車載動中通天線跟蹤技術(shù)的研究

潘良勇 沈桂鵬 陸海帆

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000）

當(dāng)前，衛(wèi)星通信被全球廣泛使用，這種通信方式相較于短波通信，一是通信質(zhì)量高，受低頻信號干擾小；二是通信距離遠，范圍廣；三是系統(tǒng)容量大，易擴展，靈活性高等等，這些特點也使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能必須嚴(yán)苛、可靠。

“靜中通”系統(tǒng)，安裝位置固定。在安裝后，通過手動或者自動控制天線方位軸、俯仰軸、極化軸轉(zhuǎn)動到指定位置，捕獲衛(wèi)星信標(biāo)信號后，就可以長期穩(wěn)定對準(zhǔn)衛(wèi)星并通信。目前在某些固定站、大型“動中通”系統(tǒng)，即安裝在艦船、汽車、飛機等移動載體上的天線設(shè)備在運動過程中能夠穩(wěn)定跟蹤，并實時、穩(wěn)定地傳輸多媒體信息。目前廣泛運用于各類軍用場合、民用場合[3]。不同的場合，受地理位置、環(huán)境影響，收到的擾動也各不相同。為保證天線始終指向衛(wèi)星，天線控制必須滿足相當(dāng)高的精度，才能確保天線穩(wěn)定捕獲信標(biāo)信號。

在目前的車載動中通天線中，跟蹤精度指標(biāo)尤為重要，是影響動中通通訊性能的關(guān)鍵指標(biāo)。目前跟蹤精度包括導(dǎo)航信息測量精度、天線角測量精度、天線角度跟蹤精度三個方面。

1 天線控制精度分析

1.1 天線角度測量精度

天線角度測量精度作為影響天線跟蹤精度的重要因素，測量傳感器選型尤為重要。本文選用高分辨率正交光電式編碼器作為角度測量傳感器，光電式編碼器憑借自身體積小、精度高、無接觸無磨損和抗干擾能力強等特點被廣泛應(yīng)用于各種高精度測量場合。

編碼器中，光電轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，光敏元件產(chǎn)生A、B 相，相差90°的脈沖，并且根據(jù)兩相的相位差得知轉(zhuǎn)動方向，依據(jù)脈沖數(shù)得知轉(zhuǎn)動位置。

1.2 天線角度跟蹤精度

良好的角度跟蹤精度離不開高性能的執(zhí)行機構(gòu)和優(yōu)質(zhì)且匹配的跟蹤算法。

傳統(tǒng)天線一般選用步進電機作為傳動的執(zhí)行器件，但是步進電機普遍存在高轉(zhuǎn)速下扭矩急劇減小和低速共振等缺點。所以本方案放棄了傳統(tǒng)步進電機方案，選用高性能直流無刷伺服電機，相比之下，直流無刷伺服電機具有扭矩不隨轉(zhuǎn)速升高下降和低速運轉(zhuǎn)更穩(wěn)定等明顯優(yōu)點。

在跟蹤算法方面，可采用陀螺、角度解算和衛(wèi)星信號三級反饋穩(wěn)定跟蹤技術(shù)。首先利用導(dǎo)航信息中陀螺角速率反饋信號進行前饋控制，確保系統(tǒng)的及時性；其次使用衛(wèi)星信息和導(dǎo)航相關(guān)信息完成天線指向角度解算，通過對比各軸解算角度與當(dāng)前時刻的實際角度進行二級反饋，確保天線指向角的準(zhǔn)確性；最后將衛(wèi)星信號引入閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于三級反饋確保天線指向角始終處于信號最大位置，再次確保指向精度，可在導(dǎo)航信息準(zhǔn)確性下降的情況下保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及可靠性。

1.3 導(dǎo)航信息測量精度

傳統(tǒng)動中通天線，天線導(dǎo)航信息測量一般采用內(nèi)部BD/INS 組合導(dǎo)航方案，但對于要求重量輕、體積小的小孔徑天線則無法選用較大型的高精度慣導(dǎo)，因此普遍存在姿態(tài)測量精度低，航向漂移等問題。

