基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位效率的初步研究

余慶豐，汪涉源（中國(guó)人民解放軍61764部隊(duì)，海南 三亞 572000）

0 引 言

在理想情況下，由方位軸和俯仰軸構(gòu)成的兩軸天線就可以指向任意角度。但天線跟蹤衛(wèi)星的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，當(dāng)俯仰角處于接近90°區(qū)域，為了跟上衛(wèi)星的軌道，方位軸必須以較大的角速度完成跟蹤操作。當(dāng)天線跟蹤所需要的方位角速度大于天線實(shí)際輸出的方位角速度時(shí)，天線不能正常跟蹤目標(biāo)，出現(xiàn)跟蹤盲區(qū)。“盲區(qū)”不是天線方位到達(dá)不了的幾何位置，而是天線動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)不能滿足目標(biāo)在天線座坐標(biāo)系里所需要的跟蹤速度的情況[1]。為了消除天線的過頂盲區(qū)，達(dá)到過頂跟蹤的目的，采用三軸天線座是最有效的途徑之一[2]。三軸天線自上而下一般由天線反射體、俯仰軸系組合、方位軸系組合、第三軸系組合，以及驅(qū)動(dòng)減速裝置、匯流裝置、安全保護(hù)裝置等組成，是比較常見的衛(wèi)星跟蹤天線[3]。

三軸天線是星地通信鏈路的重要組成部分，在捕獲衛(wèi)星之前，一般都需要先將天線調(diào)整至目標(biāo)等待點(diǎn)，等待點(diǎn)是天線預(yù)先進(jìn)入預(yù)測(cè)的衛(wèi)星跟蹤軌道位置。一旦衛(wèi)星進(jìn)入該位置，天線則可以捕獲該衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)自跟蹤。天線到達(dá)等待點(diǎn)的過程，不參與數(shù)據(jù)收發(fā)，因而降低天線等待點(diǎn)置位時(shí)間可以進(jìn)一步發(fā)揮天線潛在的使用效能。隨著衛(wèi)星數(shù)量的急劇增加，衛(wèi)星跟蹤任務(wù)頻次加重，天線跟蹤需求擴(kuò)大，提高天線使用效能意義重大。

1 天線等待點(diǎn)置位方法的改進(jìn)

等待點(diǎn)置位是天線跟蹤衛(wèi)星過程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，常規(guī)的分步置位邏輯簡(jiǎn)單、性能可靠，具有廣泛的應(yīng)用，但常規(guī)分步置位方法存在效率不高的缺點(diǎn)。

1.1 天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法

天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法將置位過程進(jìn)行分解，控制過程簡(jiǎn)單可靠。

（1）第三軸置位。天線初始狀態(tài)為零位置，零位置是天線處于第三軸角0°、方位角0°、俯仰角90°的位置。第三軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)指定角度，制動(dòng)停止。

（2）方位軸和俯仰軸置位。第三軸停止后，方位軸、俯仰軸開始置位，到達(dá)指定位置，完成天線等待點(diǎn)置位的主要過程。

（3）天線狀態(tài)復(fù)位。任務(wù)完成后，天線回歸零位置（三軸同時(shí)運(yùn)行），完成天線初始化，為下一次天線等待點(diǎn)置位做準(zhǔn)備。

1.2 天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法的優(yōu)缺點(diǎn)

天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法邏輯簡(jiǎn)單、性能可靠，有效地控制了俯仰軸限位的發(fā)生。俯仰軸在機(jī)械結(jié)構(gòu)上只能在限定的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，為了保護(hù)裝備，限位是人為設(shè)定的保護(hù)機(jī)制，當(dāng)俯仰軸轉(zhuǎn)到運(yùn)動(dòng)邊界時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，鎖死俯仰軸的運(yùn)動(dòng)，避免破壞裝備和發(fā)生人身安全事件[4-5]。天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法中，優(yōu)先將第三軸置位，然后俯仰軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)置位、方位軸逐步向第三軸高點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)置位。在到達(dá)俯仰軸限位前，三軸均已轉(zhuǎn)至等待點(diǎn)要求的位置。但天線等待點(diǎn)常規(guī)分步置位方法存在步驟繁多、效率不高的缺點(diǎn)。一個(gè)天線等待點(diǎn)置位過程被分解為三個(gè)子置位過程，每一個(gè)子置位過程都要經(jīng)過天線啟動(dòng)加速、制動(dòng)減速、微動(dòng)調(diào)整三個(gè)階段，使得置位時(shí)間延長(zhǎng)。

