车载动中通技术的应用

车载动中通技术的应用

0uhf段车载“动中通”系统的研究与探索

在运动状态下卫星通信的技术统称为''运动中心”技术。该技术的核心是伺服稳定与跟踪

技术。

近几年国外“动中通”设备开发很快，海事卫星车载站、船载站、机载站、移动通信车载

站、移动车载单收站等已形成产品并推向市场。在国内，有多家单位都在致力研发车载

“动中通”系统，并已取得了初步的成功，例2.2mUHF段车载相控阵天线系统、1.2m车载

单收站、车载0.6m引进产品改进型等产品。但这些产品存在着这样或那样的明显不足:①

工作频段低；②天线运动速度慢;③运动范围有限；④座架谐振频率低；⑤跟踪速度慢；⑥初

始捕获和重新捕获时间长;⑦天线口径小，通信业务量少等。

1透平固结构进路系统

车载“动中通”要解决的核心问题是克服车体在运动过程中，对天线产生的摇摆、冲击、

颠簸等全频带的干扰。这种干扰要比船载、机载受到的干扰严重的多。

根据“动中通”车载站将主要用于野外作业的特点，其工作路况会在4级以上（或称之为等

外级），例如在河滩、草原上作业等。为弄明白车辆在越野时的颠簸情况，我们选择车型为

EQ2102的越野车进行了越野跑车试验。

对于频率较高的干扰,因幅度较小,再加上系统的隔离,其对天线的影响较小，因此,综合考

虑后，“动中通”系统可选取最大干扰速度为120°/s,最大加速度值为1420°/s2。这个

速度远比汽车爬坡、转弯引起的天线调整速度（一般不大于10°/s）要大得多。所以，该速

度可作为伺服系统设计的主要依据之一。

2a-e座架的稳定系统

天线通常工作在Ku波段。天线口径的大小取决于通信业务的多少。目前的通信业务一般

不限于通话，数据、传真、图像的传输要求越来越普遍，因此对天线的增益要求比较高。

1.2~1.8m天线可以满足通信的要求。根据卫星通信中跟踪精度应满足W（rms）的规定,可

以求得伺服跟踪系统的精度指标为：

在我国国土范围内，卫星地球站的俯仰工作角度W70°,因此天线的座架型式应为A-E型式。

为确保稳定系统的宽带特性,A-E座架各轴的谐振频率越高越好,其设计值应218Hz。如果

按A、E二轴向等同考虑,各轴稳定系统的隔离度为：

大量的工程经验表明，采用常规的系统设计•，3=4n处,系统的开环增益做到20dB已是非常

困难。因此要实现43dB的隔离度要求不采取特别的技术措施是不行的。下面提出相关的

可行性设计方法。图1中的L3是伺服系统所期望的伯德曲线。

3系统设计分析

3.1“自身稳定”方式的比较

稳定方式是指控制对象(天线)相对惯性空间指向保持稳定的方式。稳定方式从选取不同的

惯性基准可以分为许多种，比如有重力稳定、水泡稳定、飞轮稳定、陀螺稳定、惯性平台

引导等等。稳定方式从惯性基准信号的选取出不同还可分为“外引导”方式和“自身稳定”

