基于AEC 架構的車載兩軸穩定平臺方案

左 鵬，趙春標

（1.中央軍委裝備發展部軍事代表局駐南京軍區第一軍事代表室，南京 210000；2.南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210000）

0 引言

車載兩軸穩定平臺因追求高精度的控制指向，通過選擇高精度的光纖慣導、提高編碼器精度等途徑降低了傳感器的漂移，伺服控制系統的控制性能更多的取決于產品的傳感器精度，為了提高產品的通用性，同時適應于車站動中通平臺轉速慢、慣性大等特點，提出了快速圓錐掃描算法，加快編碼器漂移修復的算法。提高穩定平臺系統指向精度。

1 天線基于車載慣導的控制模式

經過對跑車試驗數據的分析與仿真，結合衛通天線的伺服控制機理與目標跟蹤算法，初步定位為機載慣導的數據誤差或數據傳輸的延時影響了天線的指向精度。下面進行具體分析：

衛通天線系統自檢結束后，依據綜合信息平臺的衛星信息及當地經緯度計算出衛通天線理論俯仰角、理論方位角以及理論極化角。

同時穩定平臺依賴信息慣導信息解算天線的穩定平臺，慣導安裝在載體上，天線初始化后與慣導航向一致。其中定義余弦矩陣，上標b，下標g，為地理坐標系轉到其他坐標系的矩陣，反之則是其他坐標系轉到地理坐標系的矩陣，兩個矩陣互逆。Cgb為載體慣導歐拉角余弦矩陣；Aga為天線理論角度余弦矩陣；Egb為載體慣導與天線安裝誤差角度余弦矩陣；Dba為載體坐標系下方位俯仰極化角需要旋轉的余弦矩陣，即為待求的矩陣。載體坐標系旋轉到天線坐標系，余弦矩陣描述如下：

如果考慮到載體與天線的安裝誤差，則

最后得到載體坐標系下相對方位Ab，相對俯仰Pb和相對極化Rb。其中Egb矩陣中的誤差角度，為天線的方位、側傾和縱傾角度減去慣導的航向、橫滾和俯仰角度。

因此，慣導數據的不精確、編碼器的精度以及傳動回差，都將影響天線的指向。

2 基于快速收斂的的模型分析

天線伺服平臺長時間運行期間，慣導的溫度漂移、衛星軌道的定位誤差等因素都會導致天線的指向精度出現一定的偏差，甚至會嚴重影響天線的使用。為了彌補這些因素帶來的影響，本設計中擬結合天線的圓錐掃描自動跟蹤算法來彌補慣導漂移，提高指向精度。

在圓錐掃描過程中，方位與俯仰的運動服從正余弦曲線規律，且二者相位差值為90°，將方位和俯仰走的軌跡在空間上合成，變成了一個完整的橢圓。

圖1是天線圓錐掃描示意圖，以天線方位和俯仰的指向誤差為x 軸和y 軸，構造二維坐標系。設O 點是天線指向衛星的理論位置，此處指向誤差為零。P 點是天線指向衛星的實際位置，即此處天線方位指向誤差為m，俯仰指向誤差為n。

圖1 圓錐掃描示意圖

當天線以P 點為橢圓圓心，方位掃描直徑為2a，俯仰掃描直徑為2b，A 點為起點，做逆時針方向的橢圓運動時，橢圓上的每個位置點都服從橢圓參數方程函數：

式中，θ 為橢圓角度參數，取值范圍是0°≦θ ≦360°。

相關文獻表明衛星信號強度G 與橢圓上每個點的角度參數θ 具有近似的正（余）弦函數關系。通過推導可以知道圓錐掃描過程中得到的信標理論上符合正（余）弦函數規律。實際上，天線低噪放電路、變頻電路和信標處理單元在射頻處理時會產生隨機噪聲，因此信標X（t）在時域上的表達式可以定義為：

X（t）=A+Bcos（ωt+φ）+z（t） （8）

式中，A 為信標的直流分量；B 為余弦函數的幅值；ω 為余弦函數的角頻率；φ 為余弦函數的相位；z（t）為噪聲信號。

實際應用中，噪聲信號z（t）對信標的影響較大，嚴重干擾了相位值和幅度值在時域的分析計算，導致普通圓錐掃描跟蹤的精度低、速度慢。本發明基于快速傅立葉變換（FFT）數字信號處理技術提取信標信號的頻域特征，充分濾除了干擾信號，極大彌補了信標在時域處理時產生的誤差和抖動缺陷。快速傅立葉變換（FFT）是離散傅立葉變換（DFT）的快速算法，它是根據離散傅立葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

