衛(wèi)星伺服電機的純機械跟蹤

1國內外相關的系統(tǒng)眾所周知，衛(wèi)星通信和衛(wèi)星視傳輸業(yè)已經廣泛使用。由于以下兩個原因,使得在移動載體(如汽車、輪船)上進行衛(wèi)星通訊,衛(wèi)星電視接收等的需求越來越多。第一,軍事及民用的需求增加;第二,Ku、Ka頻段的應用,使天線口徑減小,從而使得動中通的大量應用成為可能。因此,國外有些公司如美國KVH公司、SeaTal公司、日本NKH公司等專門生產車用、船用衛(wèi)星通訊及電視接收的系列產品。不論是用于接收電視還是用于通訊等,對天線伺服系統(tǒng)的要求是在載體行駛的過程中要保證天線以一定的精度對準衛(wèi)星。由于車體的姿態(tài)變化,天線的指向也會發(fā)生變化。此時伺服系統(tǒng)的任務就是通過天線相對載體的方位及仰角的變動來保證天線指向不變或者說使天線穩(wěn)定在相對于大地的慣性空間中。因此,伺服系統(tǒng)的主要目標是:第一,實現對目標的跟蹤,第二,實現天線相對于大地的穩(wěn)定。另外對于不同的載體應考慮不同狀況,例如車載顛簸大,方位速度響應要求高,但橫滾可不特別考慮,而對船艦類載體主要應考慮縱搖橫滾的影響。天線的尺寸也需與其它通訊指標、裝車容許的大小權衡考慮。2天線跟蹤方式前面已提到由于動中通天線是在載體運動的情況下工作,因此首先想到的就是如何保證天線相對大地的穩(wěn)定問題,對于不同的使用要求、不同的環(huán)境、不同的外部條件、其方法是不相同的。在考慮了穩(wěn)定后還應考慮如何跟蹤的問題,因為由于穩(wěn)定元件的漂移等原因,單靠穩(wěn)定環(huán)節(jié)不能滿足要求。還應考慮是否存在由于姿態(tài)變化帶來的天線高仰角時方位速度過大的問題。此外,必須在一定的體積、重量、成本要求下設計出滿足要求的系統(tǒng)。可能的跟蹤方式如圖1所示。純機械跟蹤,純相控陣天線電跟蹤,及機械和電子綜合的方法各有千秋,本文主要討論純機械方式。前面已經提到為保證天線實時對準衛(wèi)星必須穩(wěn)定天線及跟蹤目標。對于機械跟蹤方式主要應考慮以下幾個方面:跟蹤方式、穩(wěn)定方式、座架形式。2.1誤差信號采集方式采用單脈沖跟蹤方式無疑是很好的辦法,其特點是跟蹤精度高。當載體與目標的相對位置發(fā)生變化時,能夠快速的感應誤差的變化,因此,當采用單脈沖跟蹤時若位置環(huán)帶寬較高則僅靠位置環(huán)就能夠很好的隔離姿態(tài)變化的影響,但是單脈沖跟蹤方式天線、饋線、及接收機相對復雜。導致費用增高及性能價格比下降等問題。采用傳統(tǒng)的圓錐掃描方式獲取目標的誤差信號較單脈沖跟蹤方式簡單,跟蹤精度也較高。國外SeaTel公司的中等口徑天線即采用該種方式。另外,對于單收天線在0.8m口徑以下的天線由于波束較寬,從國外的某些產品和我們自己的經驗可以利用簡單的檢波電路解出衛(wèi)星的信號場強(直流)采用最大值跟蹤的方法。不斷使天線做圓錐運動并在該過程中比較信號電平的大小來對準衛(wèi)星。2.2誤差標定的限制在不考慮跟蹤環(huán)節(jié)對擾動的抑制時,主要是依靠穩(wěn)定環(huán)節(jié)的作用。最直接容易想到的方法是在載體的質心處放一姿態(tài)測量裝置。通過坐標變換便可求出天線的方位、仰角。從而使天線穩(wěn)定地對準目標。采用該種方法主要應考慮以下問題,首先是天線座二個軸與姿態(tài)傳感器之間的安裝誤差。該誤差將直接影響天線的指向精度。該誤差要想精確標定顯然是不方便的。其次還應考慮到天線的動態(tài)誤差。這一點當然是采用任何方式都不可避免的。