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      基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點置位效率的初步研究

      2019-01-21 08:54:10余慶豐汪涉源中國人民解放軍61764部隊海南三亞572000
      關(guān)鍵詞:置位零位限位

      余慶豐,汪涉源(中國人民解放軍61764部隊,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)星的過程是一個動態(tài)的過程,當俯仰角處于接近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。當天線跟蹤所需要的方位角速度大于天線實際輸出的方位角速度時,天線不能正常跟蹤目標,出現(xiàn)跟蹤盲區(qū)?!懊^(qū)”不是天線方位到達不了的幾何位置,而是天線動態(tài)特性指標不能滿足目標在天線座坐標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)動減速裝置、匯流裝置、安全保護裝置等組成,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)整至目標等待點,等待點是天線預(yù)先進入預(yù)測的衛(wèi)星跟蹤軌道位置。一旦衛(wèi)星進入該位置,天線則可以捕獲該衛(wèi)星,實現(xiàn)自跟蹤。天線到達等待點的過程,不參與數(shù)據(jù)收發(fā),因而降低天線等待點置位時間可以進一步發(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,天線跟蹤需求擴大,提高天線使用效能意義重大。

      1 天線等待點置位方法的改進

      等待點置位是天線跟蹤衛(wèi)星過程中重要的一個環(huán)節(jié),常規(guī)的分步置位邏輯簡單、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。

      1.1 天線等待點常規(guī)分步置位方法

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

      (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。第三軸開始運轉(zhuǎn),到達指定角度,制動停止。

      (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,到達指定位置,完成天線等待點置位的主要過程。

      (3)天線狀態(tài)復(fù)位。任務(wù)完成后,天線回歸零位置(三軸同時運行),完成天線初始化,為下一次天線等待點置位做準備。

      1.2 天線等待點常規(guī)分步置位方法的優(yōu)缺點

      天線等待點常規(guī)分步置位方法邏輯簡單、性能可靠,有效地控制了俯仰軸限位的發(fā)生。俯仰軸在機械結(jié)構(gòu)上只能在限定的區(qū)域運動,為了保護裝備,限位是人為設(shè)定的保護機制,當俯仰軸轉(zhuǎn)到運動邊界時會自動觸發(fā),鎖死俯仰軸的運動,避免破壞裝備和發(fā)生人身安全事件[4-5]。天線等待點常規(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)動置位、方位軸逐步向第三軸高點轉(zhuǎn)動置位。在到達俯仰軸限位前,三軸均已轉(zhuǎn)至等待點要求的位置。但天線等待點常規(guī)分步置位方法存在步驟繁多、效率不高的缺點。一個天線等待點置位過程被分解為三個子置位過程,每一個子置位過程都要經(jīng)過天線啟動加速、制動減速、微動調(diào)整三個階段,使得置位時間延長。

      1.3 基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點置位方法

      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過程中,同時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)突破限位閥值的測量角度,導(dǎo)致俯仰軸限位,影響任務(wù)執(zhí)行。如目標俯仰角度(大地角度)為-2.99°,限位角度為-3°,俯仰實際測量角度為-2.99°+Δ,其中Δ為方位和第三軸疊加產(chǎn)生的俯仰測量偏差。Δ既可以是正值,也可以是負值,當Δ為負值時,即可以導(dǎo)致俯仰測量角度小于限位角度(-3°),觸發(fā)限位動作;當?shù)谌S先行運動且到位后,方位和俯仰的置位過程相當于兩軸天線的置位過程,Δ值可以預(yù)測,因而不會觸發(fā)限位,但這種分步置位的方法效率不高。

      針對俯仰軸限位隱患,實現(xiàn)提高效率的目的,提出基于雙引導(dǎo)值的三軸聯(lián)動的置位方法。雙引導(dǎo)值是指天線三軸的測量值和大地值。在天線啟動加速、制動減速過程中使用測量值作為引導(dǎo)天線運動的引導(dǎo)值,在電機微動調(diào)整階段使用大地值作為引導(dǎo)值,同時不再設(shè)置歸零動作,一個任務(wù)完成后,直接置位至下一個任務(wù)的天線等待點置位。

