一種海面定向天線自動跟蹤系統

崔立廷

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種海面定向天線自動跟蹤系統

崔立廷

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：從海地無線通信系統完成一個空中平臺與多套船載設備之間高速數傳的應用出發，針對空中設備對船載設備無線通信系統目標跟蹤需求，設計了一種基于GPS定位數據的船載海面定向天線自動跟蹤系統，闡述了自動跟蹤系統的實現方案和跟蹤算法。根據本地和目標位置信息，經過實時處理計算出目標相對本地的角度，利用伺服系統驅動定向接收天線，完成對目標的實時自動跟蹤。工程驗證表明，系統具有良好的跟蹤效果。

關鍵詞：定向；天線跟蹤系統；目標跟蹤

0引言

海地無線通信系統完成一個空中平臺與多套船載設備之間的高速數傳，受海面海情的影響，船體不會處于靜止狀態，有不同程度的搖擺和起伏，對于跟蹤設備而言，船載站天線在跟蹤并對準目標的同時，還要抵抗船體的搖擺和起伏，從而增加了跟蹤的難度。

傳統的船載跟蹤天線一般采用在機械穩定平臺進行安裝,該平臺穩定在基于大地坐標的慣性空間,使得跟蹤天線對于大地坐標來說處于相對靜止的狀態,因此保障跟蹤天線穩定的指向，但這種機械平臺設計結構相對來說較為復雜,設計成本昂貴,平臺的精度很難設計保障實現。

跟蹤天線方位和俯仰軸上為了穩定天線時采用補償設計船體搖姿態角,因此設計笨重的使用平臺,從而保障天線設計的精確指向。考慮到計算精度和實際需求，提出了一種基于坐標變換的算法實現天線跟蹤。

1跟蹤控制相關計算

1.1PID控制算法

一般車載系統由GPS接收機、磁羅盤、定向天線云臺和數據采集處理組成，共分為數據采集、隨動控制和機械傳動3部分。比對受控車和指控車的位置坐標，計算兩個坐標的的方位角，磁羅盤輸出實際的方向角，二者進行比較計算得出云臺當前需要轉動的角度。

隨動控制系統部分采用數字PID控制算法[1]，PID控制器通過實時比對系統誤差角度數據(受控車與指控車間方位角與云臺實時的方向角偏差)。通過實際系統的調試，確定PID控制器的參數調整。PID控制調整參數方便，改變結構方式靈活，在工業控制過程中得到廣泛應用和普遍認可。PID控制系統原理圖如圖1所示。

圖1　PID控制系統原理圖

在應用廣泛的PID控制設計中，通過比對測量設計值與給定數值，計算出偏差e(t)，根據偏差計算得出控制作用u(t)。采用時間連續需求類型，PID控制標準方程如下：

原來PID設計的控制器改變PID控制器的積分、微分和比例3個電位器參數實現前面提到的3種參數的設計調整。而多級設計控制網絡的實現得益于現代控制理論的迅速發展并且計算機技術提高和發展。PID控制系統規律融合運行系統當前、之前及下一步的設備狀態信息進行處理。PID控制器各模塊的控制相互影響，僅靠某模塊作用難以實現控制設計要求,確定實際的控制參數需要綜合比對各個控制狀態模塊。PID控制器設計采用精確的數學模型基于受控對象，變參數以及非線性系統的控制系統的設計受到很大的局限。在工業應用生產過程非線性、時變非線性及不確定性，數學建模很難精確建立，采用常規設計的PID控制很難實現準確控制，運行適應性效果也不是很理想。

1.2方位角計算

跟蹤隨動算法是由船載指控設備和受控設備決定天線指向，實時接收GPS送出的設備的定位數據根據跟蹤算法得出定向天線需要轉動的方位角[2]。方位角從某指北方向開始以天線旋轉軸，依順時針方向到目標方向間經過水平夾角。當指控設備定向天線旋轉到對準目標角度時，系統傳輸圖像實現效果最好[3]。依據地球模型給出方位角指向示意如圖2所示。

圖2中A為指控設備位置，B為受控設備目標方向點[4]。二者坐標位置分別表示為(λ1,φ1)，(λ2,φ2)，θ1表示兩設備間的經度差值，θ2表示兩設備間的緯度差值，O表示地心，O1為受控設備當前所在緯度的平面圓心，R表示地球半徑參數，r表示受控設備當前所在緯度平面圓半徑。其中，θ1=|λ1-λ2|，θ2=|φ1-φ2|。

