運(yùn)動(dòng)中的衛(wèi)星通信與步進(jìn)跟蹤

1衛(wèi)星通信的定義自20世紀(jì)60年代以來，衛(wèi)星通信已成為現(xiàn)代最有效的通信手段。特別是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,衛(wèi)星通信是對(duì)軍隊(duì)實(shí)施作戰(zhàn)指揮和管理的重要手段。衛(wèi)星通信不僅可以實(shí)現(xiàn)保密通信,而且通信覆蓋區(qū)域大、通信距離遠(yuǎn)且通信成本不隨距離增加而增加。它不僅可以進(jìn)行話音通信而且還能傳送數(shù)據(jù)、傳真以及圖像等。因此,衛(wèi)星通信在各個(gè)行業(yè),特別是在普通通信無法實(shí)現(xiàn)的一些地方,如在浩瀚無際的海洋上等,都得到了廣泛使用。鑒于車輛、艦船等運(yùn)動(dòng)載體在運(yùn)動(dòng)中的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有重要意義,人們稱之為“動(dòng)中通”。它特別適合于軍用和民用中應(yīng)急移動(dòng)通信和突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)的指揮通信。安裝在載體上的衛(wèi)星通信天線由于載體的運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星的攝動(dòng)而丟失信號(hào),從而造成通信中斷。載體的運(yùn)動(dòng)主要引起兩方面的干擾:一是載體的角運(yùn)動(dòng)干擾,二是載體長距離的線運(yùn)動(dòng)干擾。對(duì)于衛(wèi)星的攝動(dòng)可以通過對(duì)衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的跟蹤,而對(duì)于載體的運(yùn)動(dòng)主要是在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上通過跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)載體運(yùn)動(dòng)的隔離并跟蹤衛(wèi)星信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)載體運(yùn)動(dòng)中的可靠衛(wèi)星通信。因此,“動(dòng)中通”的穩(wěn)定與跟蹤系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)的核心。2跟蹤方式分類載體運(yùn)動(dòng)時(shí)需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)或衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)跟蹤,根據(jù)不同系統(tǒng)的需要可以采取不同的跟蹤方式。按跟蹤原理,自動(dòng)跟蹤可分為三種體制:步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。2.1天線進(jìn)動(dòng)方式步進(jìn)跟蹤又稱極值跟蹤,它是一步一步地控制天線在方位面內(nèi)和俯仰面內(nèi)以一個(gè)微小的角度作階躍狀轉(zhuǎn)動(dòng),使天線逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。直到接收到的信號(hào)達(dá)到最大值后,系統(tǒng)才進(jìn)入休息狀態(tài),經(jīng)過一段時(shí)間后,再開始進(jìn)入跟蹤狀態(tài),如此周而復(fù)始地進(jìn)行工作。圖1所示為步進(jìn)跟蹤的原理框圖。在這種方式中,天線的進(jìn)動(dòng)分為搜索步和調(diào)整步兩種。搜索步動(dòng)作后,整個(gè)跟蹤系統(tǒng)就開始工作,包括對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)取樣、場(chǎng)強(qiáng)記憶、比較等,待經(jīng)過若干次搜索,并確定天線應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的方向后,天線就回到原來位置,然后向衛(wèi)星方向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。這最后的一步就稱為調(diào)整步。所以,調(diào)整步與搜索步的主要區(qū)別在于調(diào)整步動(dòng)作后天線不會(huì)回到原處,而搜索步則不一樣。不管搜索步動(dòng)作多少次,只要完成規(guī)定的次數(shù)后,天線就回到原處,接著天線就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)調(diào)整步。在實(shí)際系統(tǒng)中它們可以是分開的,也可以是同一步。同一步的邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單,但由于干擾的影響會(huì)引起誤動(dòng)作。如果搜索步與調(diào)整步分開,如搜索開始時(shí),天線先向前行進(jìn)四步取場(chǎng)強(qiáng)值為A,然后向后退八步取場(chǎng)強(qiáng)值為B。如果A>B,則調(diào)整步走五步,相當(dāng)于天線在原出發(fā)點(diǎn)向前調(diào)整一步(如圖2所示);如果A<B,則調(diào)整步走三步,相當(dāng)于天線在原出發(fā)點(diǎn)后退一個(gè)調(diào)整步。相距八步的兩個(gè)信號(hào)的差值比較大,一般不會(huì)引起誤動(dòng)作。2.2和波束和差波束單脈沖跟蹤是一種先進(jìn)的跟蹤體制,顧名思義,就是在一個(gè)脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)就能確定天線波束偏離衛(wèi)星的方向,并能驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)使天線迅速對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。這種天線有四個(gè)饋源,按四個(gè)象限排列,每個(gè)饋源產(chǎn)生一個(gè)波束。