光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在“動(dòng)中通”的應(yīng)用

董蓉霞

（中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所陜西西安710065）

車載“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，從行駛在戈壁搓板路面的“神舟”系列搜救車，到行駛在高樓林立的城市公路的公安系統(tǒng)通信車，再到不可知環(huán)境的應(yīng)急系統(tǒng)通信車，林林總總?！皠?dòng)中通”通信系統(tǒng)工作的前提是通信天線要在載車行駛條件下精確對準(zhǔn)衛(wèi)星，而載車的機(jī)動(dòng)性和路面的復(fù)雜性增加了其難度，一方面要求天線響應(yīng)快，在橋梁、樹木、建筑物、山體和隧道等遮擋后迅速完成對衛(wèi)星目標(biāo)的重捕，另一方面在載體劇烈擾動(dòng)時(shí)能精確地自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)[1]。本文通過高精度單脈沖自跟蹤系統(tǒng)和光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在天線控制系統(tǒng)中的聯(lián)合使用，使這一要求得以實(shí)現(xiàn)。

1 天線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高精度的“動(dòng)中通”天線控制系統(tǒng)一般采用的工作方式為偽單脈沖單通道[2]的自動(dòng)跟蹤模式。所謂單脈沖就是在一個(gè)脈沖上可得到完整的目標(biāo)偏離天線電軸的誤差信息，因此響應(yīng)快；偽單脈沖自跟蹤也為零值跟蹤，工作在和信號的最大點(diǎn)，差信號的零點(diǎn)，該處差斜率最大[3]，所以跟蹤精度高，抗顛簸、沖擊、振動(dòng)能力強(qiáng)。“動(dòng)中通”天線的半功率波束寬度較窄，動(dòng)態(tài)條件下沒有航姿系統(tǒng)的引導(dǎo)，自身捕獲衛(wèi)星目標(biāo)的時(shí)效性較差。

光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是一種把光纖陀螺和加速度計(jì)直接連接在動(dòng)載體上測量載體的角加速度分量和角速度分量，航姿處理器根據(jù)車體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系的方向余弦陣，計(jì)算出沿導(dǎo)航坐標(biāo)系3個(gè)軸上的加速度分量，進(jìn)而計(jì)算出載體的航向和姿態(tài)信息[4]。光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是一種輔助式慣性系統(tǒng)，成本低可靠性高[5]，它不具備自對準(zhǔn)功能，利用單脈沖跟蹤系統(tǒng)對衛(wèi)星目標(biāo)高精度跟蹤的角度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)標(biāo)定光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)初值，可以使航姿系統(tǒng)長期保持在高精度的慣性導(dǎo)航水平上。天線控制系統(tǒng)在進(jìn)行衛(wèi)星目標(biāo)捕獲時(shí)，工作方式為航姿系統(tǒng)引導(dǎo)天線指向衛(wèi)星目標(biāo)[6]，目標(biāo)進(jìn)入天線電軸的半功率波束寬度內(nèi)，天線控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到單脈沖自動(dòng)跟蹤模式，完成天線對衛(wèi)星目標(biāo)的捕獲任務(wù)而進(jìn)入高精度自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。高精度單脈沖自跟蹤系統(tǒng)和光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在天線控制系統(tǒng)中的聯(lián)合使用，使“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)天線控制系統(tǒng)設(shè)備同時(shí)具備快速捕星和精確跟蹤的能力。

“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)天線控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 某車載“動(dòng)中通”天線控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)單脈沖自跟蹤支路故障時(shí)，作為一種冗余手段，天線控制單元利用捷聯(lián)航姿系統(tǒng)送出的天線車體角度作為引導(dǎo)命令引導(dǎo)天線，在航姿收斂時(shí)間范圍內(nèi)引導(dǎo)跟蹤目標(biāo)。

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

為了檢查天線對衛(wèi)星目標(biāo)的捕獲能力，測試單脈沖自跟蹤性能和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，在某工程“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)天線控制設(shè)備中進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括在建筑工地、沙石路面、復(fù)雜城市環(huán)境和山區(qū)公路上的顛簸跟蹤性能試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)再捕星試驗(yàn)。