圖2　 gps方位角示意圖

方位角的計算：

由于指控和被控目標的方位不同，方位角T取值如下：

① 指控在目標的東北方向(包括北)時，T=π+∠BAC；② 指控在目標的兩北方向(包括西)時，T=π-∠BAC；③ 指控設備在受控設備目標點的西南位置(包括正南向)，T=∠BAC；④指控設備在在受控設備目標點東南位置(包括正東向)，T=2π-∠BAC；T∈[0°，360°)。

船載指控設備采用慣導地平系下的數引數據，該數據的坐標原點為指控船慣導基準平臺臺體中心，而不是天線座的三軸中心，方位角計算以地球半徑為分母導致數引數據存在視差，并且目標距離越近，視差影響越大[5]。本文對此計算方法進行了改進。

2船載定向天線跟蹤設計

2.1算法分析

設計的定向跟蹤系統搭載裝于船上，分為數據采集處理單元、GPS、定北設備和天線伺服傳動組成。跟蹤設計算法基本原理如下，GPS接收機實時采集導航電文完成地心直角坐標系與地理坐標系解算，計算完成后及時輸出設備的位置信息，包括經度、緯度和高度等定位信息。在通信接收系統中,需要得到載體的地理坐標經度、緯度和高度和真北角等數據。采用GPS二維定位定向系統對定向天線進行方位測量和定位，通過精確測量2個天線間的GPS信號載波相位差值來獲得主副天線的精確位置，再進行數學變換處理，就可獲得天線與真北之間的方位值[6]。

數據處理單元采集接收本地GPS接收機傳輸的實時姿態信息數據，將這些數據進行解析得到本地定位位置信息，并結合空中目標點位置的定位信息數據進行算法處理得出定向天線的方位引導數據，送出目標角度數引值，控制云臺電機的轉動實現天線目標角度的對準跟蹤。

天線伺服控制組合由天線座、伺服控制組成，伺服控制系統接收方位引導數據，控制天線轉動，使定向天線指向空中目標點，實現對目標的跟蹤[7]。跟蹤系統設計如圖3所示。

圖3　跟蹤系統設計

2.2算法改進

通過伺服系統控制方位角和俯仰角，從而控制船載定向接收天線的指向。

船載跟蹤系統受限：由于船載載重限制、伺服設備體積小、船在海面的搖擺，造成限位點附近不能穩定[8]。再者由于船體抖動以及云臺限位0°～370°，不能應用PID控制算法，選用性能/價格比最優或次優的跟蹤方法是選擇跟蹤方式的原則，基于這個原則考慮過零點進行實時調整。

定向天線的指向受限于空中目標點和船載設備的位置，依據本地設備GPS位置信息和空中目標點定位信息解算方位角。定向天線指向空中目標點時，傳輸下行數據實現效果最好[9]。

實際系統設計應用中方位角需要進行調整，基于GPS輸出的磁北角和設備縱軸之間的夾角，該夾角與算法計算的方位角相減，這個角度數值即是定向天線指向轉動的角度[10]。而且針對船載設備相對空中目標點遠近的對于方位角計算的影響，目標距離越近，視差影響越大進行方位角計算調整。

實現船載定向天線利用數字引導的方法與空中平臺天線傳輸，根據船載設備到空中平臺連線與真北的夾角γ，定向天線指向與真北的夾角β，參照天線反射面與北的夾角θ，計算判斷旋轉方向并根據需求調整數據發送幀頻。船載定向天線與真北的夾角如圖4所示。

