船载卫通天线自适应调整研究.pdf

第2 9 卷第4 期 2 0 1 0 年8 月 飞行器测控学报 J o u r n a lo fS p a c e c r a f tT T & CT e c h n o l o g y V 0 1 2 9N O 4 A u g 2 0 1 0 船载卫通天线自适应调整研究 马云龙，凌贵军，黄国雄 ( 中国卫星海上测控部江苏江阴2 1 4 4 3 1 ) 摘要：对船裁卫通天线自适应调整跟踪模式进行了研究，分析了目前船栽卫通站伺服系统常用的几种自适应调 整跟踪模式，总结出各种自适应调整跟踪模式的优缺点，完成天线转动的数学建模并进行数据仿真，提出交叉轴判 据角度分段调整的设计方法，改进了自适应调整跟踪模式算法，并成功应用于船裁卫通设备，弥补了船栽卫通天线 高仰角条件下自适应调整困难的问题。 关键词：自适应调整；随动航向；跟踪模式 中图分类号：T N 9 2 7 ：T N 8 2文献标识码：A文章编号：1 6 7 4 5 6 2 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 5 1 0 4 A p p l i c a t i o no fA d a p t i v eA d j u s t m e n ti n S h ip - B o r n eS a t c o mA n t e n n a s M AY u n l o n g ，L I N GG u i - j u n ，H U A N GG u o x i o n g ( C h i n aS a t e l l i t eM a r i t i m eT r a c k i n ga n dC o n t r o lD e p a r t m e n t ，J i a n g y i n ，J i a n g s uP r o v i n c e2 1 4 4 3 1 ) A b s t r a c t ：T h i sp a p e rs t u d i e sc u r r e n ta d a p t i v ea d j u s t m e n tt r a c k i n gm o d e so ft h es e r v os y s t e m so fs h i p - b o r n es a t c o m s t a t i o na n t e n n a sa n dS U m Su pt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s Am a t h e m a t i c a lm o d e lo fa n t e n n ar o t a t i o ni se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d An e wd e s i g nm e t h o di sp r o p o s e dw h e r ea n g l ec r i t e r i o no fc r o s sa x i si sa d j u s t e di nd i f f e r e n ts t e p sa n dt h em e t h o dm a k e si m p r o v e m e n to ft h ea l g o r i t h mo fa d a p t i v ea d j u s t m e n tt r a c k i n gm o d e T h em e t h o di ss u c c e s s f u l l yu s e df o rs h i p - b o r n es a t e o ms t a t i o n sa n di tp r o v i d e sas o l u t i o nt Oc h a l l e n g i n ga d a p t i v ea d j u s t m e n ta th i g he l e v a t i o na n g l e K e y w o r d s ：A d a p t i v eA d j u s t m e n t ；V a l i dB o a tS w i n g ；T r a c k i n gM o d e 0 引言 船载卫通天线采用方位A z 、俯仰E l 、交叉C 三 轴稳定，两轴( A 、E 或E 、C ) 跟踪体制，可以有效解 决天线过顶跟踪问题，具有卫星可视区域内无跟踪 肓区的特点。由于天线机械结构的限制，交叉轴转 动范围较小，容易产生限位。船载卫通天线自适应 调整，是指在自适应调整跟踪模式下，依据适当的判 断条件，通过调整方位轴角度，使交叉轴远离限位的 过程。在长期使用过程中，发现船载卫通站目前采 用的自适应调整跟踪模式还存在高仰角条件下自适 应调整困难的问题，影响正常通信，为解决该问题， 本文对此进行了深入研究。 1 在用跟踪调整模式研究 目前，船载卫通站在用的跟踪调整模式主要有 3 种。 1 1 8 。调整 8 。调整是指在自适应跟踪条件下，交叉轴角度 偏离中心点达到8 。时，方位轴向对应方向转动8 。进 行补偿，使交叉轴向中心点方向运行。交叉轴自适 应8 。调整部分程序代码如下： i f ( ( C r e a l a n g l e C A x i s T r a c k A u t o M a n a g e C W ) a n dA z A d j u s t F l a g ) t h e n 当交叉轴角度大于设定的角度8 。