這四個(gè)波束的信號(hào)疊加得到“和波束”;上面兩個(gè)波束之和與下面兩個(gè)波束之和相減,得到“俯仰差”波束;左邊兩個(gè)波束之和與右邊兩個(gè)波束之和相減,得到“方位差”波束。因此,單脈沖天線產(chǎn)生一個(gè)“和波束”和兩個(gè)“差波束”。當(dāng)天線波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí),天線只能收到“和波束”信號(hào),兩個(gè)“差波束”信號(hào)輸出為零;當(dāng)天線波束偏離衛(wèi)星時(shí),除接收到“和信號(hào)”外,還接收到“方位差”和“俯仰差”兩個(gè)誤差信號(hào)。把誤差信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī),直至天線波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,誤差信號(hào)才消失。通?！昂托盘?hào)”還被用來作基準(zhǔn)信號(hào),用來鑒別誤差信號(hào)的相位,以決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別在方位面和俯仰面內(nèi)的轉(zhuǎn)向。2.3準(zhǔn)衛(wèi)星數(shù)字信標(biāo)確定的頻率圓錐掃描跟蹤是把饋源喇叭繞天線對(duì)稱軸作圓錐運(yùn)動(dòng),或把天線副面傾斜旋轉(zhuǎn),這樣天線波束呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。當(dāng)天線軸對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí),信標(biāo)電平將受到一個(gè)頻率極低的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行幅度調(diào)制。調(diào)制頻率與波束旋轉(zhuǎn)頻率相同,調(diào)制深度與波束偏離衛(wèi)星的距離有關(guān),偏離大,調(diào)制深度大;偏離小,調(diào)制深度淺;不偏離,調(diào)制深度等于零。調(diào)制的相位與波束偏離的方向有關(guān),所以由調(diào)制信號(hào)的幅度和相位就能檢測(cè)出天線波束的指向誤差,并根據(jù)指向誤差來確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和大小。2.4機(jī)帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)移從三種跟蹤原理的工作方式上來看,它們?cè)诒举|(zhì)上是相同的,都是在取得多個(gè)AGC信號(hào)后比較并確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和幅度。步進(jìn)跟蹤是分別在方位和俯仰面內(nèi)采樣后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)天線在方位和俯仰面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng);圓錐掃描跟蹤則是饋源在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作圓錐運(yùn)動(dòng)并在該過程中比較信號(hào)電平的大小來對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星;單脈沖跟蹤則在一個(gè)脈沖的時(shí)間內(nèi)就能確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方位和幅度。綜上所述,單脈沖跟蹤的精度和速度都比較高,但系統(tǒng)比較復(fù)雜,造價(jià)高,一般適用于精度要求較高的地方;圓錐掃描的精度雖能滿足一般系統(tǒng)的要求,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對(duì)信號(hào)損耗較大,而且跟蹤速度也比較慢;而步進(jìn)跟蹤的速度和精度都界于兩者之間,并且整個(gè)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)起來比較容易,因而得到了較廣泛的應(yīng)用。3汽車天線穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)于“動(dòng)中通”系統(tǒng)來說,如果僅有跟蹤,那么天線在載體大的波動(dòng)下很容易丟失信號(hào)而造成通信中斷。因此,必須有天線穩(wěn)定系統(tǒng)來隔離載體運(yùn)動(dòng)造成的干擾。車載天線的穩(wěn)定系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方法:(1)物理平臺(tái)穩(wěn)定在車載天線和車體之間通過一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)來隔離,車體的運(yùn)動(dòng)被穩(wěn)定平臺(tái)隔離在車載天線系統(tǒng)之外。這相當(dāng)于把車載天線固定在大地平面上,很容易實(shí)現(xiàn)精確對(duì)星,且對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星以后不再需要調(diào)整天線的指向。這種方法把車載天線穩(wěn)定系統(tǒng)分割成一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)和一個(gè)天線伺服系統(tǒng)。天線的穩(wěn)定對(duì)星依賴于穩(wěn)定平臺(tái),自主能力差,系統(tǒng)復(fù)雜,相對(duì)成本高。(2)捷聯(lián)式穩(wěn)定利用載體上陀螺、GPS、電子羅盤等提供的信息,通過坐標(biāo)變換,建立一種“數(shù)學(xué)平臺(tái)”,計(jì)算出伺服系統(tǒng)的修正量。系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、體積小、成本低、容易維修等特點(diǎn)而得到了廣泛使用。在捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式中主要采用前饋補(bǔ)償控制和閉環(huán)反饋控制。在這里,車體的運(yùn)動(dòng)是作為一種干擾信號(hào)引入伺服系統(tǒng)的,這種干擾的性質(zhì)同風(fēng)負(fù)載干擾是相似的。對(duì)于這種干擾,按照是否能夠測(cè)量分為可測(cè)擾動(dòng)和不可測(cè)擾動(dòng),對(duì)不同擾動(dòng)分別采取不同的控制方式。3.1裝置傳遞函數(shù)的補(bǔ)償前饋控制是按干擾量進(jìn)行控制的一種方式,是根據(jù)被控變量不變性原理設(shè)計(jì)的,有動(dòng)態(tài)不變性、靜態(tài)不變性和絕對(duì)不變性等原理。它基于對(duì)被控過程有了充分了解并且干擾可測(cè)。擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)如圖3所示。圖中,N(s)為可測(cè)量擾動(dòng),G1(s)和G2(s)為反饋部分的前向通路傳遞函數(shù),Gn(s)為前饋補(bǔ)償裝置傳遞函數(shù)。復(fù)合校正的目的,是通過選擇Gn(s),使擾動(dòng)N(s)經(jīng)過Gn(s)對(duì)系統(tǒng)輸出C(s)產(chǎn)生補(bǔ)償作用,以抵消擾動(dòng)N(s)通過G2(s)對(duì)輸出C(s)產(chǎn)生的影響。由圖3可知,當(dāng)R(s)=0時(shí),擾動(dòng)N(s)作用下的輸出為C(s)=G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)Ν(s)(1)C(s)=G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)N(s)(1)擾動(dòng)作用下的誤差為E(s)=-C(s)=-G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)Ν(s)(2)E(s)=?C(s)=?G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)N(s)(2)若選擇前饋補(bǔ)償裝置的傳遞函數(shù)Gn(s)=-1G1(s)(3)Gn(s)=?1G1(s)(3)則從式(1)、(2)知,必有E(s)=-C(s)=0,從而抵消了擾動(dòng)N(s)產(chǎn)生的誤差,式(3)稱為對(duì)擾動(dòng)的誤差完全補(bǔ)償條件。圖4就是基于前饋補(bǔ)償?shù)乃欧到y(tǒng)方框圖。3.2不可預(yù)測(cè)擾動(dòng)的穩(wěn)定環(huán)形結(jié)構(gòu)3.2.1系統(tǒng)干擾響應(yīng)的指令假設(shè)伺服系統(tǒng)中有一個(gè)干擾fD,如圖5(a)所示。為了計(jì)算該系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng),可令指令信號(hào)D=0,并將方框圖變換一下,如圖5(b)所示。由該圖便可求得θfD=Ν1+ΝGΗ(4)θfD=N1+NGH(4)另外,我們也可以直接由圖5(a)來求取系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)。為此,我們將干擾fD移到系統(tǒng)的指令輸入端,并將這個(gè)干擾視為一種指令,其大小為D=fDG(5)D=fDG(5)如圖5(c)所示。將式(5)改寫成DfD=1G(6)DfD=1G(6)則系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)為θfD=(θD)(DfD)(7)θfD=(θD)(DfD)(7)式中θ/D為沒有干擾時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),即θD=ΝG1+ΝGΗ(8)θD=NG1+NGH(8)將式(8)和式(6)代入式(7),得θfD=(θD)(DfD)=Ν1+ΝGΗ(9)θfD=(θD)(DfD)=N1+NGH(9)與式(4)的結(jié)果完全一致。由此,說明完全可以直接由圖5(a)來求取系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)。其步驟概括如下:(1)將干擾移到指令輸入端,并將它視為一種指令,此指令由式(5)確定;(2)根據(jù)式(7)計(jì)算系統(tǒng)對(duì)干擾的響應(yīng)。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng),如圖6中虛線所示。于是干擾的等效輸入指令為D=fDABG+ΜfDAB(10)D=fDABG+MfDAB(10)即DfD=1ABG+ΜAB(11)DfD=1ABG+MAB(11)從上面的分析可以看出:當(dāng)反饋通道中反饋信號(hào)的取出點(diǎn)出在干擾fD輸入的右邊時(shí),反饋通道的傳遞函數(shù)不影響干擾響應(yīng)。3.2.2引入附加的干擾信號(hào)對(duì)于不可測(cè)的載體干擾可以利用速度陀螺構(gòu)成穩(wěn)定環(huán)路。如圖7所示,圖中虛線為干擾信號(hào),粗實(shí)線為引入系統(tǒng)的穩(wěn)定環(huán)。由于速度陀螺是一種“空間測(cè)速發(fā)電機(jī)”,只相對(duì)于大地坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生信號(hào),所以在穩(wěn)定環(huán)中,不會(huì)引入附加的干擾信號(hào)。這樣由載體干擾引起的天線偏擺角為θ=[ΚΩsW1(s)WA(s)+Κ′ΩsW1(s)WA(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(12)θ=[KΩsW1(s)WA(s)+K′ΩsW1(s)WA(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(12)式中Φ(s)=θθiΦ(s)=θθi為位置環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。系統(tǒng)沒有加入穩(wěn)定環(huán)時(shí)天線的偏擺角為θ=[ΚΩsW1(s)+Κ′ΩsW1(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(13)比