FFT 計算時，假設采樣頻率為Fs，信號頻率為F，采樣點數為N，FFT 之后的結果就是一個為N 點的復數。如果原信號的峰值為A，那么FFT 計算結果的每個點（第一個點直流分量除外）的模值就是A 的N/2倍，每個點的相位就是在該頻率下的信號的相位。

設FFT 計算后的有效點為m，則該點復數Y（m）可以表示為：

Y（m）=Re+Imi （9）

式中，Re 為FFT 計算后該點復數的實部；Im 為虛部。天線調整的相位值修正角度和幅度值計算公式分別為：

3 仿真及跟蹤精度影響

天線控制平臺研制內容主要包括以下幾個模塊：供電單元、伺服控制單元、伺服執行單元、姿態反饋單元、信標數字檢波單元以及機械傳動結構。其中供電單元提供整個平臺的供電；伺服控制單元用于計算角度矩陣并輸出控制信號；伺服執行單元對控制信號做功率放大處理并驅動電機按指令轉動；姿態反饋單元收集慣性單元、水平儀、編碼器的姿態信號作為閉環控制的反饋；誤差產生往往因慣導輸出歐拉角的零漂，編碼器精度，數據轉發的延遲。信標數字檢波單元對射頻信號進行模/數轉換，將處理得到的數據傳給伺服控制單元做信號跟蹤；機械傳動結構作為整個系統的骨架起著支撐平臺機械運轉和機電組合的重要作用。新型天線控制平臺的系統組成與邏輯結構如圖2所示。

圖2 天線伺服平臺架構

其中，慣導數據作為控制模型的輸入，對控制平臺的影響至關重要，同時信標修復算法的修復速度以及于慣導特性的修復匹配決定最終的指向精度。

姿態反饋單元用來采集載體與天線控制平臺自身的姿態信息，共選取了MEMS 慣性單元、1024ppr 編碼器，電機算送比1 ∶102結構組成。

MEMS 慣性單元決定沿用IMU16588-2BD 型號產品，該MEMS 慣性單元輸出頻率為1000Hz，輸出三軸（航向、俯仰、橫滾）角速率與角加速度，主要性能指標如下；

⊙角速率零點漂移：±1o/s

⊙角速率溫度漂移：±0.8o/s

⊙角速率測量范圍：±125o/s

⊙角加速度零點漂移：±20mg

⊙角加速度溫度漂移：±18mg

⊙角加速度測量范圍：±6g

為了減小體積，提高電機的穩定性，編碼器與空心杯電機、減速器經常做成一體化電機。編碼器選型時的指標主要有精度和分辨率，在高精度的伺服控制中，要求編碼器的精度控制在0.05′以內，分辨率在1000ppr以上，F3056與DCX16S 選配的編碼器精度均為0.5o，經過1000 的傳動比之后為0.03′，分辨率為1024ppr，可以滿足天線控制平臺的使用。

在該推導結論的基礎上，借助PID 算法模擬輸出給執行單元。使用六自由度搖擺臺模擬車體的航向、橫滾、俯仰的變化以及三軸橫向的線性加速度。試驗下車體的姿態變化如圖3–圖6所示。

圖3 搖擺臺試驗過程中姿態角度

圖4 搖擺臺試驗過程中三軸側向速度

圖5 未加入跟蹤算法的穩定平臺 信標信號的抖動

圖6 加入修正算法的穩定平臺 的信標信號抖動

圖5為同樣的搖擺條件下未加入跟蹤算法的穩定平臺信標信號的抖動，圖6為加入修正算法的穩定平臺的信標信號抖動。

引入信標快速修正的方案不僅極大地提高了衛通天線的指向精度，同時信號的抖動范圍也顯著降低，跟蹤精度（均方根）從0.6dB 降低至0.25dB。因此，通過基于MEMS 慣導輸出的原始數據進行姿態解算，結合快速傅立葉變換（FFT）數字信號處理技術提取信標信號的頻域特征，可以充分濾除干擾信號，極大地彌補信標在時域處理時產生的誤差和抖動缺陷。基于MEMS 慣導的兩軸信標自動修正的方案是一種較為優化的方案。

4 結束語

在AEC 架構的車載兩軸平臺中，基于MEMS 慣導的信標快速修正模型可以有效修正彌補車載天線慣導漂移、轉發延遲、編碼器精度等產生的漂移，依據衛星信標信號對漂移進行實時修正，極大地提高了天線的指向精度，保證衛星天線指向，同時降低了產品的成本，具有較高的工程及理論價值。