鑒于上述原因，本天線采用車載高精度導(dǎo)航系統(tǒng)作為導(dǎo)航信息輸入源，有效解決了姿態(tài)測量精度低和航向漂移等問題。但是由于引入了外部車載導(dǎo)航系統(tǒng)，車載導(dǎo)航坐標(biāo)系可能與天線坐標(biāo)系存在一定的安裝偏差，需要再通過算法對安裝偏差進行補償，使導(dǎo)航信息轉(zhuǎn)換到天線坐標(biāo)系后無限接近于真實測量值。

1.4 快速對星和遮擋恢復(fù)設(shè)計分析

對星時間表征為天線由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)需要的時間。本項目使用天線自帶慣導(dǎo)，慣導(dǎo)對準(zhǔn)后，天線根據(jù)接收到的對星信息迅速解算出需要轉(zhuǎn)動的方位角、俯仰角和極化角，為達到對星時間最短，控制系統(tǒng)會同時驅(qū)動方位電機、俯仰電機和極化電機以各自最大速度和加速度進行高速響應(yīng)，使三軸以最短時間到達指定位置。

遮擋恢復(fù)指標(biāo)主要考驗天線在沒有信標(biāo)閉環(huán)條件下導(dǎo)航信息的測量精度。一般情況下，遮擋存在部分遮擋和完全遮擋兩種。部分遮擋時，如樹木、矮小建筑物遮擋，時間短，當(dāng)發(fā)現(xiàn)AGC 值低于閾值且不為0 時，判定存在部分遮擋情況，停止圓錐跟蹤；信號超過時，啟動圓錐跟蹤，這樣操作可以最大限度避免遮擋干擾導(dǎo)致的錯誤調(diào)整，影響跟蹤。完全遮擋時，控制器界面上AGC 值為0，通信中斷，時間較長時，則進入純粹依賴慣導(dǎo)的跟蹤階段[4]。

本文中天線導(dǎo)航信息由天線高精度導(dǎo)航系統(tǒng)提供，天線通訊鏈路中斷并不會對車載導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生影響，此時天線控制系統(tǒng)會進入陀螺加角度解算的二級反饋穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，一旦鏈路恢復(fù)天線可在極短時間內(nèi)完成信號重捕獲，重新進入陀螺、角度解算和衛(wèi)星信號三級反饋穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，并通過衛(wèi)星信號閉環(huán)使信號達到最大[6]。

2 天線測姿方案

從系統(tǒng)上電開始到天線穩(wěn)定鎖定衛(wèi)星、數(shù)據(jù)建鏈成功的時間，是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素之一。為實現(xiàn)天線快速準(zhǔn)確對星，需要獲取較為精確的橫滾角、俯仰角、方位角，代入姿態(tài)解算矩陣，得出天線實際的指向角。而在實踐中，俯仰與橫滾角度值均較小，在模型推導(dǎo)中影響不大，方位角的可靠性和精度尤為重要。

定向測姿有慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，以及組合測姿，各有優(yōu)缺點和應(yīng)用環(huán)境，需要用戶根據(jù)實際情況決定[1]。為保證測姿準(zhǔn)確性，本文提出采用組合測姿方式，優(yōu)勢互補，并信息融合、濾波的解決方案。推導(dǎo)出狀態(tài)誤差模型與信息融合模型，提高系統(tǒng)估算精度。

組合測姿系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)來源為兩個部分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的速度位置測量值和慣性儀表的測量值。慣性儀表的原始數(shù)據(jù)頻率高，也包含了隨機噪聲，通常為高頻部分[2]。利用小波降噪的方法將其減小，將慣性儀表的初始值通過小波變換整理，獲得對應(yīng)的小波系數(shù)，在通過選擇合適的閾值，篩選出原始信號對應(yīng)的小波系數(shù)，同時將噪聲對應(yīng)的系數(shù)減小，這樣原始信號就得到了保留而噪聲信號就得到了消除。再將所有數(shù)據(jù)信息小波逆變換，從而獲得去噪效果明顯的信號[7]。

2.1 狀態(tài)誤差模型建立

搭建慣性和衛(wèi)星組合的高精度測量系統(tǒng)需設(shè)計狀態(tài)誤差模型。考慮到工程實踐中容易實現(xiàn)且適合產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，選用速度組合模式。此模式結(jié)構(gòu)較簡單，且運算量要求低，還可提高系統(tǒng)的可靠性，增強了系統(tǒng)冗余度。當(dāng)北斗和慣導(dǎo)系統(tǒng)中的任何一種失效時，組合系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)提供姿態(tài)信息，從而保證了系統(tǒng)姿態(tài)測量的連續(xù)性。因此選擇5 維狀態(tài)變量的誤差方程和2 維速度的觀測方程。具體如下所示：