圖4　定向天線數引方式示意圖

3無線環境測試結果

3.1設備選型

根據船載一般戰技要求，在系統中實現的目標定位誤差為0.006 弧度。

在實際工程中船載定向天線采用四單元螺旋陣列天線圓極化型式實現數字導引，空中和船載定位組合使用北京某公司的慣導和雙天線GPS羅盤。慣導輸出空中目標的俯仰角和橫滾角。雙天線GPS羅盤輸出船載設備GPS定位信息。雙天線GPS接收設計模式通過精確位置信息計算定向、定姿。雙天線GPS定向與電子羅盤定向對比來說，計算數值精度高，電磁干擾影響小等優點。雙天線距離設計一般采用0.5～2 m，缺省間距0.5 m，，基線長度會影響航向精度。基線長設計采用0.5 m，航向精度可以實現0.25°；基線長設計采用1 m，航向精度能實現0.15°；基線長設計采用2 m(最大值)，航向精度能達到實現0.1°。基線長多于2 m算法會錯解甚至無法解算，基線長度增加可以提高定位解算的精度，也會增加定位算法解算難度、時間[11]。系統最終采用2個天線間隔長度為1 m。設備的主要性能指標如表1所示。

表1　性能指標

3.2測試試驗

3.2.1定點測試

測試程序如下：

① 將船載設備平臺與空中平臺設備拉開一定距離(一般選擇大于2 km)，分別放置在點S1和S2，兩點海拔高度差為ΔH，通視距離為d2，水平距離為d1；

② 用手持GPS測出船載設備平臺的緯度、經度(B1,L1)(單位:°)和空中平臺設備的緯度、經度(B2,L2)(單位:°)，以及兩點之間的海拔高度差ΔH；計算出距離ρ(單位：弧度)；按計算出船載設備平臺與空中平臺設備之間的距離；

③ 計算空中平臺設備相對于船載設備平臺的方位值計算出方位K1(單位：弧度)；

④ 將空中平臺天線置于高處，與船載設備平臺天線之間無遮擋無反射；設備加電，使所有設備工作正常；設置伺服設備進入數引方式，驅動天線穩定指向目標方向，記錄此時天線控制組合顯示的方位值；

⑤ 將天線任意偏離該方向30°左右，設置伺服設備進入數引方式，記錄天線穩定顯示的方位值；

⑥ 重復進行步驟，測試記錄N個樣本點。

3.2.2動態測試

距離50～100 km，4級海情，船體行駛速度25 km/h(折合6.94 m/s,該速率不用考慮目標速度帶來的時延)，上節中測試記錄N個樣本點的空中位置和船載位置信息以及實際輸出的方位角進行計算。

空中設備大地高程hs與空中設備到目標點間的距離R有直接關系。目標與船載設備之間的距離R也會影響跟蹤算法的定位精度，定位誤差與距離近似成正比的關系，這也涉及到高程hs對定位算法誤差的影響[12]。

對于經緯度精度的提高可采用蒙特卡洛法用Matlab進行誤差仿真試驗，符合近似正態分布，可以用小波分析剔除較大的誤差值。動態精度誤差對于距離比較敏感，經緯度精度提高對于定位誤差沒進行相關試驗仿真。

試驗結果表明天線方位穩定跟蹤，算法正確可行，系統能與空中目標點保持正常通信。

4結束語

提出了一種基于雙天線GPS定位海面定向天線自動跟蹤系統，控制八螺旋陣列定向天線指向，實現了目標自動跟蹤完成高度數據海面無線高效傳輸的功能。經過系統使用驗證，通信穩定、實時性和可靠性好，數據無線傳輸效果好，具有一定的通用性。跟蹤和方式精度受限于天線座、GPS定位數據以及天線標校精度等因素；跟蹤算法必需要有設備安裝的GPS提供定位數據,一旦載體上GPS系統出現故障,將導致整個通信系統失效，還要考慮跳值、數據融合等對數值進行修補來增強跟蹤系統對使用環境的適應性。

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An Automatic Tracking System for Ship-borne Directional Antenna

CUI Li-ting

(The 54 th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：According to target tracking requirements of land-sea wireless communications system,the thesis develops an automatic tracking device based on GPS for marine directional antenna,and describes its implementation and tracking algorithm.Based on local and target location information，the target angle relative to local location is calculated through real-time processing firstly,then the servo system is used to drive directional receiving antenna to realize automatic target tracking in real time.Engineering verification shows that the system has good tracking performance.

Key words：orientation；antenna tracking system；target tracking

中圖分類號：TP274.2

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-55-4

作者簡介：崔立廷(1974—)，男，工程師，主要研究方向：無人機測控技術。

收稿日期：2016-01-12 國家自然科學基金項目(61101122)

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.15

引用格式：崔立廷.一種海面定向天線自動跟蹤系統[J].無線電通信技術,2016,42(3):55-58.