短波天線云臺自適應系統研究

摘要： ?為解決電臺在遠距離通信過程中經常出現的信號衰減和噪聲問題，本文通過跨學科研究法、功能研究法、模擬和信息研究等方法，對短波天線云臺自適應系統進行研究。給出了云臺自適應系統功能組成和原理，并根據短波通信在使用過程中的功能需要，在PID控制算法的基礎上，將短波自適應技術同云臺技術相結合，形成一套嶄新的短波云臺自適應系統。該云臺系統可以在跟蹤通聯信號的同時，控制云臺自適應系統內的功能模塊，伴隨信號質量進行隨動調整，以達到提高信號質量、降低噪聲，提高系統魯棒性和保證信號穩定的目的。通過對該系統的研究發現，短波天線云臺自適應系統，可以有效解決短波天線無法在工作過程中進行自適應調整的問題。該系統安裝使用機動靈活，整體具有良好的通用性和適用性。該研究具有較好的應用前景。

關鍵詞： ?短波通信; 自適應技術; 云臺; PID控制算法

中圖分類號： TP273⁺.2; TN822⁺.3 文獻標識碼： A

短波通信是一種借助電離層反射進行傳輸的通信方式，當前在軍事、應急救援、交通航運、宇航等領域發揮著重要作用。短波通信素有“天線一寸長，信號一寸強”的說法，即天線的長度與通聯信號的強度成正比。短波電臺信號遠距離傳輸，要經過電離層的多次反彈方能實現。但信號在天地回彈段一旦遇到干擾，信號就會產生衰減。因此，無線電通信信號質量的好壞，一直是“靠天吃飯”。為提高短波電臺在通信過程中的實際抗干擾能力，過去通常是在天線上加裝自適應降噪抵消裝置[1]，或在系統內添加自適應控制器實時選頻系統[2]，借以達到優化通聯信號質量的目的。上述方法雖然能在一定程度上改善電臺的信號質量，但當電臺需要對天線的工作角度進行實時調整時，系統功能無法滿足需要。傳統短波電臺自適應技術，本質上是一種防止信號傳輸干擾的被動調節方法[3]，隨著現代通信技術的發展，控制系統要求能夠根據干擾情況自主進行主動干預。因此，波束成形技術應運而生，波束成形技術之所以能提升通信質量，主要是依托于其多組天線系統，通過調整多組天線系統發射、接收角度，來達到保證通信質量的目的。但這種調整方法本身具有一定的局限性，在對-40°和20°的干擾信號仿真時，信號有衰減[4]。因此，為滿足對信號質量保障的要求，本研究主要對短波天線云臺自適應系統進行研究。通過采用動態主動干預的云臺天線自適應機電系統，對天線角度進行實時調整，與傳統短波通信控制系統相比，可以在通聯過程中，實現對信號實時監控和算法解析，然后通過控制系統發出調整指令，控制天線云臺完成水平方位角和俯仰角的參數修正，使云臺外裝天線根據信號質量要求同步進行實時調整，達到改善系統信號質量、提升工作效率、遠程遙控和提高抗干擾能力的目的。天線云臺自適應系統可以對信號干擾實施主動干預，使系統通信質量保持相對穩定，使控制系統的魯棒性大幅提高。天線云臺自適應系統整體通用性好，滿足海、陸、空、天等多維空間的使用需求，裝載平臺形式靈活多樣，可以根據不同的功能任務需要，對自身模塊結構單元按需調整轉換，也可以同視覺單元等其他功能模塊進行組合，解決過去短波電臺系統功能單一，模塊固化，調整反應遲滯的問題。因此，該系統是短波天線自適應技術與云臺技術的融合和創新拓展，系統的建構符合當前機電產品集成化、模塊化發展要求，具有極強的應用價值和柔性升級空間[5]。該研究在未來短波通信領域具有很好的發展前景和應用價值。