2.1 再捕獲試驗(yàn)

載車在山區(qū)公路以30～80 km/h的時(shí)速運(yùn)行，天線跟蹤東經(jīng)87．5°的中衛(wèi)1號同步衛(wèi)星，在連續(xù)穿越5個(gè)涵洞時(shí)，天線控制單元記錄天線工作狀態(tài)和天線運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。通過圖譜繪制以及所記錄的角度和時(shí)間數(shù)據(jù)分析，檢驗(yàn)天線的再捕獲能力。

數(shù)據(jù)記錄曲線如圖2所示，細(xì)線條記錄的是捷聯(lián)航姿系統(tǒng)在涵洞里引導(dǎo)天線指向衛(wèi)星目標(biāo)的數(shù)據(jù)，粗線條記錄的是天線載車在出涵洞后，單脈沖自跟蹤系統(tǒng)控制天線跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)的數(shù)據(jù)，二者對天線控制趨勢一致，銜接過渡平滑，載車在出涵洞時(shí)天線對衛(wèi)星目標(biāo)的信標(biāo)信號頻率和相位的鎖定時(shí)間不大于2 s。

圖2 山區(qū)公路上天線跟蹤狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線

2.2 抗擾動(dòng)能力試驗(yàn)

載車在開闊不遮擋、無路面、車輛可極限通過的建筑工地復(fù)雜地形條件下以5～35 km/h的時(shí)速連續(xù)運(yùn)行，天線跟蹤東經(jīng)103°的烽火1號02星，以單脈沖自跟蹤方式對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，同時(shí)記錄天線跟蹤接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星信標(biāo)角偏差信號、天線控制單元工作狀態(tài)和天線運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過圖譜繪制，分析出載車在顛簸路面行駛時(shí)天線動(dòng)態(tài)跟蹤的能力。數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 顛簸路面單脈沖自跟蹤方位角運(yùn)動(dòng)曲線

圖4 顛簸路面單脈沖自跟蹤俯仰角運(yùn)動(dòng)曲線

由圖3和圖4可知，載車在顛簸路面分別以順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向行駛，在記錄數(shù)據(jù)將近1 min的時(shí)段里，天線沒有丟失目標(biāo)，始終處于單脈沖自跟蹤狀態(tài)，載車運(yùn)動(dòng)引起天線方位角運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到123．33（°）/s時(shí)，俯仰角運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到48（°）/s時(shí)，天線能夠正常跟蹤衛(wèi)星信標(biāo)。

3 結(jié)束語

通過對某車載“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)天線控制分系統(tǒng)的多項(xiàng)試驗(yàn)分析，表明捷聯(lián)航姿系統(tǒng)與單脈沖自跟蹤系統(tǒng)結(jié)合使用，有效解決了“動(dòng)中通”設(shè)備要求天線控制分系統(tǒng)對衛(wèi)星目標(biāo)捕獲快速和跟蹤精確。該方法的性價(jià)比較高，實(shí)用可靠。

[1]阮曉剛，汪宏武．“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線技術(shù)及產(chǎn)品的應(yīng)用[J]．衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2006（3）：34－37．

[2]沈民誼，蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn)．衛(wèi)星通訊天線．饋源．跟蹤系統(tǒng)[M]．北京：人民郵電出版社，1993：234－237．

[3]馬寧．“動(dòng)中通”常用跟蹤方式[J]．測控與通信，2008，32（120）：43－46．

[4]唐大全，劉錦濤，張博．微型捷聯(lián)姿態(tài)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化儀表，2007，28（1）：15－18．

[5]秦永元．慣性導(dǎo)航[M]．北京：科學(xué)出版社，2006：328－330．

[6]AL－7204－Product－Sheet[EB/OL]．2008．http：//www．orbit－cs．com/uploads/Files/AL－7204．pdf．