移動衛星通信天線系統的矢量控制法

滕云鶴

(清華大學 精密儀器系，北京　100084)

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【編委特稿】

移動衛星通信天線系統的矢量控制法

滕云鶴

(清華大學 精密儀器系，北京100084)

摘要：本文論述移動衛星通信天線系統的矢量控制方法，采用天線對準衛星不依賴于衛星信號，并且借助于捷聯慣導系統的數字平臺可以排除角運動干擾和長距離線運動干擾。為實現在赤道附近大范圍地區的移動衛星通信，本文討論了方位-俯仰與橫滾-俯仰兩種結構的矢量控制方法和它們的控制方程。另一臺MEMS捷聯慣導系統安裝在天線上，給出了天線導航參數。天線信號的極值搜索法提高了跟蹤精度。GPS信號用于與捷聯慣導系統構成GPS/SINS組合系統以修正捷聯慣導系統的誤差，最后給出了移動衛星通信天線矢量控制系統方框圖。

關鍵詞：衛星通信；天線穩定；矢量控制；捷聯慣導系統；動中通

本文引用格式：滕云鶴.移動衛星通信天線系統的矢量控制法[J].兵器裝備工程學報，2016(7):1-4.

Citation format:TENG Yun-he.Vector Control Method of Antenna System for Mobile Satellite Communications[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):1-4.

保密通信是現代海空陸(SEAL)立體化戰爭中的一個非常重要的問題。要求運動載體相對于運動載體，或運動載體相對于固定點，實現語音、數據、圖像等保密通信。本文用矢量控制的方法來論述保密通信的天線控制問題。從觀測點到衛星的連線，稱為觀測矢量，這個矢量是確定的、唯一的。觀測矢量的參數取決于通信衛星的參數以及觀測點的地理座標系參數。要求在任何地點、任何時間、任何干擾作用下，系統都能控制天線矢量對準衛星。為此將天線控制系統做成一個矢量控制系統。“矢量控制”是一個重要的概念。基于這個概念，天線矢量對準衛星不要求有衛星信號。所以，或在城市有高樓或者在山區有高山遮擋；或在山洞中、在車庫內沒有衛星信號，仍可以控制天線矢量指向衛星。只要天線離開遮擋物體，可以立即收到衛星信號。不同于采用陀螺穩定、衛星信號閉環的系統，在沒有衛星信號時系統處于開環狀態，在出現衛星信號后需要重新搜索尋找衛星構成閉環狀態。基于矢量控制的概念，可以擴展到宇宙空間的定向通信。在宇宙空間的兩個運動體，可以連成一個矢量，作出矢量的運動方程。根據矢量運動方程建立矢量控制系統，實現宇宙空間運動體之間的定向通信。

為解決赤道附近地區天線的穩定和跟蹤方法，本文研究了方位-俯仰與橫滾-俯仰兩種天線結構，分析了它們工作上的特點，并且根據矢量控制概念給出了兩種結構的矢量控制方程和它們的相互轉換關系。在計算機迅速發展的現代科學時代，采用數學的捷聯式穩定和控制方法，即“數字平臺”，代替物理的機械的方法(即“物理平臺” )是必然趨勢。為此將一套慣導系統直接安裝在載體上，構成捷聯慣導系統。用計算機構成數字平臺實現天線的矢量控制，排除崎嶇山路或海浪波動造成的角運動干擾和長距離運動造成的線運動干擾。

本文還論述了將MEMS安裝在天線上構成另一個與天線捷聯的慣導系統，輸出天線的導航參數和輔助控制角速度信號。此外，天線的信號場強自尋極值控制，可以使天線跟蹤衛星時的誤差最小；引入GPS(或北斗系統)信號構成組合導航系統，可以修正捷聯慣導系統的長期積累誤差。

移動衛星通信的一個通俗名稱為“動中通”， “Satcom on the move”，簡稱時常用這個名稱。

1通信衛星在地理坐標系中的矢量

圖1　觀測點G對準衛星S時的矢量圖

設載體G點在北半球，處于通信衛星信號覆蓋區內，它的緯度為φ，經度為λ。靜止同步衛星在赤道上空的定點經度為λS，同步衛星的高度為h，如圖1所示。在G點天線對準衛星時的矢量，在地理坐標系中可以用方位角A和俯仰角δ確定。G點的矢量是確定的、唯一的。可以用方程式(1)、(2)表示：

式中β為地心角距， cosβ=cos(λS-λ)cosφ,RS=RE+h，RE為地球半徑。

2方位-俯仰天線的捷聯矢量控制法

G點的地理坐標系為OXtYtZt，Xt軸指東，Yt軸指北，Zt軸指天。天線初始位置指北，為方位角A的零位，轉過方位角A。再從水平面起轉俯仰角δ，水平面為δ的零位。天線矢量指向通信衛星，如圖2所示。在地理坐標系中天線矢量的3個分量，如圖3和式(3)所示