1云臺自適應系統功能機理

1.1云臺自適應系統功能組成

天線云臺自適應系統主要是通過機電控制單元實現控制功能輸出，系統由控制系統、通用模塊接口、調制解調器、自適應控制器、穩定控制裝置、俯仰角控制單元、轉角控制單元、伺服驅動單元、執行器等模塊單元組成，云臺固定靠固定支座。機電控制單元系統功能的實現，可以通過短波信號處理系統和云臺運動控制系統兩部分完成。云臺系統機電控制單元功能結構如圖1所示。

1.2天線云臺自適應系統功能原理

短波天線云臺系統不同于攝影云臺和視覺追蹤云臺，由于采用天線與云臺連接，云臺作為短波天線工作的載具，必須具有一定的結構穩定性才能保證系統的正常工作。遙控方法基于穩定和可靠性等因素考慮，優先選擇線控。天線云臺既可以安裝在地面固定平臺，也可以安裝在車輛、軍艦等交通載運移動平臺，具有良好的適應性。當天線工作時，短波電臺可以借助移動平臺的固定金屬底板來充當地網，增加反射面積，使整個系統具備通用性好，架設簡單、天線收納方便、不占用空間等優點。

在工作過程中，天線與云臺通過接口模塊連接（標準通用接口），短波信號通過接口模塊進入系統，先經過解調放大處理，而后再經過自適應系統對信號進行降噪消聲和選頻[6]，用以彌補信號在天地回彈傳輸過程中的背噪和衰減，提升信號還原度。經過處理后的信號，一部分傳輸到收發信機，另一部分作為反饋信號回傳到控制系統進行處理。針對回傳信息，控制系統按照通信質量標準要求，對輸入信號進行比較計算處理，將調整指令通過總線發送到遙控端口，并同時向轉角控制單元和俯仰角控制單元發出指令。當控制系統發生意外中斷時，也可以通過人工遙控端完成上述操作。角度調整指令發出后，伺服驅動系統及穩定控制裝置根據指令要求開始工作，針對俯仰角度和方位轉角值進行修正，陀螺儀角度傳感器將檢測到的執行結果進行測量[7]，反饋到調制解調環節，再進行判別、輸送和執行，從而完成全系統的閉環控制流程。

天線云臺系統因為適應的工作環境各不相同，在干擾比較大或對云臺運動精度要求比較高的情形下，特別是安裝在機動載具上的云臺，為保證系統工作的穩定性和可靠性，需要對云臺工作過程中的隨動誤差進行補償[8]，用以提高運動精度，保證通信質量。

2短波天線云臺自適應系統構建

2.1云臺短波信號處理系統

云臺短波信號處理系統，主要是滿足短波信號在工作過程中的降噪和保真需要。云臺在已知擬接收來電信號方向時，為保證短波信號在傳輸過程中不失真、提高信號接收的有效性，可通過自動測向裝置對信號進行識別，辨別輸入信號的質量。同時，也可以采用頻率預測和探測相結合的方法，對頻率進行優選和建構，通過不斷修正自適應響應函數，建立通信鏈路協議，實現對頻率數據的優化[9]。經過處理后的信號與期望信號匹配度更高，信號質量更優。在整個工作過程中，控制系統在不斷的信號匹配和比較過程中，實現“學習”功能[10]。在短波通信自適應跳頻信號時，采用時差定位法也可以實現提高跳頻定位精度，達到改善通信質量的目的[11]。

2.2云臺機電控制單元

云臺機電控制單元，主要是滿足云臺的運動控制要求，使云臺能夠根據調整指令進行相應的工作。機電控制單元系統在控制流程上主要分為控制系統、傳遞系統、執行系統、判別系統和反饋系統5個組成部分，可以對系統內部進行實時動態監測和反饋，實現高精度、自動化、主動控制等要求，形成閉環控制。系統內的檢測和反饋主要是通過陀螺儀角度傳感器，傳感器將接收或反饋的信號輸送到相關控制單元，自適應控制器再對反饋信號進行比較處理，將判別結果分別輸送到執行終端或控制中端。輸送到控制中端的信號，控制系統使用差分進化算法對其進行計算分析[12]，然后控制轉角和俯仰角控制模塊進行伴隨調整、驅動和穩定控制裝置驅動執行器進行響應，保證系統能夠快速、準確的完成控制任務和要求。為保證云臺與天線、收發信機之間能夠進行信息互通，系統內預置多個信息接口。云臺系統外部采用金屬外殼，內部采用框架式結構，云臺內各模塊之間使用總線連接，外部保護罩具有防塵、防雨、防止系統銹蝕等功能。云臺自適應系統工作流程如圖2所示。

