《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)的電平圓錐掃描算法研究

2008-05-30
作者:王繼東,羅武勝,張智永,周春雷

  摘 要: 針對(duì)陀螺長(zhǎng)期漂移,系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持天線波束指向不變的問(wèn)題,提出了電平掃描的補(bǔ)償方法。比較了幾種掃描方式,對(duì)圓錐掃描算法的理論推導(dǎo)、Matlab仿真和極化軸" title="極化軸">極化軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并將圓錐掃描算法應(yīng)用于系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)和移動(dòng)跟蹤,對(duì)實(shí)際采用的控制方式進(jìn)行了介紹,對(duì)算法效能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。
  關(guān)鍵詞: 車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)" title="穩(wěn)定系統(tǒng)">穩(wěn)定系統(tǒng) 圓錐掃描 陀螺 跟蹤


  穩(wěn)定平臺(tái)是用來(lái)使被穩(wěn)定對(duì)象(如瞄準(zhǔn)具鏡頭、火炮炮身、雷達(dá)天線等)相對(duì)某方位保持穩(wěn)定的裝置。其特有的功能是隔離被穩(wěn)定對(duì)象安裝基座的角運(yùn)動(dòng),使其不受影響。主要特征是廣泛采用陀螺作為角運(yùn)動(dòng)敏感元件,所采用的技術(shù)手段歸于慣性技術(shù)研究范疇。
  車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)要求車輛在移動(dòng)中接收衛(wèi)星信號(hào),其核心問(wèn)題是解決如何在車輛運(yùn)動(dòng)顛簸的情況下,保持天線波束指向不變的問(wèn)題,即波束穩(wěn)定問(wèn)題。本系統(tǒng)是一種典型的兩軸瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng),穩(wěn)定原理是在天線俯仰軸上安裝兩個(gè)敏感軸相互垂直的陀螺,區(qū)分敏感天線在方位和俯仰方向上相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng),并將此信號(hào)作為速度反饋,以此實(shí)現(xiàn)回路穩(wěn)定[1]。
  在跟蹤過(guò)程中,由于各種誤差,尤其是陀螺長(zhǎng)期漂移的影響,隨著時(shí)間的推移,天線對(duì)衛(wèi)星的指向難免會(huì)偏離,造成衛(wèi)星信號(hào)的丟失,即僅靠陀螺自身閉環(huán)無(wú)法滿足衛(wèi)星接收對(duì)跟蹤精度的要求,必須建立一個(gè)良好的誤差補(bǔ)償機(jī)制。筆者選擇“陀螺閉環(huán)穩(wěn)定+電平跟蹤”方案,在陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上配以電平信號(hào)跟蹤環(huán),即在跟蹤的同時(shí)監(jiān)控電平信號(hào),根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度輔以掃描,對(duì)天線指向給予相應(yīng)的調(diào)整。方案控制方框圖如圖1所示。

1 各種掃描方式的比較
1.1 固定點(diǎn)的掃描方式
  本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)三種平面電平掃描軌跡:正方形掃描、圓形掃描和漸開線掃描,如圖2所示。由于等分粗糙,步距過(guò)大,這幾種掃描方式均不成功,常找錯(cuò)方向,得不到理想的信號(hào)最大" title="最大">最大值位置。


1.2 平面的機(jī)械圓跟蹤掃描[2]
  天線的方位和俯仰角分別按照正弦及余弦關(guān)系運(yùn)動(dòng)構(gòu)成連續(xù)的圓軌跡,如圖3所示。將圓軌跡256等分,以A為圓心掃描,采集各步信號(hào)大小。確認(rèn)信號(hào)在A→B方向最大后,求出" title="求出">求出方位、俯仰分量,使圓心移到B點(diǎn),繼續(xù)掃描。當(dāng)達(dá)到信號(hào)允許值后,中斷掃描轉(zhuǎn)入最大信號(hào)跟蹤過(guò)程。跟蹤誤差大小主要取決于圓錐掃描角、直流信號(hào)的斜率及傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。


1.3 三維空間圓錐掃描軌跡
  已知極化軸的初始方位角" title="方位角">方位角和俯仰角,以此位置為中心線,極化軸頂點(diǎn)圍繞它以任意半徑走出圓形軌跡,在立體空間內(nèi)形成一個(gè)圓錐形狀,圓形軌跡為圓錐底面,如圖4所示。在一個(gè)圓上等分多步,掃描采集各步信號(hào)大小,一周后根據(jù)信號(hào)最大點(diǎn)強(qiáng)度決定下一步的掃描動(dòng)作,擴(kuò)大掃描半徑或移動(dòng)極化軸繼續(xù)掃描。這種掃描方式的典型特點(diǎn)是在三維空間形成圓錐軌跡,可以在慣性空間內(nèi)找到真正信號(hào)最大點(diǎn)。筆者最終選擇這種掃描方式。


