車載天線伺服系統技術分析

任金泉，周洪波，蔡文莉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

車載天線伺服系統接收綜控系統發送的載體坐標數據和慣性數據，進行坐標轉換，計算出天線對準衛星的方位、俯仰和極化角。再與天線當前的方位、俯仰、極化的角度進行比較，通過數字校正，輸出控制信號到功放，驅動天線指向目標。隨著載體的移動，發送的數據實時變化，伺服系統計算出的對準衛星的角度也相應的變化，并驅動天線朝目標方向轉動，達到實時跟蹤衛星的目的。車載天線伺服系統采用了擴展CAN通信技術和一種安裝偏差角標定技術。

1 擴展CAN通信技術

CAN總線即控制器局部網，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。具有以下突出特點:①CAN的傳輸速率可到1 Mbit/s;② 具有檢錯和糾錯機制，有自動重發功能;③ 采用獨特的非破壞性仲裁技術，具有CRC校驗功能;④ 連線簡單，可擴展性強。擴展CAN通信協議只包括數據鏈路層和物理層，用戶可自定義應用層協議，具有很大的靈活性。

車載綜控系統采用CAN總線為天線伺服系統提供位置信息和姿態信息，采用了擴展CAN通信技術。

1.1 物理特性和幀格式

伺服系統和CAN接口要求提供120 Ω終端匹配電阻。總線通信速率設置為500 kbps。

CAN通信協議約定了4種不同的幀格式，該系統中使用標準幀格式。CAN首先接收到仲裁場，根據仲裁場的內容判斷所接收到的信號是哪種幀格式，用戶將相應的數據寫入數據場中進行發送，或從數據場中讀取接收到的數據。CAN幀結構中字節1～字節5定義為控制段，用來承載通信雙方的相關控制信息。CAN幀結構中的字節6～13字節定義為正文段，用來承載業務數據或者是控制信息的控制參數。

CAN2.0B擴展幀格式如表1所示。

表1 CAN 2.0B擴展幀格式

1.2 控制區協議

1.2.1 CAN節點地址

綜控系統各單元地址采用8 bit編址方式，綜控系統CAN總線地址中，綜控系統為0X01，伺服系統為0X02。在CAN幀結構中，安排下列CAN地址信息:

ID［28:21］為源地址域:數據發送方的CAN節點地址信息。

ID［20:13］為目的地址域:數據接收方的CAN節點地址信息。

支持優先級機制，低地址CAN節點具有較高的通信優先級。

1.2.2 CAN幀控制信息

ID［12:5］為 CAN幀結構中的控制域，該域用來表示綜控系統CAN網絡上的幀類型，以及控制信息，ID［12:11］表示幀類型，對于幀類型的約定如下:

ID［12:11］=［00］該幀為信息幀，ID［12:11］無定義。當前幀為信息幀時，正文段為通信雙方需交互的正文內容;

ID［12:11］=［10］該幀為控制幀，ID［12:11］為通信雙方進行通信的控制命令。當前幀為控制幀時，正文段的數據為控制幀的相關控制參數。

1.2.3 當前CAN幀狀態

當發送數據超過CAN單幀大小，需要對數據進行分包，采用ID1、ID0來標識當前CAN幀在整個業務數據中的分包情況如表2所示。

表2 當前CAN幀狀態規定

發送數據通過分包形成的各幀需要準確填寫ID［12:11］分包信息，以此來為收端數據組包提供必要信息。

1.3 系統通信流程與應用結果

伺服系統與綜控系統通信流程如圖1所示。

車載天線伺服系統能夠通過CAN2.0B協議實時可靠的接收到綜控系統發送的位置信息和姿態信息。

圖1 伺服系統與綜控系統通信流程

2 安裝偏差角標定技術

由于伺服系統需要綜控系統向其提供北向、當地水平面的姿態角，為保證角度的傳遞精度，首先需要將裝車狀態下天線坐標系與綜控系統本體系之間的安裝偏差角標定出來。下面給出了一種基于光學系統的角度標定技術。

2.1 相關坐標系

2.1.1 車體坐標系

車體坐標系簡稱體軸系，其定義如下:原點在車體質心:O1Y1沿車體縱軸，指向車體前進方向;O1X1垂直于O1Y1軸，指向車體右側;O1X1Y1Z1為右手直角坐標系。該坐標在實際應用中由綜控系統坐標系來代替。

2.1.2 綜控系統坐標系

綜控系統坐標系描述為b系，該坐標系與綜控系統本體固連，由本體安裝基準面確定，在沒有陀螺和加速度表在本體安裝誤差的情況下，其3個軸與陀螺和加速度表的敏感軸平行。

按照裝車位置，綜控系統給出的是車體系相對北向、水平面的姿態角。

2.1.3 天線坐標系

天線坐標系描述為T系，如圖2所示。在天線的安裝基面上刻有安裝基準線，沿車體縱軸方向指向車頭。坐標原點OT在天線的回轉中心，OTYT軸與重合，OTXT軸指向車體右側，OTZT與 OTXT、OTYT軸構成右手直角坐標系。OTZT軸為方位軸，OTXT軸為俯仰軸。

圖2 天線坐標系

2.1.4 坐標系相互關系推導

天線坐標系到綜控系統坐標系的轉換關系如下:①繞x軸逆時針旋轉α角，原坐標到新坐標轉移陣為Rx(α);② 繞y軸逆時針旋轉β角，原坐標到新坐標轉移陣為Ry(β);③ 繞z軸逆時針旋轉γ角，原坐標到新坐標轉移陣為Rz(γ)。

2.1.5 安裝偏差角轉換公式推導

當設備安裝在車輛上，由于機械加工和測量誤差，車體坐標系OTXTYTZT(實際由綜控系統本體坐標系測定)與天線坐標系OTXTYTZT之間必定存在安裝偏差角。如圖3所示轉序定義T系與b系間的方位偏差角 Δφm、滾動偏差角 Δψm和俯仰偏差角 Δγm。

圖3 坐標系轉換圖

因此，T與b系間的轉換矩陣為:

2.2 偏差角標定技術

2.2.1 水平偏差角

由于車體具備粗平20＇，精調平1＇的能力，因此首先將天線安裝基面調平。在此基礎上，綜控系統進行水平傾角測量，測量的角度即可認為是水平安裝偏差角 Δγm、Δψm。

2.2.2 方位偏差角

2.3 實測結果

在衛通天線裝車以后，通過以上坐標標定方案標定偏差角之后，天線方位角和俯仰角與目標實際的角度，偏差控制在6＇以內，滿足系統跟蹤目標要求，保證了鏈路通信。

圖4 方位安裝偏差角

3 結束語

在某車載天線伺服系統的設計和實現過程中，通過對整個系統的CAN2.0B節點和協議設計，將天線坐標系與綜控系統本體坐標系之間的常值偏差角進行標定，滿足了整個系統的功能和性能要求，并在裝車后實現了穩定跟蹤衛星，保證了鏈路暢通。

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