船載衛星通信天線控制的關鍵技術研究

劉錦超 王浩然

1.武警海警總隊作戰勤務保障隊技術保障室 北京 100195

2.中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081

船載衛星通信天線能夠有效克服因船舶運行造成的搖擺和顛簸等引起的位置變化,從而使天線始終高精度的指向衛星,保證通信質量和效率。在船載天線系統設計中,對于結構強度和靈活性具有較高的要求。因此,在實際應用中,需要配合多種技術手段來實現。

1 三軸天線座技術

具有天線指向控制功能的天線座有很多,由于兩軸天線座如AE和XY天線座都存在跟蹤盲區,因此在船用天線中通常選擇三軸天線座,方位俯仰交叉(AEC)或方位交叉俯仰(ACE),兩種三軸天線座的應用有效避免了兩軸天線座存在的天頂和X軸向盲區,以滿足船用不間斷通信系統的無盲區跟蹤。AEC和ACE座架的三軸天線座,都是在X-Y軸座架的基礎結構上增加一個方位軸,構成A、E、C或A、C、E的三軸控制、兩軸穩定跟蹤的工作模式,實現有效自動跟蹤,且三軸天線座架應用于船載衛星保證了船站衛星通信不間斷。

考慮到船載天線的工作環境對于機械和傳動裝置提出較高的耐沖擊、抗振動、耐潮、防腐性能要求,還要應對艦船搖擺造成的磨損,需要具有較高的耐磨性和抗疲勞性。因此一些天線廠商在設計之初采用齒形帶作傳動,齒形帶傳動不具備較高的耐磨性和抗疲勞性,常會出現故障,設備應用可靠性不高。且由于應用了齒形帶傳動設備,導致更換方位和俯仰軸齒形帶必須先拆除天線罩并拆開天線座架,為維修和更換帶來了諸多不便。因此在國內市場,大多船載天線采用齒輪傳動的AEC型天線座架或ACE型天線座架。

2 自適應跟蹤技術

自適應跟蹤技術是與三軸天線座技術相配套的控制算法,在船用三軸系統中,考慮到俯仰(E)軸和交叉(C)軸的工作范圍是限定的,而俯仰動作需要借助于方位軸的配合,才能在一個相對合適的范圍中隔離船搖。在船的工作過程中,由于船的航向在不斷變化,因此就需要對AC軸位置進行同步調整,保證天線的跟蹤功能不受到限制。而調整軸向是一項十分頻繁、繁瑣的工作,頻繁切換會造成方位軸(A)和交叉(C)軸嚴重磨損。因而在實際應用中通常通過設置閥值來降低切換頻率,以保護軸架。具體而言,當調整交叉軸工作點位置時,通過交叉軸搖擺幅度,結合交叉軸的工作范圍來判斷并設定交叉軸偏離靠近限位的閥值。一般交叉軸的工作區間在-50°到+50°,搖擺幅度為30°,因此通常將調節閥值設定為10°,交叉軸的搖擺中心偏離也大約為10°。應用了自適應跟蹤技術的船載衛星可以保證天線在合適的工作范圍內運行,有效避免交叉軸限位,從而保證連續通信。

3 應用有限元模型的天線結構

天線座的方位部分采用轉盤式結構,主要由方位軸承、天線底座、方位轉盤等組成,轉盤式結構的軸向尺寸小而承載能力大,具有較強的剛度和較高的精度。天線的主要承重材料使用45號鋼,天線反射面材料為碳纖維,天線內部各主要部件采用螺栓連接。

構建天線的有限元模型首先需要分析天線的結構型式,并對主要結構件的受力進行簡化,從而對于結構件的材料進行正確賦值,并合理設置天線模型條件和工況載荷,保證簡化模型在結構和功能上與天線的實際工作狀態盡量一致。對于天線有限元模型材料的屬性、劃分方式、邊界條件等參數應當進行多次模擬與修正,以保證模型與真實數據的誤差保持在較小的范圍。

4 天線類型與口徑

船載衛星通信天線通常采用拋物面天線,通信天線主要包括主反射面、副反射面、饋源三大部分。其中,使用副反射面的通信天線的饋源輻射拋物面采用后饋,后饋天線具有結構緊湊、縮小天線罩規模的優點。而天線內部結構、天線罩、通信天線的口徑等因素都極大影響通信頻率。目前,以Ku波段為主的普遍應用在船載寬帶衛星通信天線中。

船舶是一種移動載體,天線只能安裝在空間有限的甲板上,因此必須選擇和安裝合適口徑的天線,而口徑越小的天線所使用的天線罩就越小。隨著衛星資源日益豐富,通信終端產品越來越多的涌入市場,保持較小的天線口徑能保證鄰星之間不會產生干擾,還能有效滿足各種類型船只的使用需求。至于天線口徑應用于船載衛星通信的標準沒有具體要求,只需保證Ku波段不會產生干擾即可入網使用。

確定天線口徑工作完成后,還需要對拋物面天線的電性能指標如接收頻率范圍和增益、發射頻率范圍和增益、交叉極化隔離度、駐波比等參數進行調整。應當注意到,船載衛星通信天線的實際使用環境情況復雜,因此需要配備使用天線罩,而應用了天線罩之后就需要考慮天線罩的影響,以及需要測量帶著天線罩時的工作數據。

5 穩定與電機傳動

船載衛星通信天線的穩定型是結構設計的基礎,對于船載衛星通信天線控制的實現具有重要作用,而船載衛星所采用的電機和傳動方式決定了天線的綜合性能和使用壽命。

5.1 天線穩定型 船載衛星天線不同于普通的固定衛星天線,船載衛星天線需要穩定型結構來實現天線角度的自動調整,使其對準衛星的方向,以實現信號不間斷傳輸。固定衛星天線多采用線極化,需要調整天線的軸線和極化角,以提高天線的收發效率。使用三軸結構的衛星天線要想實現穩定、不間斷通信,需要調整天線的方位角、橫滾角、俯仰角、極化角等同時對準衛星,因此至少使用四個電機。

5.2 電機和傳動 船載衛星通信天線多應用步進電機、無刷直流電機、伺服電機等小型電機。其中,步進電機具有控制簡便、扭矩大的優勢,在低速環境中應用具有顯著優勢,適用于兩軸穩定型天線。無刷直流電機轉速高、跟蹤速度快,適用于三軸穩定型天線,但具有扭矩小、配重要求高、控制難度大等缺點。

而船載衛星產品使用皮帶傳動已十分普遍,皮帶傳動具有平穩、無間隙的優點,尤其是對于震動環境,皮帶可以吸收并緩解船體的震動。

6 小結

總而言之,海上衛星通信的需求與日俱增,且越來越迫切。在設計船載天線系統時,需要結合海上運行環境,應用智能穩定控制算法,保證捕捉衛星的快捷靈敏,保證跟蹤精度。在衛星通信產業快速發展的階段,實現船載衛星通信天線的普及,促進海洋衛星通信的健康可持續發展。