天線云臺機電控制單元是整個系統軟件控制的核心，控制單元可以根據收發信號的質量，控制云臺天線進行俯仰角度和方位轉角雙向調節、自我修正，使通聯過程中的信號質量保持相對穩定和可靠。

2.3云臺定位控制方法

云臺若滿足自適應工作需求，首先要滿足對自我定位的要求，要確認當前云臺所處的坐標，根據云臺工作環境，有多種方式可供選擇。如果是在室外，可以通過全球定位系統（global positioning system， GPS）或者借助通信基站來實現;如果在室內，則可以通過超寬帶定位技術（global positioning system/ultra wide band， GPS/UWB）無縫定位技術來實現[13]。GPS天地通聯精度高，但是容易受到地理地貌影響，精度主要是GPS服務商提供的服務和開放精度等級來決定。而采用移動通訊基站，精度則依托于基站信號覆蓋范圍，在邊遠地區信號覆蓋面相對較弱，但調整成本與GPS相比要低很多。在城市及其周邊地區，移動基站的信號覆蓋率相對較高，性價比十分突出，況且經過國家多年的通訊基礎設施建設，我國通訊信號的覆蓋率已經基本實現全面覆蓋。如果在室內，GPS/UWB無疑是最好的選擇，可以借助網絡信號實現無縫覆蓋，定位精度可以達到厘米級。現有的定位技術可以根據現場情況進行任意切換，有利于提高系統的可靠性和定位精度。在云臺使用過程中，當云臺方位坐標確認以后，坐標信息回輸到控制系統后，依托系統內數字羅盤來校正偏差，通過俯仰角和轉角控制裝置，實現云臺的自我角度修正和對短波信號的實施追蹤[14]。

3云臺自適應系統控制實現

在工作過程中，天線云臺自適應系統需要兩套驅動伺服系統以滿足云臺校正角度，伺服電機根據控制系統發出指令，可以在水平方位角和俯仰角方向驅動轉軸，實施定位轉角和俯仰角度的快速修正，滿足短波系統通聯對信號質量的要求。兩軸云臺工作結構如圖3所示。由云臺自身工作需求可知，兩自由度云臺控制系統完全可以滿足系統需要[15]。

3.1云臺運動控制算法

以本系統二軸云臺為例，為滿足對信號自適應的調整需要，特別是機電系統角度隨動調整的需要，采用PID控制算法，具有系統響應快、控制計算方法簡便、抗干擾能力強等優點，在云臺響應過程中，可以凸顯其良好的穩定性和便捷性。當系統工作時，一旦發現信號產生擾動，系統可以及時發出調整指令，控制隨動裝置快速響應，實現穩態控制要求。在PID算法中，比例單元運算可以實現對云臺系統信號增益的放大調節，積分單元可以實現對云臺角度調整的快速響應，而微分單元可以通過運算實現對角度的微動超調。將運算結果經過比較后，傳輸給受控對象執行。但在工作過程中，僅靠單一運算環節難以實現動態系統的穩態控制，而采用串聯校正方法可以解決單一環節穩態控制難以兼顧的問題，使系統在工作中能夠保證整體的動態穩定性。借助PID控制器實現對定位轉角和俯仰角度的控制，PID控制系統結構如圖4所示。為提高控制精度和抗干擾能力，也可以采用模糊PID復合算法控制的方法[16]，使系統在工作過程中既能保證動態穩定性和快速響應，又能將比較環節引起的信號噪音和擾動控制在合理范圍內，形成最佳匹配結果。

