動(dòng)中通關(guān)鍵技術(shù)研究

趙勇 葉鑫

摘要：本文結(jié)合動(dòng)中通的性能特點(diǎn)，探討了動(dòng)中通技術(shù)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用，對(duì)相關(guān)技術(shù)在其中的應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的研究分析。

關(guān)鍵詞：動(dòng)中通;現(xiàn)代通信;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0014-02

0 引言

動(dòng)中通是一種特殊的衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)，能夠在車(chē)輛、艦船、飛機(jī)等載體移動(dòng)過(guò)程中始終保持對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，從而保證衛(wèi)星通信連續(xù)不中斷，系統(tǒng)框圖如圖1所示。隨著移動(dòng)多媒體等現(xiàn)代衛(wèi)星通信需求和技術(shù)的發(fā)展，基于動(dòng)中通技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)在軍事、應(yīng)急、電信等諸多領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 動(dòng)中通的主要特點(diǎn)

根據(jù)天饋技術(shù)的不同，可以將動(dòng)中通分為拋物面型動(dòng)中通、喇叭陣平板動(dòng)中通和相控陣動(dòng)中通等，根據(jù)載體的不同，可以將動(dòng)中通分為車(chē)載動(dòng)中通、艦載動(dòng)中通和機(jī)載動(dòng)中通等。

總體來(lái)看，動(dòng)中通的主要特點(diǎn)包括：（1）指向保持：天線能夠依靠指向記憶功能，在載體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致瞬間中斷后保持精確的指向;（2）極化自動(dòng)跟蹤：當(dāng)載體駛出盲區(qū)后能夠快速跟蹤衛(wèi)星，恢復(fù)通信;（3）快速捕獲：初始捕獲和丟失信號(hào)再捕獲均可在幾秒鐘內(nèi)完成。（4）多頻段：主要工作頻段包括C，X/SHF，Ka，EHF等。

2 動(dòng)中通關(guān)鍵技術(shù)

2.1 天饋原理與技術(shù)

動(dòng)中通天線主要可分為幾種：（1）拋物面型：可采用高效率變焦橢圓波束天線設(shè)計(jì)技術(shù)，形成拋物面或切割拋物面型的反射面，降低天線安裝高度，一般采用碳纖維反射面，減輕重量，可選擇陀螺、慣導(dǎo)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定，選擇單脈沖、信標(biāo)極值方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤，優(yōu)點(diǎn)是增益高，缺點(diǎn)是難以做到低輪廓。（2）喇叭陣平板型：采用喇叭陣及波導(dǎo)合成、分配技術(shù)，形成平板型的天線面，降低天線安裝高度，可采用電鍍注塑工藝，減輕平板重量，選擇陀螺、慣導(dǎo)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定，一般選擇信標(biāo)極值方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤，優(yōu)點(diǎn)是增益比懸置帶平板天線高，缺點(diǎn)是平板較厚，波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。（3）固定方向型：采用收發(fā)分離的相控陣天線，三個(gè)子陣發(fā)射，一個(gè)子陣接收，綜合應(yīng)用INS慣導(dǎo)模塊、GPS和AGC電平實(shí)現(xiàn)天線的穩(wěn)定跟蹤。（4）可調(diào)方向型：該型動(dòng)中通有若干片接收天線和若干片發(fā)射天線，基于相控陣天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線的空間波束合成，體積得到有效縮小，方位采用機(jī)械掃描，俯仰采用機(jī)電混合掃描，綜合利用GPS、陀螺、頻蹤、傾角傳感器等實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定和閉環(huán)跟蹤，完成系統(tǒng)的高速動(dòng)態(tài)跟蹤。（5）柱面型：綜合應(yīng)用INS慣導(dǎo)模塊、GPS和AGC電平實(shí)現(xiàn)天線的穩(wěn)定跟蹤。

2.2 穩(wěn)定跟蹤原理與技術(shù)