      采用測量值替代大地值作為引導(dǎo)天線運行的參照標準。由于限位角度主要由測量值決定,如果三軸聯(lián)動時,俯仰軸的角度一直保持在測量值的限位邊界內(nèi),那么就不會出現(xiàn)限位的情況。在天線預(yù)測的數(shù)字引導(dǎo)文件中,只有天線的大地系坐標值,為了得到測量系坐標,可以通過(1)、 (2)式的坐標變換得到[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)臺高低兩點連線在水平面投影與大地正北方向之間的夾角,高點對準正北為零度,順時針為正;AC為天線機械軸在斜轉(zhuǎn)臺平面的投影與斜轉(zhuǎn)臺中心和高點連線之間的夾角,順時針為正;EC為天線電軸與斜轉(zhuǎn)臺平面之間的夾角,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。

      在坐標系的轉(zhuǎn)換過程中,存在一定的計算誤差,為了進一步得到更加精確的天線等待點,在完成測量系坐標的初步置位后,按照原有的大地系坐標,再進行一次微動調(diào)整置位。因此,天線等待點整個置位過程可以分為基于測量系引導(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 天線等待點置位時間分析

      2.1 從零位置位的置位時間比較

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

      圖1 三種置位方法的三軸運動情況

      其中,A3(A3'和A3''),A2(A2'和A2''),A1(A1'和A1'')分別代表方位軸、俯仰軸、第三軸運動的角度變化值。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間T1為:

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

      大地引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法中,由于第三軸會對大地系方位角和俯仰角產(chǎn)生影響,導(dǎo)致測量系方位角和俯仰角可能會產(chǎn)生回彈動作。由于回彈動作的存在,俯仰角實際運動范圍大于所需要測量系運動范圍,可能會觸發(fā)限位動作;方位角的運動范圍較大,一般不會觸發(fā)限位動作。大地引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法的置位時間T3為:

      綜上可知,三種置位方法中,雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法具有置位時間短、可靠性強的特點。

      2.2 從非零位置位的置位時間比較

      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,為了進行下一次置位所完成的動作。由于俯仰軸零位點的角度為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置位方法中,天線完成跟蹤任務(wù)后,直接進入下一圈次的等待點。由于減少了回歸零位的時間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符號相反,A2與A5符號相反,A3與A6符號相反,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'表示時間值。

      綜上可知,常規(guī)分步置位方法的置位時間T1為:

      T1=Max (t1, t2, t3)+t4+Max (t5, t6) (6)雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法的置位時間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間T1和雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法的置位時間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置位方法通過三軸聯(lián)動的方式將方位軸、俯仰軸及第三軸的運動時間重疊在一起,壓縮了整體的運動時間。同時減少了天線歸零的步驟,進一步節(jié)約了置位時間。綜合(4)、 (6)、 (7)、 (8)式可知,無論在什么位置開始置位,常規(guī)分步置位方法的置位時間T1均大于雙引導(dǎo)值三軸聯(lián)動置位方法的置位時間T2。

      3 結(jié) 論

      三軸天線等待點置位是天線跟蹤過程中重要的一個環(huán)節(jié),常規(guī)分步置位方法把置位過程進行分解,具有控制過程簡單可靠的優(yōu)點,但同時也存在置位效率不高的缺點。為了解決這一問題,分析三軸天線常規(guī)置位方法的運行流程,確定影響置位時間的關(guān)鍵環(huán)節(jié),提出基于雙引導(dǎo)值的三軸天線等待點置位方法。該方法通過增加并行運動和減少非必要動作等方式壓縮置位時間,包括啟用測量系引導(dǎo)值、采用三軸聯(lián)動置位、取消歸零動作等,同時排除置位方法改變可能帶來的限位隱患。通過置位時間分析,結(jié)果表明,該方法具有置位時間短、可靠性強的特點。

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