2.1.1 選擇速度誤差和姿態(tài)誤差作為狀態(tài)變量，如下所示：

2.2 卡爾曼濾波算法數(shù)據(jù)融合

一般來說，慣性導(dǎo)航存在誤差，如零偏、敏感軸失調(diào)角偏差等等，對正常測姿有干擾。選用卡爾曼濾波算法將二者的測量信息進行數(shù)據(jù)融合，解算出姿態(tài)誤差值。Kalman 計算過程包括濾波計算和增益計算兩個回路，如圖1 所示。

圖1 卡爾曼濾波的兩個計算回路

濾波選擇合適的估計誤差方差陣P、觀測誤差方差陣R 及狀態(tài)誤差方差陣Q，組合周期選取為1s，估計出姿態(tài)誤差的大小。

誤差補償校正有兩種：開環(huán)校正、閉環(huán)校正。對慣性解算出的姿態(tài)需要進行誤差補償校正，如圖2 所示，獲得高精度的姿態(tài)值。選擇輸出校正應(yīng)依據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)而定，根據(jù)本系統(tǒng)的特點，選擇反饋校正方式。

圖2 卡爾曼濾波的兩個計算回路

卡爾曼濾波算法解算過程中，誤差方差陣的參數(shù)調(diào)節(jié)大大影響著誤差值的估計效果。誤差方差陣包括估計誤差方差陣P、觀測誤差方差陣R 及狀態(tài)誤差方差陣Q，P 陣是隨系統(tǒng)實時變化的，Q 陣屬于系統(tǒng)誤差陣，因設(shè)計的系統(tǒng)模型而定，R 陣取決于觀測量的統(tǒng)計誤差即北斗系統(tǒng)的速度觀測量誤差。一般情況下，R 陣可選用定值用于整個系統(tǒng)，考慮到北斗的量測誤差在不同的路況如上下坡、轉(zhuǎn)彎、遮擋等環(huán)境下的誤差值是變化的，因此可根據(jù)實時測量值來估計此陣，達到自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的，進而可提高系統(tǒng)的估計精度，如圖3 所示。

圖3 慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)框圖

通過對慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航的航向角信息的仿真解算，取一定時間段內(nèi)的數(shù)值，并輔以圖形化處理，最終得到圖4 所示的航向角誤差曲線圖。

圖4 航向角誤差圖

從誤差圖可以明顯看出，單單使用衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，航向角精度在0.4°左右；使用慣性導(dǎo)航時，航向角精度在0.2 度左右；使用組合導(dǎo)航時，精度約在0.1 度。數(shù)據(jù)分析表明，組合測姿算法更能有效提高測姿精度。

通過地理系下的衛(wèi)星指向角可生成天線系(a 系)與地理系（n 系）之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，加上組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的融合后的姿態(tài)及航向信息可生成載體系與地理系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，由二者即可得到載體系與天線系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)載體系與天線系通過天線轉(zhuǎn)臺方位、俯仰和極化三軸的轉(zhuǎn)動關(guān)系，即可求得天線對應(yīng)的方位、俯仰及極化轉(zhuǎn)動指令角，從而得到精準(zhǔn)的指向精度。

3 結(jié)論

跟蹤精度是影響動中通通訊性能的關(guān)鍵指標(biāo)。而導(dǎo)航信息中的航向角在衛(wèi)星通信天線穩(wěn)定跟蹤、動態(tài)開通等功能上極其重要。采用單慣導(dǎo)方案時，無法克服零偏、發(fā)散；使用衛(wèi)星導(dǎo)航，連續(xù)性差，可靠性不足；采用組合測姿時，建立模型，并將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合濾波，得到較為精確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，精度提高兩倍以上。因此，采用此種組合測姿結(jié)果可靠。由此經(jīng)過矩陣轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生方位軸、俯仰軸、極化軸準(zhǔn)確的指向角，從而可以大大提升天線跟蹤精度。