(3)

圖2　方位俯仰天線結構示意圖

圖3　天線矢量的3個分量

(4)

圖4　由載體坐標系至地理坐標系的轉換關系

式中C11=cosRcosH-sinRsinPsinH

C12=-cosPsinH

C13=sinRcosH+cosRsinPsinH

C21=cosRsinH+sinRsinPcosH

C22=cosPcosHh

C23=sinRsinH-cosRsinPcosH

C31=-sinRcosP

C32=sinP

C33=cosRcosP

這個矩陣是一個動態矩陣。可通過實時采集數據，經高速運算得到。H、P、R角是變化的，所以矩陣中的九個元素都是變量。動態捷聯矩陣就是數字平臺的體現。

天線坐標系為OXaYaZa。當天線坐標系和載體坐標系重合時為天線坐標系的零位。采用方位-俯仰控制方案，控制轉動方位角和俯仰角使天線對準衛星。設繞Za軸的轉角為天線方位角A。繞Xa軸的轉角為天線俯仰角δ。

(5)

(6)

(7)

3橫滾-俯仰天線的捷聯矢量控制法

根據式(1)，載體在低緯度地區時，通信衛星在頭頂上空，天線俯仰角δ很大，如果在山區有大的坡度變化或海上有大的橫搖和縱搖時，角運動干擾使天線不能穩定和跟蹤赤道同步通信衛星，通常稱為“盲區”。當δ接近90°時，天線軸將和方位軸重合。方位軸就沒有控制作用。因此方位-俯仰控制方案在我國海南島、南中國海以及在穿過赤道海域時是不適宜的。橫滾-俯仰結構方案的在赤道附近是最佳工作區域。

圖5為橫滾-俯仰的天線結構簡圖。初始狀態時，天線坐標系、載體坐標系、地理坐標系重合，天線XaYa軸在水平面內，橫滾軸Yb為外環軸指北。俯仰軸Xb為內環軸指東。繞Yb的轉角為β，繞Xb轉角為α。天線向量垂直向上時為αβ的零位。在地理坐標系中的三個分量可以用圖6與式(8)表示。

圖5　橫滾-俯仰控制方案的基本結構

圖6　橫滾-俯仰控制方案的天線坐標系

(8)

顯然，和方位-俯仰控制方案相似，但此時3個分量和方位-俯仰控制的3個分量不同。系統通過控制橫滾角β和俯仰角α實現天線對準衛星。橫滾-俯仰和方位-俯仰關系可以用下式表示

(9)

根據這個方程可以得到橫滾角β和俯仰角α

(10)

(11)

式(11)說明，橫滾-俯仰天線結構不適宜在在高緯度地區應用。所以將方位-俯仰方案與橫滾-俯仰的控制方案聯合應用，即三軸結構的天線有更寬廣的應用范圍。

4與天線捷聯的慣導系統及控制方法

圖7　導航坐標系和天線坐標系之間的轉換

考慮到天線軸需要令高頻接收頭繞其對稱軸旋轉作極化控制，由圖7可得天線軸XaZbYa的控制方程為

(12)

(13)

(14)

天線捷聯慣導系統給出了天線的方位角Aa和俯仰角δa和其他導航參數。并且，Aa≈A,δa≈δ。可以給出天線系統從方位-俯仰與橫滾-俯仰控制之間變結構控制的指令信號。與載體上的SINS聯合構成具有更高冗余度、更完善的天線矢量控制系統。

5全球移動衛星通信控制總體方框圖

圖8　移動衛星通信天線系統控制方框圖

6結論

矢量控制是一個重要的概念。在移動衛星通信天線系統控制中的實際應用結果表明，矢量控制方法是成功的，天線排除干擾的性能優越，跟蹤精度小于0.2度。

參考文獻：

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-03-25；修回日期：2016-04-30

作者簡介：滕云鶴(1935—)，男，教授，博士生導師，主要從事導航與自動控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.001

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0001-04

Vector Control Method of Antenna System for Mobile Satellite Communications

TENG Yun-he

(Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:A vector control method (VCM) of antenna system for mobile satellite communications (MSC) was introduced. The antenna aligns the satellite is independent from the satellite signal by the use of VCM，and the antenna can eliminate disturbance of angular motion and disturbance of travel motion dependent on digital platform of SINS. The VCM on azimuth-pitch structure and roll-pitch structure were discussed, and the equations of VCM were proposed for working on Equator and near regions. The SINS of other MEMS was fixed on the antenna, which can be given navigation parameters of antenna. Tracking precision was risen for making search after satellite signal maximum. The GPS receiver was used to correct the SINS errors, so that the GPS/SINS group was an integrated system and a block diagram on antenna system of VCM for MSC was proposed.

Key words:satellite communication; antenna stabilization; vector control; SINS; satcom on the move