方式，重力、水泡、飞轮、陀螺等稳定方式属于自身稳定的范畴，靠罗径、平台实现的稳定

是外引导方式的范畴。

如果采用“外部引导”方式，需要配备精度高,能实时提供汽车姿态的惯导平台系统，但其

造价太高。“自身稳定”方式则采用陀螺等直接敏感汽车姿态的变化,该方式对外部设备

依赖性小，实时性强，造价低。因此“自身稳定”方式优势比较明显。表2是二种方式的比

较表。

由表2可知，陀螺自身稳定是一种较好的稳定方式,因此在“动中通”系统中可采用这种方

式。图2是陀螺稳定系统的原理框图。其中Or为车体干扰输入，为天线轴速度输出。

根据图2和系统设计指标的分析,采用频率响应法可以画出陀螺稳定系统的理想伯德图，见

图1中的口。

由伯德曲线L1可知，陀螺自身稳定为系统提供的隔离度仅为17dBo这个隔离度指标和系统

要求的隔离度指标243dB还相差很远。因此,进一步提高隔离度指标成为系统设计的核心

问题。提高隔离度的实质是如何在基本陀螺稳定的基础上拓展系统的带宽,进一步提高系

统对干扰的反应能力。我们知道，由于结构谐振频率的限制,在陀螺稳定环路内部通过调整

闭环增益、增加校正电路、选用性能更好的陀螺等技术措施，可使隔离度指标略有提高，但

并不能使问题得到根本性的解决。因此，我们只能从环路的外部寻找解决问题的出路。

3.2前馈补偿对提高隔离度的作用

如何从基本陀螺稳定环的外部入手，找到提高系统隔离度的有效途径呢?选择的途径无非是

外加补偿的方法和外扩环路的方法。作为第一步，我们选择速率前馈补偿的方法。下面研

究前馈补偿技术提高系统隔离度的可行性，图3是前馈补偿的原理

框图。其中Or(S)为干扰输入，0o(S)为干扰输出，△0(S)为误差,K1G1(S)、Ki2G2(3)、

KfCf(S)为环路的传递函数。由图3可以得出：

由式(1)可知：当时，△0(S)三0。这说明前馈补偿能提高系统的隔离度,使误差进一步减小。

由图3还可得出:

其中小O(S)是不加前馈补偿时的传递函数。

由式(2)和式(3)相比较可见,加上前馈补偿之后，系统的增益提高了，而系统的稳定性并未

改变，使系统的带宽得到了进一步的拓宽。所以采用前馈补偿设计是非常正确的。在设计

中可选择速率陀螺作为敏感干扰输入的器件，将其输出引入到系统的内环。由于前馈速率

补偿的稳定作用所决定,速率前馈补偿技术也可称之为一种陀螺稳定方式。这样,基本陀螺

稳定方式和速率前馈补偿方式就共同构成了系统的双稳定体制。下面粗略分析一下前馈补

偿对提高隔离度的作用。

由式(4)和式(5)可知，当Kf》K1时，系统的闭环增益会有提高，系统的隔离度值将增加

201ogdB.图1中L2是增加前馈补偿后得到的等效伯德曲线。至此,双稳体制提供的隔离

度达27dB以上。

3.3自跟踪接收系统

由于系统中采用了双稳体制，已使干扰得到了有效地拟制。但仍无法达到系统所要求的隔

离度指标》43dB。如何再进一步提高系统的隔离度仍是系统设计的核心问题。由前知道，

外扩稳定环路也是提高系统隔离度的一种方法。从环路的实质上分析，多环路体制的建立

可使系统的动态反应能力加强，使克服干扰过程中的迟后误差减小。那么外环路应怎样构

成呢?首先，它要有一套敏感车体行进过程中天线相对卫星位置变化的自跟踪接收系统，由

它和相关的电路去实现天线在位置上相对卫星目标的稳定。自跟踪系统建立在陀螺稳定的

基础上,它承担的任务是进一步隔离陀螺稳定隔离后剩余的干扰。图4给出了自跟踪系统

的组成框图。其中Or(S)为干扰输入，△0(S)为误差输出。

自跟踪方式有多种形式。根据干扰的性质,跟踪方式也有不同的选择。步进跟踪只能对付

缓慢的干扰输入，比如零点几度/分的干扰输入;圆锥扫描跟踪由于机械运动特点所决定,它

只能克服几度/秒的干扰输入；而单脉冲自跟踪由于其跟踪的实时性强,其跟踪速度可达到

几十度/秒,因此,选择单脉冲自跟踪方式并构成陀螺稳定的外环是一种可行的方案。

由图4可得出跟踪系统的方框图5,其中K1G1(S)为陀螺环前向通路传递函数,Kg为陀螺基

本传递函数,K2G2(S)为跟踪环传递函数，由图5可得：

其中

式(7)所描述的是陀螺稳定环的闭环传递函数。

比较式(6)和(7)可知，|A0(S)|<|A(M(S)I,这说明加上自跟踪环路后，系统的误差减小

了。误差减小意味着隔离度的增加。下面分析一下加入自跟踪环路后，系统误差的变化情

况。

由式(8)可知,加入自跟踪环路后，系统误差减小了倍,可见系统隔离度提高的量值约为。

由图1中的L2和L3可知,要求自跟踪系统为系统提供215dB的隔离。据此推得。通常情

况下单脉冲自跟踪系统能满足这样的设计要求。

4kul.8米“动中通”伺服控制系统

为实现“动中通”伺服跟踪系统的高隔离度指标,系统设计须采用陀螺双稳定体制、单脉

冲自跟踪体制等关键技术。在充分论证的基础上，电子