（1）慣導(dǎo)跟蹤：采用開(kāi)環(huán)方式，可利用激光或光纖陀螺獲得天線載體的精確姿態(tài)，也可首先用中低精度慣導(dǎo)確定航向，再利用DGPS對(duì)航向進(jìn)行精確校準(zhǔn)，獲得天線載體的精確姿態(tài)，從而控制天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。利用激光或光纖陀螺獲得天線載體的精確姿態(tài)，對(duì)系統(tǒng)精度要求較高，激光陀螺和光纖陀螺都是光學(xué)陀螺，都是基于薩格奈克效應(yīng)，不同的是一個(gè)在諧振腔中傳播，一個(gè)在光纖中傳播。激光陀螺光在諧振腔中傳播，受外界影響小，因此精度較高，但諧振腔成本昂貴。光纖成本低，但是易受溫度變化造成的熱脹冷縮不均以及纏繞時(shí)張力變化影響。首先用中低精度慣導(dǎo)確定航向，再利用DGPS對(duì)航向進(jìn)行精確校準(zhǔn)，獲得天線載體的精確姿態(tài)，這種方法對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度要求不高，同時(shí)，DGPS的精度與基線長(zhǎng)度密切相關(guān)，基線越長(zhǎng)，精度越高，且在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)精度較高，靜止時(shí)精度較差，初始尋星時(shí)所需GPS衛(wèi)星數(shù)量較多，遮擋嚴(yán)重時(shí)工作受限[1]。（2）單脈沖跟蹤：采用閉環(huán)方式，首先，通過(guò)陀螺或電子羅盤(pán)和GPS的引導(dǎo)，天線能夠基本對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，之后再利用天線接收的差信號(hào)驅(qū)動(dòng)天線減小誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的高精度跟蹤。單脈沖跟蹤需要信道箱、單脈沖跟蹤接收機(jī)和模耦合器，對(duì)接收機(jī)的靈敏度要求較高，天線口徑小，跟蹤范圍在3分貝波束寬度內(nèi)，如果天線受到遮擋收不到衛(wèi)星信號(hào)或者因載體姿態(tài)快速變化超出跟蹤范圍均會(huì)導(dǎo)致跟蹤失敗，此時(shí)必須利用外部設(shè)備進(jìn)行引導(dǎo)，恢復(fù)到跟蹤范圍內(nèi)，才能繼續(xù)實(shí)施跟蹤，其系統(tǒng)可靠性一般。（3）信標(biāo)極值跟蹤：采用閉環(huán)方式，首先，通過(guò)電子羅盤(pán)和GPS的引導(dǎo)，天線能夠基本對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，之后再利用接收的信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)掃描，完成天線對(duì)星，載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用超前控制、專(zhuān)家?guī)斓燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的高精度跟蹤。由于不需要高成本的慣導(dǎo)和單脈沖接收機(jī)，所以采取這種跟蹤方式成本相對(duì)比較低，但系統(tǒng)控制較為復(fù)雜[2]。

2.3 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的測(cè)控方案

動(dòng)中通的功能實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)控的高效穩(wěn)定，既要確保天線的跟蹤精度，又要解決信標(biāo)丟失后的天線跟蹤問(wèn)題，所以單獨(dú)采用哪一種技術(shù)都難以滿足系統(tǒng)的使用要求，需要綜合利用上述穩(wěn)定跟蹤原理和技術(shù)，采用開(kāi)環(huán)穩(wěn)定、閉環(huán)跟蹤、傳感器融合的綜合測(cè)控方案，既滿足動(dòng)中通功能實(shí)現(xiàn)的要求，又不依賴GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，從而保持較強(qiáng)的抗干擾能力，其基本控制原理如圖2所示[3]。

開(kāi)環(huán)穩(wěn)定主要是利用慣性測(cè)量組合模塊獲取的信息對(duì)天線進(jìn)行控制，以隔離載體的瞬間擾動(dòng)對(duì)天線指向的影響。通過(guò)慣性測(cè)量組合模塊測(cè)量載體的角速率和線加速度，經(jīng)過(guò)慣性傳感器去噪、姿態(tài)估計(jì)算法和跟蹤信息陀螺誤差校正后，獲得姿態(tài)角和角速率信息。為了對(duì)不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，盡量克服其對(duì)姿態(tài)估計(jì)的影響，可以應(yīng)用姿態(tài)估計(jì)算法，快速獲取并準(zhǔn)確跟蹤陀螺零偏，同步獲取準(zhǔn)確的角速度信號(hào)。開(kāi)環(huán)穩(wěn)定在伺服工作的環(huán)路上主要體現(xiàn)為穩(wěn)定環(huán)和位置環(huán)，其中穩(wěn)定環(huán)的機(jī)理是隔離方程，利用組合姿態(tài)確定模塊提供的角速率直接投影到天線坐標(biāo)系進(jìn)行補(bǔ)償，保持波束在慣性空間指向穩(wěn)定，位置環(huán)穩(wěn)定則是由組合姿態(tài)確定模塊獲取的載體姿態(tài)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到天線指向角，在位置環(huán)路上實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)穩(wěn)定。單獨(dú)采用開(kāi)環(huán)穩(wěn)定時(shí)，慣性器件、伺服系統(tǒng)的漂移以及其它系統(tǒng)因素的影響，會(huì)導(dǎo)致天線波束逐漸偏離衛(wèi)星波束中心，這就需要利用閉環(huán)跟蹤對(duì)天線指向進(jìn)行校正，從而保持天線準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星。

3 結(jié)語(yǔ)

為了使動(dòng)中通的性能達(dá)到最優(yōu)，除采用合理的測(cè)控方案外，還可以綜合加速度計(jì)和陀螺各自的優(yōu)點(diǎn)，形成互補(bǔ)濾波器，使得在整個(gè)運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)，載體傳感器敏感測(cè)量獲得的值相對(duì)比較準(zhǔn)確，使天線的穩(wěn)定跟蹤能力得到最大化保證。另外，可以根據(jù)陰影時(shí)間與基于姿態(tài)測(cè)量建立的軟基準(zhǔn)保持的精度，以自適應(yīng)的方式設(shè)置搜索窗口，基于陀螺信息實(shí)現(xiàn)波束指向保持，在陰影狀態(tài)下自適應(yīng)在窗口范圍內(nèi)搜索衛(wèi)星信標(biāo)，較好地解決重捕獲問(wèn)題，在遮擋消失后快速捕獲衛(wèi)星恢復(fù)正常通信。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秉鈞.現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 張亞男.低成本動(dòng)中通測(cè)控系統(tǒng)姿態(tài)估計(jì)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[3] 林衛(wèi)民.信息化戰(zhàn)爭(zhēng)與衛(wèi)星通信[M].北京：解放軍出版社，2005.