谷立永

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊　050000)

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某4.5m車載天線開環(huán)控制標(biāo)校

谷立永

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050000)

研究了如何通過開環(huán)控制系統(tǒng)完成天線的快速對星，通過對塔電測和大地測量使天線的光軸和電軸重合，通過確定光軸的指向來確定電軸的指向，再將電軸指向與尋北儀和雙GPS等定位定向裝置的讀數(shù)對比，得到電軸指向和定位定向裝置的固定關(guān)系，依據(jù)此關(guān)系修改跟星的控制程序，最終實現(xiàn)開環(huán)控制系統(tǒng)下的快速跟星。

開環(huán)控制；快速對星；尋北儀；雙GPS；對塔電測；大地測量

1　原理

轉(zhuǎn)臺座架有方位俯仰兩個自由度的運動，首先通過調(diào)整載車的支腿，將方位軸調(diào)整到鉛錘，然后再通過對塔測試標(biāo)校兩個自由度的運動。

在重力的作用下，自由的液面只有繞著鉛錘的軸轉(zhuǎn)動才不會晃動，根據(jù)這個原理，將合像水平儀放到一個與方位軸垂直并且可以繞方位軸轉(zhuǎn)動的面上，接觸面必須平整光滑，保證合像水平儀不會晃動，然后轉(zhuǎn)動方位軸使合像水平儀水泡的軸線指向某一個支腿，通過調(diào)整支腿高低和轉(zhuǎn)動合像水平儀的旋鈕使得合像水平儀的水泡處于中間位置，然后轉(zhuǎn)動方位軸使水泡軸線指向另一個相鄰的支腿，此時水泡偏向一側(cè)，通過調(diào)整支腿的高低使水泡回到中間位置，再轉(zhuǎn)動方位軸使水泡軸線指向第一個支腿，水泡偏向一側(cè)，再通過調(diào)整支腿使水泡居中，依此順序反復(fù)進行多次調(diào)整，隨著調(diào)整次數(shù)的增加水泡的偏移越來越小，最后通過合像水平儀讀出偏差，判斷是否滿足指標(biāo)要求。如果經(jīng)過反復(fù)調(diào)整后，合像水平儀讀出的偏差已經(jīng)固定，但是依舊不滿足指標(biāo)要求，這時就需要排查天線重心是否偏出方位軸過多和車架剛度是否不足等因素。

將方位軸調(diào)整到鉛錘之后，就可以進行后續(xù)的標(biāo)校工作。通過伺服系統(tǒng)可以驅(qū)動天線運動，伺服系統(tǒng)也可以讀取定位定向裝置的參數(shù)，但是電軸的指向不確定的，因此伺服只能通過閉環(huán)控制，逐步完成對星工作。如果將定位定向裝置的參數(shù)和電軸的指向關(guān)聯(lián)起來，伺服系統(tǒng)就可以通過開環(huán)的方式完成對星工作。

首先通過結(jié)構(gòu)件的連接使定位定向裝置和電軸的相對位置不再變化，然后通過對塔測試和大地測量可以確定某一狀態(tài)電軸的指向，結(jié)合碼盤讀數(shù)將電軸指向和定位定向裝置的參數(shù)對比，計算出差值，只要定位定向裝置和電軸的相對位置不再變化，差值就不變，然后將差值輸入到伺服控制系統(tǒng)中。標(biāo)校完成后，就可以控制電軸的指向。

2　標(biāo)校說明

2.1天線簡介

以某4.5m天線為例，說明具體的標(biāo)校過程。某4.5m車載天線的用途是驗證衛(wèi)星軌跡是否正確，將天線布置在某一地點，向衛(wèi)星發(fā)射信號，在其它地點接收信號，如果信號強度滿足要求，說明衛(wèi)星軌跡正確。這就要求天線的指向精度很高，而且不能采用通過接收機進行閉環(huán)控制的方法，只能采用開環(huán)控制，這就需要對天線的開環(huán)控制進行標(biāo)校，提高開環(huán)控制的精度。

