺和加速度计组成,不受地磁环境的影响,其参数指标如表1。举例来说:对于Ku频段天线口径为1.2m的车载动中通,它的半功率角波束宽度为1.4°。如果采用电子罗盘作为引导源时,一旦车辆驶过隧道等遮挡物时,它提供的航向误差将会超过10°,由公式(8)可知天线对星的方位指令角也将会产生10°以上的误差,这时天线将很难再次捕获卫星,通信链路将长时间无法恢复。而对于捷联惯导来说由于它提供的航向误差不会超过1°,并且这个误差在半功率角波束宽度以内,所以当车辆驶出隧道等遮挡物时,伺服系统只需稍作调整即可重新捕获卫星,迅速恢复通信链路。2有实际效果如果采用传统的A-E两轴座架,如图3所示。V为卫星飞行的速度、h为卫星的高度、R0为航路捷径、R1为天线到目标的最短斜距、AE为方位俯仰角。根据图3我们可以A-E两轴式车载动中通在跟踪高度为h的,飞行速度为V的卫星时方位角位移为:tgA=VtR0=Vth/tgE=Vth*tgE(1)式(1)对时间求导可得角速度:A˙=VthtgEcos2A(2)由公式(2)可知当卫星飞行速度、高度一定,天线方位的最大跟踪速度出现在A=0时,并且当E→90°,cosE→0°时,由公式(2)知A˙→∞。也就是说当A-E两轴式车载动中通设计速度一定时,在天顶附近总是存在盲区,盲区的大小与方位的设计速度以及卫星的飞行高度有关。举例来说,在我国,大陆南北跨度主要在纬度20～60度之间,跟踪时用不到太高的仰角,所以车载动中通主要采用A-E两轴式座架。但是如果传统A-E两轴车载动中通工作于委内瑞拉境内,使用定点于西经78°的通信卫星,天线对星的最高仰角由公式(4)可以算出近80°,车辆在上下10°坡时,天线俯仰轴将处于过顶状态,传统A-E两轴天线就不能实现正常的跟踪功能,从而造成一段跟踪的盲区。所以对于工作在此类地区的车载动中通天线座架的设计采用A-E-C三轴方式,以适应过顶跟踪的要求。实际上A-E-C三轴天线座架就是在A-E轴系座架的基础上增加一个C轴,C轴落在E轴框架上,并与E轴正交。这样无论车的航向怎样变化,目标始终在EC轴所在平面的法线方向上,被跟踪的目标就不会出现在某一跟踪轴的轴线方向,所以不可能出现盲区。3地域因素和坐标系系统加电后由伺服计算机实时采集GPS信息确定车的地理位置(车经度Φ、车纬度λ),根据卫星经度λ0计算出天线对星地理坐标系理论方位角A、俯仰角E以及极化角P,计算公式如下:A=180°−tg−1[tg(λ0−λ)sin∅〗(3)E=tg−1[cos(λ0−λ)*cos∅−rR1−[cos(λ0−λ)*cos∅]2√〗(4)P=tg−1[sin(λ0−λ)tg∅〗(5)式中:r为地球半径,R和λ0为卫星至地心的距离及在轨经度,λ和φ分别为动中通车载站的地理径度和纬度。由于天线处于车体坐标系中,因此还需要将理论地理角转换到车体坐标系中。经过坐标转换后得车体坐标系中指令角EJ和Aj:sinEj=sinαcosEsin(A-κ)-cosαsinβcosE*cos(A-κ)+cosαcosβsinE(6)tgAj=cosE[cosαsin(A−κ)+sinαsinβcos(A−κ)]cosβcosEcos(A−κ)+sinβsinE−sinβcosβsinEcosβcosEcos(A−κ)+sinβsinE(7)对于A-E两轴座架系统而言,车体坐标系和天线坐标系是一致的所以式(6)和(7)即是天线对星的方位、俯仰指令角。但是对于A-E-C三轴系统而言,车体坐标系和天线坐标系是不一致的,所以还要进一步的进行转换。经过变换后可得方位、俯仰、交叉三轴坐标转换指令角Aj、Ej、Cj如下:伺服计算机根据坐标转换计算出的对星车体指令角式(8)、(9)、(10)和天线实际的甲板角之间的差值,经由数字PID调节、D/A转换驱动功放控制天线捕获卫星,在此过程中伺服计算机实时接收跟踪接收机发送的状态指令,一旦跟踪接收机给伺服计算机发送跟踪信号伺服计算机即转换为自跟踪状态,天线开始自动跟踪卫星信标。4采用联联惯导引导通过