最后是姿態(tài)傳感器本身的測量精度也直接影響到天線的指向精度。慣性導航設備由于自身導航的需要能夠提供出載體姿態(tài)變化角。這一類設備通常價格都很高,主要是由于高精度的陀螺價格貴,若采用便宜的陀螺則精度穩(wěn)定度都很差。很難滿足精確定位的要求。將慣性器件直接安裝在天線上構成兩軸穩(wěn)定方式簡便易行。將速率陀螺安裝在天線座上,分別感受搖擺的方位,及俯仰速度信息。將該信號加入伺服系統(tǒng)構成穩(wěn)定環(huán)節(jié)。來實現天線的穩(wěn)定。除此以外,還可以采用物理穩(wěn)定平臺的方法。通常是設置兩個軸分別對應首搖及橫滾。在每個軸線上安裝慣性器件及傾斜傳感器通過控制系統(tǒng)使得平臺相對于大地是水平的。在平臺上再安置方位俯仰座架用于跟蹤。在該種方式中穩(wěn)定功能與控制功能是分離的并且橫搖、縱搖、方位和俯仰這四個主要分量由各自的軸獨立的控制,因此,其跟蹤精度相對較高。其缺點是成本也較高。2.3軸座架的應用座架型式可有二軸座架、三軸座架、四軸座架。二軸座架是最簡單的一種形式。它又分為EL/AZ座架Y/X座架。二軸座架的優(yōu)點是結構簡單、控制量少。缺點是對EL/AZ型式而言在高仰角時,對Y/X座架在低仰角時載體姿態(tài)的變化會引起過高的速度及加速度。為解決該問題可采用三軸座架。三軸座架又可分為:EL/AZ/X型,EL′/EL/AZ型及X′/Y/X型式。以EL′/EL/AZ型座架為例,它主要適用于海輪等縱橫滾較大的場合。AZ、EL軸完成對方位、仰角誤差的跟蹤,EL′交叉軸根據傾斜傳感器的值進行穩(wěn)定,克服船體搖擺帶來的方位大的速度。另外四軸座架已在前面做了介紹。3天線硬件設計基于以上的設計思路我們設計了壹套動中通伺服系統(tǒng)安裝于小汽車上,經實際檢驗在普通一、二級公路上車速達120km/h。能夠正常工作收看衛(wèi)星節(jié)目。并且汽車過高架橋及大范圍轉彎時,均能正常工作。其主要功能及原理如下:天線口徑約0.45m,座架形式方位、仰角座架,方位仰角均采用步進電機驅動,仰角采用直線絲桿傳動即將電機固定于方位轉盤上由絲桿與天線背面相連直接帶動仰角軸運動,方位步進電機安置于方位轉盤并通過皮帶與底盤上的齒輪相連接形成方位軸的運動。步進電機功放采用帶細分電路的驅動方式。功放輸入為頻率信號,電機運轉速度由前級輸出頻率所確定,在天線的背面安裝方位及仰角壓電傳感器敏感方位及仰角的運動,跟蹤方式采用機械園錐掃描方式,跟蹤信號來自對衛(wèi)星電視信號的檢波,控制電路采用PC104主板,其A/D,定時電路并行口等均在底板上進行擴充,其原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要工作方式有搜索掃描、園錐掃描及跟蹤、定位、手動控制,主要指標見表1。系統(tǒng)硬件框圖如圖3示。系統(tǒng)主要工作過程如下:(1)衛(wèi)星采樣系統(tǒng)的實現捕獲信號來自電視載波信號,經檢波、放大后變成直流信號。當天線對準衛(wèi)星后其值應達到最大。當然由于天線波束較寬,因此在一定范圍內信號大小無明顯變化。捕獲目標前應知道背景噪聲所對應的直流電壓以及對準衛(wèi)星后的直流電壓的可能范圍。對于小口徑天線由于我國目前還沒有直播衛(wèi)星所以信號強度相對較弱,信噪比小。對準與未對準星的解調電壓只差0.25V左右。因此,給捕獲及跟蹤帶來較大難度。另外理論上講在某一區(qū)域內不止有一顆星存在,必須加以區(qū)分。一種辦法是通過接收機確認是否是所需跟蹤的衛(wèi)星。另一種方法針對特定的星采用加濾波器濾除其它頻率的可能信號,提高信噪比。