某4.5m車載天線座架采用半轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，方位機構(gòu)采用雙電機消隙，電機通過減速器和轉(zhuǎn)盤軸承傳動；俯仰機構(gòu)采用螺旋傳動的方式，方位和俯仰同步裝置均使用碼盤讀取角度，同時配備雙GPS定位，通過雙GPS讀取天線的地理坐標(biāo)和雙GPS安裝基線與真北的夾角，夾角記為G；天線外形見圖1。

圖1

天線所在位置固定后，展開天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，電軸與真北的夾角α和與水平面的夾角β是根據(jù)天線的地理位置和衛(wèi)星的軌跡計算出來的，伺服控制的最終目的是使電軸指向正確的方向。天線座架有方位和俯仰兩個自由度的運動，兩個獨立的運動通過對應(yīng)的碼盤讀數(shù)，對應(yīng)的讀數(shù)分別記為方位角A和俯仰角E。

各物理量的關(guān)系為：β=E，α=A+G+δ；其中δ為雙GPS的安裝基線與電軸在水平面投影的夾角，由上述介紹可知，未知量只有δ，標(biāo)校的目的是計算出δ的值。

2.2標(biāo)校的工具和人員

天線必須滿足結(jié)構(gòu)裝配、伺服調(diào)試和電氣測試都合格的條件才能進行標(biāo)校。標(biāo)校工作需要的工具有：信號源、喇叭、頻譜儀、合像水平儀、經(jīng)緯儀(含兩個靶標(biāo))、兩個三腳架、盒尺、三個對講機、水泡、油筆。配備人員需要完成的工作有電氣測試、伺服調(diào)試、操作經(jīng)緯儀、展開收藏天線、移車。

2.3標(biāo)校步驟

圖2

本次標(biāo)校工作在311站進行，場地介紹如下：樓頂有一個大地坐標(biāo)點A，山上有一個大地坐標(biāo)點B，天線車停在B點附近，120m高塔上選一個點C，C點根據(jù)實際情況選取，C點選取后在整個標(biāo)校過程中不再變化，詳見圖2；操作步驟如下：

(1)天線展開，對塔測試；

(2)引大地坐標(biāo)點；

(3)經(jīng)緯儀測量；

(4)計算差值δ，修改程序；

(5)進行驗算。

2.3.1天線展開，對塔測試

天線車停在B點附近的山頭上，地面盡量平坦堅實，車尾對準(zhǔn)C點方向，車輛停穩(wěn)后展車加電，用盒尺測量天線兩側(cè)到車輛兩側(cè)的距離，使天線位于車輛中間，此時將方位碼盤置零。

使用合像水平儀指導(dǎo)車體調(diào)平。首先將合像水平儀放置到方位轉(zhuǎn)盤的上端面上，使合像水平儀水泡的軸線指向左前的支腿，調(diào)整左前支腿和合像水平儀的旋鈕，使合像水平儀的水泡居中，然后轉(zhuǎn)動方位軸，使合像水平儀的水泡軸線指向右前支腿，調(diào)整右前支腿使水泡居中，然后轉(zhuǎn)動方位軸使水泡軸線再指向左前支腿，調(diào)整左前支腿使水泡居中，再轉(zhuǎn)動方位軸使水泡軸線指向右前支腿，如此反復(fù)進行，直到方位軸轉(zhuǎn)動過程中合像水平儀的讀數(shù)在5絲以內(nèi)，此時車輛調(diào)平工作完成。

展開天線準(zhǔn)備電測。攜帶一個三腳架、一個經(jīng)緯儀靶標(biāo)、信號源和喇叭到高塔上，選取一個適合電測的位置定為C點，架設(shè)三腳架，將喇叭安裝到三角架上，用油筆畫下三腳架支腿的位置，用盒尺記錄喇叭中心的高度；山上的人轉(zhuǎn)動天線，用頻譜儀手動對信號，對準(zhǔn)后等待。高塔上的人取下喇叭，將經(jīng)緯儀靶標(biāo)安裝到三腳架上，調(diào)整三腳架高度，使靶標(biāo)高度與喇叭高度一致。