1.3 基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位方法

在常規(guī)分步置位過程中，如果把三軸先后置位修改為三軸同時(shí)置位，由于方位角速度比第三軸角速度快，可能出現(xiàn)方位角度在接近第三軸最高點(diǎn)過程中，同時(shí)俯仰角度又處于較小的值，一旦較小的俯仰角度與第三軸較大的傾斜角度疊加，就可能出現(xiàn)突破限位閥值的測(cè)量角度，導(dǎo)致俯仰軸限位，影響任務(wù)執(zhí)行。如目標(biāo)俯仰角度（大地角度）為-2.99°，限位角度為-3°，俯仰實(shí)際測(cè)量角度為-2.99°+Δ，其中Δ為方位和第三軸疊加產(chǎn)生的俯仰測(cè)量偏差。Δ既可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)Δ為負(fù)值時(shí)，即可以導(dǎo)致俯仰測(cè)量角度小于限位角度（-3°），觸發(fā)限位動(dòng)作；當(dāng)?shù)谌S先行運(yùn)動(dòng)且到位后，方位和俯仰的置位過程相當(dāng)于兩軸天線的置位過程，Δ值可以預(yù)測(cè)，因而不會(huì)觸發(fā)限位，但這種分步置位的方法效率不高。

針對(duì)俯仰軸限位隱患，實(shí)現(xiàn)提高效率的目的，提出基于雙引導(dǎo)值的三軸聯(lián)動(dòng)的置位方法。雙引導(dǎo)值是指天線三軸的測(cè)量值和大地值。在天線啟動(dòng)加速、制動(dòng)減速過程中使用測(cè)量值作為引導(dǎo)天線運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)值，在電機(jī)微動(dòng)調(diào)整階段使用大地值作為引導(dǎo)值，同時(shí)不再設(shè)置歸零動(dòng)作，一個(gè)任務(wù)完成后，直接置位至下一個(gè)任務(wù)的天線等待點(diǎn)置位。

采用測(cè)量值替代大地值作為引導(dǎo)天線運(yùn)行的參照標(biāo)準(zhǔn)。由于限位角度主要由測(cè)量值決定，如果三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，俯仰軸的角度一直保持在測(cè)量值的限位邊界內(nèi)，那么就不會(huì)出現(xiàn)限位的情況。在天線預(yù)測(cè)的數(shù)字引導(dǎo)文件中，只有天線的大地系坐標(biāo)值，為了得到測(cè)量系坐標(biāo)，可以通過（1）、 （2）式的坐標(biāo)變換得到[1]：

其中，A為天線電軸在大地水平面投影與大地正北方向之間的夾角，順時(shí)針為正；E為天線電軸與大地水平面之間的夾角，向上為正；T為斜轉(zhuǎn)臺(tái)高低兩點(diǎn)連線在水平面投影與大地正北方向之間的夾角，高點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)正北為零度，順時(shí)針為正；AC為天線機(jī)械軸在斜轉(zhuǎn)臺(tái)平面的投影與斜轉(zhuǎn)臺(tái)中心和高點(diǎn)連線之間的夾角，順時(shí)針為正；EC為天線電軸與斜轉(zhuǎn)臺(tái)平面之間的夾角，向上為正；θ為第三軸傾斜平面與水平面的夾角，一般為固定角度。

在坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程中，存在一定的計(jì)算誤差，為了進(jìn)一步得到更加精確的天線等待點(diǎn)，在完成測(cè)量系坐標(biāo)的初步置位后，按照原有的大地系坐標(biāo)，再進(jìn)行一次微動(dòng)調(diào)整置位。因此，天線等待點(diǎn)整個(gè)置位過程可以分為基于測(cè)量系引導(dǎo)值的初步置位和基于大地系引導(dǎo)值的精確置位，這種基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位方法，既避免了限位的發(fā)生，也提高了置位過程的效率。

2 天線等待點(diǎn)置位時(shí)間分析

2.1 從零位置位的置位時(shí)間比較

三軸天線的置位過程中，一般都是第三軸置位時(shí)間最長(zhǎng)，主要是第三軸的速度較慢。為了更直觀地對(duì)天線等待點(diǎn)置位時(shí)間進(jìn)行比較，分別對(duì)常規(guī)分步置位方法、雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法和大地引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法（不考慮限位情況）三種置位方法的三軸運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 三種置位方法的三軸運(yùn)動(dòng)情況

