船載四軸天線的伺服跟蹤方法

張 鳳

（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

隨著天線市場的不斷發展，用戶對天線各種指標的要求也隨之提高，希望整個天線系統簡單便捷，同時也便于使用理解和后期的故障判斷維修。為了準確對準衛星實現通信鏈路的穩定連續，對提高跟蹤精度研究的方法也越來越多。然而，現實情況下，由于各種不可避免的誤差，天線加工的誤差、安裝誤差等導致指向精度低，用戶的使用體驗差?；谏鲜鲈颍瑸椴粩嗵岣吒櫨?、優化各種算法，從大地系到座架系折算的算法也越來越復雜，指向精度有所提高，同時也引入了很多的外界誤差。本文提出了一種四軸天線的伺服跟蹤算法，該算法簡潔易懂、易實現，并且跟蹤精度不丟失。

1 船載天線系統

船載天線系統主要由艙外設備、艙內設備、接收機以及慣導系統組成，如圖1所示。艙外設備包含天線設備，由方位、俯仰、橫搖以及縱搖四軸組成。艙內設備包含天線控制單元，負責采集天線的各種設備狀態信息，接收慣導系統的經度、緯度、航向、橫傾、縱傾數據以及接收機的信噪比、鎖定信號，控制天線完成跟蹤捕獲[1]。

圖1 天線系統組成

2 跟蹤工作原理

2.1 傳統三軸天線跟蹤原理

根據目標衛星的經度以及載體的經度、緯度計算出目標理論指向方位地理角和俯仰地理角，根據計算得出的地理角以及載體的姿態數據，將橫搖、縱搖、航向轉換到甲板坐標系得到方位、俯仰、交叉甲板角，同時能夠隔離姿態的影響，用于引導天線進行理論指向[2]。

衛星理論的方位地理角AZGeo、俯仰地理角ELGeo經過地理坐標系到載體坐標系的變換得到目標的方位座架角度AZDeck、俯仰座架角度ELDeck以及交叉座架角度CroDeck，用于天線的跟蹤。

在跟蹤過程中，天線控制單元根據計算獲得的方位、俯仰、交叉座架角度捕獲到位后，穩定10 s后轉入搜索。搜索過程中，以對星理論角度為搜索中心，同時以一定的速度和范圍分別在方位和俯仰兩個方向上進行兩個周期的步進搜索，搜索范圍可以根據不同的階段逐步縮小或者放大。每次搜索都以上次搜索信號最大點為中心點，直到找到信號的最大點后轉入跟蹤，如果搜索過程中無法找到信號，則轉入穩定指向。

2.2 船載四軸天線介紹

傳統船載天線一般為方位-俯仰兩軸天線或者方位-俯仰-交叉三軸天線，船載四軸天線則是由方位-俯仰-橫搖-縱搖四軸組成，橫搖縱搖用于載體姿態隔離，方位軸和俯仰軸用于跟蹤，跟蹤計算時無需坐標變換。為了能夠實現精準跟蹤，保證通信鏈路的連續，需要對4個軸的零位進行精準標定，直接關系到跟蹤精度的高低。

2.3 機械軸零位標定

天線在加工裝配時，橫搖、縱搖、方位配備了零位孔，選擇符合孔徑的定位銷插進定位孔，定位銷在孔內能夠保持不晃動，此時為機械標校零位。俯仰軸配備了45°的定位孔，定位銷在孔內保持不晃動，此位置為俯仰軸45°。機械標定的過程中存在加工誤差，導致角度有所偏差，為了提高天線的跟蹤精度，需要再次進行信號標定。首先跟蹤不同衛星，多次對比衛星實際跟蹤信號最大值的角度與理論指向角度，得到兩者之間的差值。其次在天線控制單元中配置軟件的標校參數，將上述差值進行修正，進而完成天線四軸的機械標校。

2.4 伺服控制流程

根據天線控制單元設置的星位和收到的定位信息，包括經度、緯度計算目標的理論角度，然后再根據載體的姿態信息，包括航向Heading、橫搖Roll、縱搖Pitch以及在當前位置衛星的方位理論角度AZGeo、俯仰理論角度ELGeo。通過坐標轉換得到天線方位座架角度AZDeck、俯仰座架角度ELDeck、橫搖座架角度XDeck以及縱搖座架角度YDeck。天線的橫搖軸和縱搖軸用于使天線保持在水平的位置，隔離載體的橫傾、縱傾影響，方位軸用于隔離航向的影響，俯仰軸保持理論指向。驅動器驅動方位、俯仰、橫搖、縱搖進行轉動保持目標指向，伺服驅動控制流程如圖2所示，角度轉換的計算方式為：

圖2中，Aj為天線理論角度，Aj0為天線當前角度，As為天線理論速度，As0為天線當前速度，AI為天線理論計算電流，AI0為天線電機實際電流。

圖2 伺服驅動控制流程

天線的伺服驅動控制中，電流環和速度環是提高伺服性能的關鍵因素，主要靠伺服驅動器完成。因此，伺服驅動器的性能優劣也會影響伺服跟蹤精度的高低，電流環通過產生的電流來控制電機，速度環主要用來提高帶寬[3,4]。

2.5 跟蹤流程

天線捕獲到位后轉入到搜索過程（圖3），接收機連續鎖定一定時間后表示搜索成功轉入下一階段，如果接收機未鎖定則先進行小范圍搜索，方位軸俯仰軸在給定的范圍和速度內進行三角形搜索[5]。在此過程中，接收機鎖定則轉入下一階段，否則完成搜索圈數后搜索失敗，結束搜索過程。在跟蹤過程中如果目標丟失則接收機失鎖，保持指向當前位置一定時間，一定時間后若接收機還未鎖定，則轉入重新捕獲，如果接收機重新鎖定，則轉入搜索過程[6,7]。跟蹤流程如圖4所示，搜索失敗后轉入指向跟蹤的流程如圖5所示。

圖3 搜索過程

圖4 跟蹤流程圖

圖5 指向跟蹤流程

3 結 語

四軸天線通過橫搖軸和縱搖軸隔離姿態的影響，保證天線AE始終在水平方向。根據上述設計跟蹤流程可以實現天線的精準跟蹤，保證通信鏈路的連續與暢通。增加的橫搖軸和縱搖軸大大簡化了傳統復雜的坐標變換，并在實際天線的應用實踐中得到了充分驗證，從而實現了理論的產生到實踐應用的整個過程。