，且自适应管理有效 b e g i n i f ( A ZT e a l _ a n g l e 一4 ) t h e n V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n C o m p a r e F l a g ：一T r u e ； 计数大于等于4 置随动航向管理有效 V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n H a l t ：= V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n H a l t + V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n H a l t E r r o r 4 ； 平滑航向变化值，并记录变化量 e n d ； V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n L a s t ：= V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n C u r r e n t ；将当前航行值记录 a c u _ a z c m d ：一a c u a z _ c m d g r o u n d - - V a l i d B o a t S w i n g l n f o r m a t i o n H a h ； 方位轴角度调整航向变化量 从程序代码可以看出，随动航向仅考虑了航向 变化对天线跟踪的影响，未考虑船舶航行导致的船 位变化、航向误差等因素，随着船舶航行时间的延 续，上述因素造成的综合误差会不断累积，从而导致 交叉轴限位影响天线正常跟踪。方位轴角度的调整 是高频度的间歇性工作，调整过程中产生的扰动较 大，影响俯仰、交叉轴的跟踪。方位轴频繁的启动、 停止，对驱动结构尤其是卷绕线缆会有较大损害，从 而缩短设备的使用寿命。 1 3 复合调整 复合调整就是兼有8 。调整和随动航向调整2 种 模式的自适应调整模式。此种自适应调整模式借助 航向随动调整模式，缓解了在高仰角条件下8 。调整 的弊端，通过8 。调整，弥补了随动航向调整模式未 考虑到船位变化、航向误差等的影响。但复合调整 主用是随动航向模式，其间歇性调整方位轴角度来 适应航向变化的方式，不能从根本上解决对方位轴 驱动单元和卷绕线缆的损害问题。 2 船载卫通天线转动数学模型分析 卫通天线转动几何模型 3 1 如图1 所示。O Z 为 竖直方向；X O Y 为船甲板平面，0 y 为天线处于某指 向时甲板方位角所指方向起始位置( 交叉轴角度为 0 。) ；O C 为天线中心轴；O A 为方位轴半径；C C 7 为交 叉转动轨迹，A A 7 为方位转动轨迹；则么A O C 为俯 仰角。B 为C7 在平面Y O Z 上的投影，D 为B 在平 面X 0 y 上的投影，G 为C7 在平面X O Y 上的投影， 则矩形B D G C 7 同时垂直于平面Y O Z 和平面X O Y 。 Z 么浴 以形焱 丝蒡7 、 、 I 一 7 1 ) C ”A 。x 图1卫通天线转动模型 则有 C O S E 一0 1 D 0 B ( 1 ) c o s A c O B 0 7 7 ( 2 ) t a n A a D G 0 l D( 3 ) 式( 1 ) 式( 3 ) 等式左右相乘有 D G ( ) C = t a n A a C O S A c c o s E 因为嬲= B C 7 ，则有 s i n A c = B C f o C l 一D G 偶+ 一 t a n A a c o s A c C O S E t a n A c = = s i n A c c o s A c = = t a n A a c o s E A c = a r c t a n ( t a n A a C O S E l )( 4 ) 从式( 4 ) 可以看出，在自适应调整过程中，船载 卫通天线交叉轴角度的变化是方位轴角度变化的正 万方数据 第4 期马云龙，等：船载卫通天线白适应凋整研究 5 3 切函数与俯仰轴的余弦函数之积的正割函数关系。 因此，自适应调整过程中，在调整方位轴的同时，须 兼顾俯仰轴角度的影响。 设定船载卫通天线运行范围：方位轴为一3 3 0 。 3 3 0 。，俯仰轴为0 。9 0 。，交叉轴为一1 2 。1 2 。，根 据式( 4 ) 进行数据仿真，仿真结果如图2 和表1 所 示。 仉 图2 显示，俯仰轴角度从O 。到9 0 。变化过程中， 方位轴转动8 。而使交叉轴转动的角度越来越小。 以仰角分界线6 5 。为例，从表1 可以看出，在俯仰轴 角度6 5 。时，方位轴调整8 。，交叉轴角度减小 3 3 9 9 1 。；在大于6 5 。的高仰角情况下，方位轴角度的 调整对交叉轴角度变化的影响越来越小。因此，高 仰角条件下，8 。调整对交叉轴向中心点方向调整的 贡献越来越小，容易造成交叉轴软件限位问题。 3自适应调整新模式的研究 单纯的随动航向调整是只考虑了航向与方位轴 的关系，而未对自适应调整最关键的交叉轴角度进 行判断，因此，航向值作为自适应调整的判据，其作 用有限。那么，交叉轴角度作为自适应调整判据是 最简单直接的方法。 3 。1 交叉轴直接判据调整 如果在8 。调整中采用以下策略进行：交叉轴角 度偏离中心点达到8 。时，执行方位轴调整，直到在 交叉轴角度为0 。时，方位轴停止调整。这样，表面 上达到了通过方位轴调整使交叉轴直接运行到中心 点的目的，但如图3 所示，在8 5 。高仰角时，交叉轴从 8 。到0 。，需要调整方位轴5 8 1 9 5 。，方位轴的驱动区 间因线缆卷绕是固定的，方位轴过大范围的调整，势 必造成天线的限位，此种模式下为保证天线的正常 跟踪，必将缩小方位轴的运行区间，俯仰轴角度越 大，方位轴调整幅度越大，方位轴运行区间就越小。 同样，这种方式在高仰角条件下不能及时对交叉轴 进行调姿修正，较8 。调整更易造成俯仰轴软件限位 问题。因此，在高仰角条件下，通过交叉轴8 。作为 自适应调整的判据是不合理的。 9 0 8 0 弩7 0 签6 ( ) 刽S 0 蓥4 0 霹3 0 蓑2 0 l O O 图3 不同俯仰轴角下交叉轴到8 。对应的 方位轴角度变