多陣面天線運動控制的實現

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(成都天奧測控技術有限公司，四川 成都 611731 )

0 引言

衛星通信具有通信距離遠、覆蓋范圍大、通信方式靈活多樣、質量高、不受地理和自然環境限制等一系列的優點，隨著全球經濟和信息化的飛速發展，越來越多的信息通過衛星進行傳輸，在移動載體上進行衛星通信已經成為實時通信的迫切需求，因此移動載體衛星通信必將是衛星通信的一個發展趨勢。按照載體的類型不同分為車載衛星通信平臺，機載衛星通信平臺和船載衛星通信平臺三大類[1-2]。由于機載設備特別是艙外設備需具備重量輕、迎風面小、響應快等要求，為此本文提出了一種具有低剖面、多軸聯動控制的平板陣列動中通天線，其優點是輪廓低，射頻集成化高，可實現收發共用[2]。現在主要適用于大型飛機上，填補國內空白，具有廣闊的應用前景。

1 基本原理

低剖面動中通天線多軸控制系統基于機載穩定平臺控制原理，使用3個天線陣面朝同一方向，并且陣面的正上方不得相互遮擋。采用3軸聯動控制，可實現方位和俯仰兩個方向的旋轉運動，以及陣面的直線運動。運用2個單軸速度陀螺進行穩定控制，通過坐標轉換將載體的姿態信息轉換到方位和俯仰2個運動控制軸上，同時直線運動機構根據俯仰的運動角度進行橫向運動，實現3個天線陣面互不遮擋且在整個運動過程中法向面面積始終保持不變。陣面原理如圖1所示。

圖1 天線陣面原理圖

2 控制策略

2.1 總體控制策略

低剖面動中通天線多軸運動控制系統具有捕獲和跟蹤兩種模式。捕獲時，根據目標姿態值信息快速運動到相應位置。為了達到系統的響應要求和控制精度，采用了速度前饋補償控制策略。捕獲完成時系統迅速轉入到跟蹤模式，采用速度陀螺作為穩定環路進行穩定控制。本控制系統采用共軸跟蹤控制原理[3-5]，它的特點是通過引入慣性角位置反饋信號(載體導航信息)構成獨立的位置回路，旋轉變壓器、跟蹤控制算法等控制指令結算環節與隨動控制系統分離，從而使控制系統擺脫了滯后等因素的帶寬限制。該系統采用載體的GPS信息及輔助慣性導航信息作為基準姿態信息，它構成了位置反饋的主回路，同時在接收基準姿態信息的間隔內，采用速度陀螺作為穩定回路，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統原理

2.2 直線同步跟蹤控制

為了實現在整個過程中3個陣面互不遮擋，左右兩邊的陣面在轉動的過程中還需要分別向左右進行直線運動，運動的位移有陣面轉動的角度決定，如圖3所示。根據圖3可得：

(1)

其中L為陣面的寬度，并與L1相等。

則移動的位移為：

S=L2-L1

(2)

圖3 陣面變換

由于直線運動與陣面的俯仰運動存在同步控制關系，實現同步控制的策略有以下幾種：

主從同步控制，該方法采用俯仰軸為主動軸，直線運動軸根據俯仰軸反饋的角度進行實時計算后，跟隨俯仰軸運動；缺點是受俯仰軸控制精度的影響，同時存在較大的滯后；

虛擬軸同步控制，該方法是建立一個虛擬運動軸，俯仰軸和直線軸同時去跟隨虛擬軸，但是系統的跟隨精度在同步運動的過程中不能受控；

主從控制補償控制，該方法是主從控制的優化控制，在主從控制的基礎上，根據兩軸的反饋值進行實時補償，以達到同步跟蹤的更高精度控制。該方法跟隨精度高，跟隨性能好，彌補前兩種控制策略的不足，但是控制策略較復雜。