為提高控制精度，在天線云臺的控制過程中可以采用復合控制算法——模糊PID控制算法，即模糊智能控制與PID算法相結合的方法，在進行系統誤差修正時，可以提高系統的穩態和精度[17]。但在具體穩態控制環節，還需要先對PID理想狀態公式進行參數離散化處理，將其化為差分方程后，方能求出結果[18]。建立在PID算法基礎上的控制方法，是最簡便高效的控制手段，在實際操作過程中可靠性更高、穩定性更好，也便于技術實現。

3.2云臺控制系統硬件實現

1）為滿足云臺天線系統的自適應調整要求，特別是為保證安裝在移動平臺上的云臺系統穩定性需要，為提高其對角速度的檢測和控制能力，系統中配有微機電系統（microelectro mechanical systems， MEMS）陀螺儀傳感器。通過陀螺儀傳感器擬合平動或轉動響應曲線，可以提高控制穩定精度和定位精度，又可以使系統集成化、小型化[19]。

2）要滿足系統方位轉角和俯仰角的調整需要，系統需要有驅動伺服電機進行工作，保證轉軸和底盤在轉動過程中快速、有效。目前的主要動力設備是使用直流步進電機作為驅動，電機在控制系統的指令下，實現實時微調，滿足通信的需要。

3）控制系統主要使用單片機或開發板，如STM32系列[20]或MINI2440開發板[21]。控制系統具有一定的邏輯運算能力。當有關信息反饋到控制系統后，系統對輸入參數經過比較處理發出控制指令，驅動傳遞系統和執行器進行工作。因為采用單片機、開發板或可編程控制器（programmable logic controller， PLC），使控制系統具備自我修正和主動干預的能力。

4）執行機構是系統運動的末端機構，能通過控制系統發出的指令進行快速響應并完成調整動作，使云臺天線在短時間內獲得最佳的發射和接收角度，保證電臺在工作過程中獲得最佳的通聯質量。

4結束語

短波通信技術伴隨當前的科技發展，在控制手段和控制方法上不斷演進。新的控制理論對傳統的控制方法又是一種豐富和強化，從跳頻、選頻到云臺天線自適應系統的運用，都是在原有技術理論的基礎上進行的復合化拓展和創新，新的控制算法使系統控制響應更快、準確度更高。模糊PID復合算法的出現和使用，使云臺系統的定位精度提高到一個新的量級。天線云臺系統是對改善短波通信質量的一種嘗試，該系統的學科屬性本質上屬于交叉邊緣學科，未來可以結合更新的技術，在工作中自主判斷、自主處理。最主要的是天線云臺系統的通用性強、實現方便，可以根據不同任務需要搭載不同的載具，控制靈活、自動化程度化高，可以滿足閉環控制要求。今后通過對天線云臺系統的深入研究，不但可使短波電臺信號通聯質量更好，而且可以提高控制系統響應速度和控制系統整體性價比，為未來短波通信新技術的繼續深化研究奠定基礎。

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作者簡介： ?李盛（1975），男，學士，講師，主要研究方向為機電交通。 Email： Ls301@126.com

Research on the Adaptive System of Shortwave Antenna PTZ

LI Sheng

（Sichuan Institute of Industrial Technology， Deyang 618500， China）

Abstract： ?In order to solve the signal attenuation and noise problems that often occur in the radio station in the process of longdistance communication， this paper uses interdisciplinary research methods， functional research methods， simulation and information research methods to study the shortwave antenna pantilt adaptive system. The functional composition and principle of the PTZ adaptive system are given. According to the functional needs of shortwave communication in the use process， based on the PID control algorithm， the shortwave adaptive technology and the PTZ technology are combined to form a new set of technologies， say， the shortwave pantilt adaptive system. The pan/tilt system can control the functional modules in the pan/tilt adaptive system while tracking the communication signal， and adjust the signal quality accordingly， so as to improve signal quality， reduce noise， improve system robustness and ensure signal stability. Through the research of the system， it is found that the shortwave antenna pan/tilt adaptive system can effectively solve the problem that the shortwave antenna cannot be adaptively adjusted during the working process. The system is flexible in installation and use， and has good versatility and applicability as a whole. This research has good application prospects.

Key words： shortwave communication; adaptive technology; PTZ; PID control algorithm