2.3.2引大地坐標(biāo)點

根據(jù)311站大地坐標(biāo)點的分布和場地情況，無法只使用A點和B點完成標(biāo)校，必須通過AB兩點引出C點，通過C點觀察B點完成標(biāo)校。

在A點布置一個經(jīng)緯儀靶標(biāo)，在B點架設(shè)經(jīng)緯儀，由于已知B、A兩點的大地坐標(biāo)，可以算出B對A與真北的角度γ，讓經(jīng)緯儀對準(zhǔn)靶標(biāo)，將經(jīng)緯儀方位讀數(shù)置零，然后順時針轉(zhuǎn)動(360°-γ)，再將經(jīng)緯儀方位讀數(shù)置零，再將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)靶標(biāo)，此時經(jīng)緯儀方位讀數(shù)為γ。再將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)C點的靶標(biāo)，記錄此時經(jīng)緯儀方位讀數(shù)ψ，然后攜帶經(jīng)緯儀到C點。將另一靶標(biāo)安裝到B點的三腳架上。取下C點的靶標(biāo)，安裝經(jīng)緯儀，使經(jīng)緯儀的中心高度和喇叭中心高度一樣，用經(jīng)緯儀對準(zhǔn)B點的靶標(biāo)，將經(jīng)緯儀方位碼盤置零，經(jīng)緯儀順時針轉(zhuǎn)動(180°-ψ)，再將經(jīng)緯儀方位碼盤置零，再將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)B點靶標(biāo)，此時經(jīng)緯儀方位讀數(shù)為(ψ+180°)。

2.3.3經(jīng)緯儀測量

將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)副面的背面中心，目的是使經(jīng)緯儀的光軸和天線的電軸重合。記錄此時經(jīng)緯儀的方位讀數(shù)和俯仰讀數(shù)，分別記為λ和ω。λ=α=A+G+δ，ω=β=E。

2.3.4修改程序

通過碼盤置零的方法使β=E，然后再將天線轉(zhuǎn)到朝天狀態(tài)(E=90°)安裝水泡，并調(diào)整水泡水平， 后期使用過程中如果碼盤損壞，可以通過水泡復(fù)位碼盤的零位。δ=λ-A-G，將計算出的δ的值輸入到程序中，此時天線控制界面顯示的值為電軸與真北的夾角α和電軸與水平面的夾角β。

2.3.5進行驗算

某4.5m車載天線在此次標(biāo)校中計算出的指向精度ε為0.105°，天線對星測試后發(fā)現(xiàn)指向精度為0.1°，與標(biāo)校結(jié)果接近，指標(biāo)要求指向精度小于0.18°，設(shè)備性能滿足要求。

3　總結(jié)

通過電氣對塔測試和經(jīng)緯儀測量使光軸和電軸重合，通過測量光軸的指向角度來確定電軸的指向角度，進而將電軸的指向和尋北裝置聯(lián)系起來，形成開環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)試驗得出開環(huán)系統(tǒng)的指向精度。

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Openloopcontrolofa4.5metervehicleantenna

GULi-yong

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050000,China)

Itisstudiedhowtousetheopenloopcontrolsystemtoaligntheantennatosatellitefast.Theopticalaxisoftheantennaandtheelectricaxisoftheantennaarecoincidentbydoingthetowerelectrictestandgeodeticsurvey.Wecandeterminethedirectionoftheelectricaxisbydeterminingthedirectionoftheopticalaxis.ComparetheelectricaxisdirectionandthereadingofnorthseekinginstrumentorthedoubleGPS.ThefixedrelationshipbetweenthevectoroftheelectricaxisandthevectorofthenorthseekinginstrumentorthedoubleGPSisobtained.Modifythecontrolprogramonthebasisofthisrelationship.Aligningtheantennatothesatellitewiththeopenloopcontrolsystemisfinallyrealized.

Openloopcontrol;Fastalignmentsatellite;Northseekinginstrument;DoubleGPS;Electricaltestingofthetower;Geodeticsurvey

2016-03-27

谷立永(1989-),男，河北石家莊人，助理工程師，主要從事天線座架的結(jié)構(gòu)設(shè)計的開發(fā)研究.

1001-9383(2016)02-0072-04

TN820

A