從而使得對準衛(wèi)星時的直流電壓與未對準時有較大的差值。由于波束較寬,所以捕獲相對容易。當系統(tǒng)初始化完成后將仰角抬升到所需衛(wèi)星的角度,該角度可以通過GPS或人工輸入經計算獲得。方位做360°范圍內掃描,捕獲后轉入跟蹤,若未獲目標,則將仰角上下調整,方位全范圍搜索。由于是用于汽車上,其橫滾較小所以在搜索時不需要穩(wěn)定環(huán)節(jié)的幫助就能很快的捕獲目標。若是在海輪上使用顯然必須對天線進行穩(wěn)定,并在等仰角線上搜索目標。另外,在跟蹤狀態(tài)下,當載體運動范圍接近限位點時,方位在相對大的穩(wěn)定狀態(tài)下,自動回轉360°并進行搜索,迅速再捕獲目標。(2)動態(tài)誤差分析當檢測到信號并達到一定的強度后,中斷搜索模式并開始轉入最大信號跟蹤過程。天線的方位及仰角分別按照正弦及余弦關系運動構成連續(xù)的圓軌跡,如圖4所示。將一個完整的圓軌跡分成256等分點,并采集信號的大小并判斷出最大信號點,如圖中以A為中心,掃描后確認最大信號在A→B方向。由于在256個等分點的任意一點,夾角是已知的。因此可求出方位及仰角分量使圓心移到B點,并繼續(xù)掃描判斷。當整個圓周的信號差小于容許值后便認為達到了最大信號處。跟蹤誤差的大小主要取決于圓錐掃描角,直流信號的的斜率及傳動系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)掃描角±0.8°。該種方式的動態(tài)誤差顯然要差于零值跟蹤因為機械圓錐掃描的頻率不可能很高(一般小于1Hz)。而零值跟蹤其帶寬對于小天線很容易做到5Hz以上。在一定數量的圓錐掃描后,在圓的相同位置處,計算出位置補償的值并綜合所用的時間用于消除陀螺的漂移誤差。(3)壓力穩(wěn)定傳感器對于不采用位置誤差跟蹤的系統(tǒng)來說,穩(wěn)定環(huán)節(jié)顯得更加重要。由于車載天線的橫滾通常不大,加上小天線的波束較寬,因此,僅對方位仰角軸進行直接穩(wěn)定。穩(wěn)定環(huán)節(jié)的主要元件是陀螺,陀螺有各種各樣的形式,如壓電射流陀螺、壓電陀螺、液浮陀螺、機械陀螺、動力調諧陀螺、擾性陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等。在陀螺的選用上主要應綜合性能、體積、價格、重量、環(huán)境適應性等。例如激光陀螺測量角速度范圍大,耐高加速度,承受振動能力強能夠克服常規(guī)陀螺動態(tài)范圍小,起動準備時間長,壽命短、環(huán)境適應能力差的弱點,且隨機漂移很小,可達0.018h。但其缺點是價格太高單軸要近十萬元。所以在很多場合沒有實用性?？紤]到實用,價格等因素本系統(tǒng)選擇進口價廉的壓電陀螺作為穩(wěn)定傳感器。其性能如表2示。將壓電陀螺直接安置在天線背面分別感受方位軸及仰角軸的運動,經積分后獲得方位、仰角的位移量,通過位置環(huán)按當前位置進行穩(wěn)定。并依據信號變化進行位置跟蹤。該種陀螺價格便宜但零點漂移及隨機漂移較大,若利用其速度或速度的積分進行穩(wěn)定時其速度漂移,或者當時間較長時其積分量是一個發(fā)散的過程,因此必須實時修正,我們知道在采用壓電傳感器的捷聯式慣導系統(tǒng)中采用GPS,電羅盤、加速計等元件利用各自的特點相互修正,利用類似的方法在衛(wèi)星跟蹤的條件下可將天線、陀螺等一起相互配合利用陀螺進行穩(wěn)定,利用衛(wèi)星進行標定。構成穩(wěn)定及姿態(tài)計算系統(tǒng),保證天線的穩(wěn)定跟蹤。限于篇幅本文不再詳述。4衛(wèi)星接收系統(tǒng)成