由于本系統需要俯仰控制的精度高動態響應快，同時直線運動的精度要求相當較低，防止俯仰軸反饋角度對直線的影響，因此采用虛擬軸同步控制策略。

3 系統的隔離控制原理

對載體(基座)外界干擾進行隔離，主要采用慣導系統實現，目前比較主流的方式有兩種，一是將三軸陀螺安裝在載體上，陀螺能夠敏感的感知載體的姿態變化，但是由于需要將載體的姿態轉換到天線陣面坐標系下，轉換存在較復雜的非線性模型。第二種方式是將二自由度的陀螺安裝在俯仰天線陣面上，一軸垂直于陣面，一軸平行于陣面轉動軸[6-7]，如圖4所示。

圖4 陀螺安裝

根據陀螺的安裝方式首先設定基座的所在坐標系為b系，根據坐標系變換將b系轉換到天線陣面坐標系(設定為f系)。首先坐標系繞b系的Z軸(即垂直于基座平面的軸)轉動θa角度，記為a系；然后以a系為基準繞X軸(即俯仰方向)轉動θf度，記為f系，a系和b系的相對位置如圖5所示，f系和a系的相對位置如圖6所示。

圖5 a系和b系的相對位置

圖6 f系和a系的相對位置

設定ωibx，ωiby，ωibz為載體(基座)沿3個坐標軸的角速度分量，根據坐標轉換的公式進行運算[8-9]，a系的坐標轉換結果為:

(3)

f系的坐標轉換結果為:

(4)

f系的角速度等于由載體角速度和方位、俯仰伺服回路角速度的疊加為：

(5)

按照天線穩定系統的要求計算得：

(6)

(7)

ωifx由俯仰陀螺測得，此處俯仰陀螺軸線平行OXf軸；ωifz由方位陀螺測得，此處俯仰陀螺軸線平行OZf軸。

4 系統控制仿真分析

4.1 仿真模型的建立

根據本系統的控制策略，建立控制系統的仿真模型，主要包括伺服電機數學模型、控制策略數學模型和穩定控制模型。首先根據功能要求進入捕獲模式，當捕獲完成后系統立即切換到跟蹤模式。在跟蹤模式下，速度陀螺在時間間隔內進行位置積分，然后將積分值經坐標系變換后與給定目標值進行數據疊加，其仿真框圖如圖7所示。

其中伺服電機的仿真模型包括電機數學模型、電流環控制、速度環控制、反電動勢、轉矩系數和轉速輸出[10]，如圖8所示。

4.2 仿真模型分析

根據動中通天線的相關技術要求，天線指向角速度最大值：方位≥90°/s，俯仰≥30°/s；天線指向角加速度：方位≥25°/s2，俯仰≥60°/s2。因此將方位擬合成振幅324°，周期為22.4 s的正弦曲線；俯仰振幅15°，周期為3.14 s的正弦曲線進行仿真，其仿真結果如圖9、圖10所示。

經過仿真分析，采用傳統PID控制動態響應不夠，導致系統跟蹤誤差不能達到要求，其跟蹤精度都高達0.4°以上，而采用了傳統PID控制與速度前饋補償相結合的控制策略大大提高了動態響應性能，方位跟蹤精度達到0.2°，俯仰跟蹤精度達到0.28°。

圖7 控制系統模型

圖8 伺服電機模型

圖10 俯仰跟蹤誤差

5 測試結果

為了驗證本控制系統的控制效果，在實驗室里將天線安裝在轉臺上，通過轉臺的運動來改變天線的姿態，分別進行了靜態控制和動態跟蹤測試，其結果如表1所示。

表1 系統控制精度

6 結束語

低剖面動中通天線控制系統的跟蹤精度直接影響通信質量，為了抑制因控制精度而引起的與衛星通信信號的衰減量，詳細分析了控制系統的控制策略，在傳統PI控制策略的基礎上，引入了速度前饋補償和同步控制策略，達到了較高的跟蹤精度。同時采用二軸速率陀螺的穩定控制策略，避免了因引入傳統三軸速度陀螺進行復雜的坐標變換而引起的非線性耦合誤差。通過仿真和實際測試表明，該控制系統達到了機載動中通天線的靜態精度和動態跟蹤要求。

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