論船載衛(wèi)星“動中通”跟蹤系統(tǒng)

劉希龍

【摘要】 船載衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)，也有很多人稱其為船載“動中通”系統(tǒng)。目前國際、國內(nèi)市場的主流船載衛(wèi)星自動跟蹤天線系統(tǒng)無外乎C和Ku兩種頻段的系統(tǒng)。船載的“動中通”系統(tǒng)應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及信號處理技術(shù)、圓錐掃描技術(shù)、步進(jìn)跟蹤、GPS定位以及跟蹤識別等技術(shù)來實現(xiàn)自動捕獲目標(biāo)衛(wèi)星，并對衛(wèi)星進(jìn)行高精度的自動跟蹤，從而獲得連續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星通信信號。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng) 動中通 三軸穩(wěn)定系統(tǒng) 海洋中的信息高速路

一、船載衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成

船載自動跟蹤系統(tǒng)由穩(wěn)定跟蹤平臺伺服傳動機(jī)構(gòu)、慣性測量傳感器、穩(wěn)定跟蹤控制臺（自動跟蹤天線控制器）、及顯示控制軟件（系統(tǒng)管理軟件）、玻璃鋼天線罩、羅經(jīng)接口轉(zhuǎn)換器、GPS等組成。天線控器可根據(jù)系統(tǒng)加載的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GPS以及羅經(jīng)送來的航向數(shù)據(jù)在加電后自動跟蹤衛(wèi)星，并自動記憶接收站的經(jīng)緯度、指北偏差、極化角等。天線控制器都配有計算機(jī)接入接口，可為用戶和設(shè)計人員提供一個操作控制程序控制調(diào)用界面、文字、數(shù)值顯示伺服電平狀態(tài)參數(shù)的工作平臺。

二、三軸架構(gòu)的船載衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)

船載自動跟蹤系統(tǒng)較為典型也是最為常用的是一種三軸架構(gòu)體系。中海油的移動船舶上安裝的自動跟蹤天線系統(tǒng)均采用的均是這種體制。它把用于驅(qū)動天線跟蹤衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)和隔離船搖的伺服機(jī)構(gòu)融為一體，通過安裝在PCU（支架控制單元）中的高精度、高靈敏度的慣性測量元件敏感船搖，通過坐標(biāo)變換計算得到船搖補(bǔ)償角，利用天線本身的伺服機(jī)構(gòu)改變天線指向隔離船搖，構(gòu)成一個數(shù)字跟蹤平臺。

系統(tǒng)采用X-Y的混合裝架形式，對應(yīng)在方位和俯仰兩個軸上，另外還在俯仰軸上增加了一個交叉軸（Z軸），它與俯仰軸垂直，俯仰軸和交叉軸構(gòu)成了一個小角度范圍的X-Y裝架系統(tǒng)，這就構(gòu)成了穩(wěn)定的三軸穩(wěn)定架構(gòu)系統(tǒng)。這種組合充分利用了各自的優(yōu)點(diǎn)，既可實現(xiàn)快速響應(yīng)，又具有高的跟蹤精度和高隔離比。這三個軸在三維空間中可自由運(yùn)動，當(dāng)船處于搖擺、滾動狀態(tài)時，這種三軸平衡裝置就會使天線處于相對靜止的狀態(tài)，起到隔離載體的功能。

三、船載衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)的核心部件（IMU）

對于衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)來說，每個部件都會聽從控制器的指令來運(yùn)轉(zhuǎn)，每一個部件都非常關(guān)鍵，但其核心部分是IMU（慣性測量單元）。它主要是由霍爾傳感器組成的，其利用慣性敏感器（霍爾元件）、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息來確定運(yùn)載體的方位、位置和速度的自主式航位推算系統(tǒng)。這也可以認(rèn)為是一種捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)系統(tǒng)是指將慣性敏感器直接安裝在運(yùn)載體上，不需要穩(wěn)定平臺和常平架系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過精確測量載體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動角速率和直線運(yùn)動加速度信息，然后送至數(shù)字計算機(jī)中進(jìn)行實時的姿態(tài)矩陣解算，通過姿態(tài)矩陣把慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中加速度計測量到的船體沿船體縱、橫軸的加速度信息，轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航用的動參考坐標(biāo)系軸向，然后再進(jìn)行導(dǎo)航計算；并從姿態(tài)矩陣的有關(guān)元素中提取船體的姿態(tài)角（航向角、滾動角、俯仰角）。

四、船載衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（NBR）

現(xiàn)代高精度的船載衛(wèi)星自動跟蹤天線系統(tǒng)，每個生產(chǎn)廠家的技術(shù)不盡相同。目的都只有一個：更快更精準(zhǔn)的鎖定并長期跟蹤你所需要的衛(wèi)星。這里將以在中海油系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的ORBIT Ku天線為例說明這項關(guān)鍵技術(shù)：衛(wèi)星識別技術(shù)（NBR）。移動載體上的動中通系統(tǒng)在跟蹤衛(wèi)星期間，天線跟蹤鎖定到不正確的目標(biāo)上是可能發(fā)生的，例如：（1）在自動跟蹤天線跟蹤的頻率范圍內(nèi)，臨星產(chǎn)生了同樣的信號；（2）在你使用的頻率范圍內(nèi)，由陸地產(chǎn)生的電磁干擾信號；（3）來自高大建筑物的強(qiáng)反射信號，產(chǎn)生了寬帶噪聲覆蓋了相關(guān)的部分頻譜。

那么這個時候怎樣才能鎖定上真正你需要的衛(wèi)星信號呢？ORBIT天線系統(tǒng)采用了窄帶信標(biāo)識別技術(shù)來實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤、鎖定。也就是通常我們所說的NBR功能，其全稱為：Narrow Band Receiver（窄帶信標(biāo)接收機(jī)）。這種識別功能主要是針對Ku頻段的特點(diǎn)，天線尺寸小的特點(diǎn)開發(fā)的。由于天線尺寸相對來說非常小，（大約3.5°波束帶寬），L-Band NBR電路就可以達(dá)到鎖定窄波束信號的要求，可以避免鎖定在臨近衛(wèi)星頻率上，可以加強(qiáng)步進(jìn)跟蹤的計算準(zhǔn)確性。它是通過窄帶接收機(jī)中產(chǎn)生的Go/No-go信號來對衛(wèi)星信號進(jìn)行監(jiān)測。

五、結(jié)束語

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)以及自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，在運(yùn)動中實現(xiàn)與衛(wèi)星實時數(shù)據(jù)交換變得越來越普遍。尤其在中海油迅猛發(fā)展的今天，在廣闊無垠的大海上通過移動載體：比如FPSO（浮式儲油輪）、三用工作船、浮吊或移動平臺上的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)搭建起海洋中的“信息高速路”實現(xiàn)安全生產(chǎn)勢必會成為節(jié)能增效的高效手段。