其中，A3（A3'和A3''），A2（A2'和A2''），A1（A1'和A1''）分別代表方位軸、俯仰軸、第三軸運(yùn)動(dòng)的角度變化值。由圖1可知，三種置位方法的最終位置一致，因而t1=t1'=t1'', t2=t2'≤t2'', t3=t3'≤t3'', A1=A1'=A1'',A2=A2'≤A2'', A3=A3'≤A3''，且Max （t1', t2', t3'）=Max （t1'', t2'', t3''）。

常規(guī)分步置位方法的置位時(shí)間T1為：

雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法中，置位末段是基于大地引導(dǎo)值的微調(diào)過程。由于測(cè)量系與大地系轉(zhuǎn)換的誤差較小，微調(diào)過程時(shí)間可以忽略。因此，雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法的置位時(shí)間T2為：

大地引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法中，由于第三軸會(huì)對(duì)大地系方位角和俯仰角產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測(cè)量系方位角和俯仰角可能會(huì)產(chǎn)生回彈動(dòng)作。由于回彈動(dòng)作的存在，俯仰角實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍大于所需要測(cè)量系運(yùn)動(dòng)范圍，可能會(huì)觸發(fā)限位動(dòng)作；方位角的運(yùn)動(dòng)范圍較大，一般不會(huì)觸發(fā)限位動(dòng)作。大地引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法的置位時(shí)間T3為：

綜上可知，三種置位方法中，雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法具有置位時(shí)間短、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2 從非零位置位的置位時(shí)間比較

從非零位置位主要是指完成一次跟蹤任務(wù)之后，天線處于非零位，為了進(jìn)行下一次置位所完成的動(dòng)作。由于俯仰軸零位點(diǎn)的角度為90°，因而俯仰軸置位過程一直不跨零位。

置位過程中方位軸和第三軸均不跨零位?；陔p引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位方法中，天線完成跟蹤任務(wù)后，直接進(jìn)入下一圈次的等待點(diǎn)。由于減少了回歸零位的時(shí)間Max （t1, t2, t3），加之三種置位方法的最終位置一致，因而A1+A4=A4', A2+A5=A5',A3+A6=A6'；由于A1與A4符號(hào)相反，A2與A5符號(hào)相反，A3與A6符號(hào)相反，因而t1+t4≥t4', t2+t5≥t5'，t3+t6≥t6'，如圖2所示。

圖2 從非零位置位的置位時(shí)間比較

其中，A1至A6，A4'至A6'表示角度變化值，t1至t6，t4'至t6'表示時(shí)間值。

綜上可知，常規(guī)分步置位方法的置位時(shí)間T1為：

T1=Max （t1, t2, t3）+t4+Max （t5, t6） （6）雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法的置位時(shí)間T2為：

T2=Max （t4', t5', t6'） ＜ T1 （7）

同理可知，置位過程中方位軸和第三軸均跨零位，方位軸跨零位、第三軸不跨零位及方位軸不跨零位、第三軸跨零位三種情形下，常規(guī)分步置位方法的置位時(shí)間T1和雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法的置位時(shí)間T2均滿足以下關(guān)系：

T2 ＜ T1 （8）

2.3 結(jié)果

基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位方法通過三軸聯(lián)動(dòng)的方式將方位軸、俯仰軸及第三軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間重疊在一起，壓縮了整體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。同時(shí)減少了天線歸零的步驟，進(jìn)一步節(jié)約了置位時(shí)間。綜合（4）、 （6）、 （7）、 （8）式可知，無(wú)論在什么位置開始置位，常規(guī)分步置位方法的置位時(shí)間T1均大于雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動(dòng)置位方法的置位時(shí)間T2。

3 結(jié) 論

三軸天線等待點(diǎn)置位是天線跟蹤過程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，常規(guī)分步置位方法把置位過程進(jìn)行分解，具有控制過程簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在置位效率不高的缺點(diǎn)。為了解決這一問題，分析三軸天線常規(guī)置位方法的運(yùn)行流程，確定影響置位時(shí)間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點(diǎn)置位方法。該方法通過增加并行運(yùn)動(dòng)和減少非必要?jiǎng)幼鞯确绞綁嚎s置位時(shí)間，包括啟用測(cè)量系引導(dǎo)值、采用三軸聯(lián)動(dòng)置位、取消歸零動(dòng)作等，同時(shí)排除置位方法改變可能帶來的限位隱患。通過置位時(shí)間分析，結(jié)果表明，該方法具有置位時(shí)間短、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。