2 圓錐掃描方式的誤差補(bǔ)償算法
2.1 規(guī)劃圓錐掃描軌跡

  對(duì)于方位—俯仰型兩軸穩(wěn)定跟蹤平臺(tái),控制的本質(zhì)是對(duì)方位電機(jī)和俯仰電機(jī)角度的控制。圓錐掃描算法的第一步是從空間解析幾何的角度,規(guī)劃極化軸在慣性空間內(nèi)走出圓錐軌跡,求出圓錐底面圓上任意位置的方位角和俯仰角。
2.1.1 初始條件
  L為極化軸長(zhǎng)度;初始方位角為0;θ0為初始點(diǎn)的俯仰角;β0為圓錐搜索角;Z為方位軸;Y為俯仰軸。
2.1.2 假設(shè)條件
  設(shè)b為搜索步距角,即每一步走的角度,i步后a=i×b,0≤a≤360°。搜索開始,極化軸上抬β0,即方位角不變,俯仰角增加β0,極化軸頂點(diǎn)從O1點(diǎn)到A點(diǎn)。然后做圓錐運(yùn)動(dòng),極化軸頂點(diǎn)軌跡是一圓周,如圖5所示。掃描半徑r=L×sin(β0),β100,B為圓周過(guò)程中任一點(diǎn)。


2.1.3 求解結(jié)果
  俯仰角:
  
2.2 Matlab驗(yàn)證圓錐掃描軌跡
根據(jù)已知求出圓周上各點(diǎn)(即極化軸頂點(diǎn))的方位角和俯仰角,在立體空間做出圖形,如圖4所示。初始俯仰角30°,方位角0°,錐角5°,每周360個(gè)點(diǎn),各點(diǎn)方位角、俯仰角及各點(diǎn)到原點(diǎn)和初始位置極化軸定點(diǎn)的距離如圖6所示。顯然,圓錐軌跡規(guī)劃正確,根據(jù)算得方位、俯仰角可以在三維空間得到圓錐軌跡。
2.3 實(shí)際系統(tǒng)圓錐掃描軌跡驗(yàn)證
  理論和仿真服務(wù)于實(shí)際,希望確保極化軸在慣性空間真實(shí)能走出圓錐軌跡。規(guī)劃圓錐軌跡,通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制電機(jī)動(dòng)作,位置模式保證每點(diǎn)位置,記錄每步方位、俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)值。如圖7所示為旋變后得到的軌跡與理想軌跡的比較(已在三維空間旋轉(zhuǎn))。從圖形可以清楚地看出實(shí)際方位、俯仰電機(jī)所走位置與理想圓錐軌跡相差無(wú)幾。


3 圓錐掃描在靜止間初始對(duì)準(zhǔn)中的應(yīng)用
  在車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)入移動(dòng)跟蹤之前,首先要求在靜止間準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,接收到良好的電視信號(hào)。由于數(shù)字羅盤自身的精度,以及方位、俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)字羅盤的安裝誤差帶來(lái)的影響,經(jīng)過(guò)數(shù)字羅盤測(cè)得的車體姿態(tài)換算成天線的指向角往往與實(shí)際指向角存在一定的偏差。為了準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,使天線在初始對(duì)準(zhǔn)角周圍進(jìn)行圓錐掃描,同時(shí)記錄每個(gè)位置的電平電壓值,從中選定信號(hào)最好的位置,然后驅(qū)動(dòng)天線指向此位置。
  靜止間圓錐掃描的基本思路是:采用較大步距、較大范圍的粗掃描;發(fā)現(xiàn)電視信號(hào)以后,馬上停止鎖定該位置;進(jìn)行較小半徑、較小范圍的掃描,直到確定最佳信號(hào)位置。
4 移動(dòng)跟蹤中“跟蹤+掃描”的控制方式
  車載衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)移動(dòng)跟蹤間的圓錐掃描問(wèn)題集中在三個(gè)方面:(1)穩(wěn)定性。速率陀螺HORIZON所能感應(yīng)到的速率自身有一定的限制,這要求固定頻率下掃描步距不能太大。(2)方向性。圓錐掃描要求保證得到正確的最大值方向,并且盡可能直接指向信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)的最優(yōu)化方向。(3)遞進(jìn)性[3]。當(dāng)信號(hào)丟失時(shí),掃描一周仍然沒有信號(hào),要求增大掃描半徑繼續(xù)掃描。掃描一周得到一個(gè)最大值方向,但不是信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn),要求以新位置為圓心繼續(xù)掃描。
  移動(dòng)跟蹤中的圓錐掃描方案如圖8所示。


  電平圓錐掃描改變了系統(tǒng)控制模式,有效地彌補(bǔ)了微機(jī)電陀螺長(zhǎng)期精度的不足,形成以信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成反饋的大閉環(huán),在根本上消除系統(tǒng)原理誤差。實(shí)驗(yàn)證明,這種電平圓錐掃描算法切實(shí)有效,加入掃描的天線穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)星精度和時(shí)間大大增加。
  目前,天線穩(wěn)定系統(tǒng)在二級(jí)公路上車速達(dá)到80km/h時(shí)能保證衛(wèi)星信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間正常接收,在高速公路上車速達(dá)到120km/h能保證信號(hào)的正常接收。該技術(shù)已經(jīng)能滿足移動(dòng)載體衛(wèi)星通信的要求,正在進(jìn)行工程化和小型化的有關(guān)工作。由于采用低成本的微機(jī)電陀螺作為慣性敏感元件,系統(tǒng)造價(jià)很低,整套系統(tǒng)已接近實(shí)用,具有廣泛的市場(chǎng)前景。
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