動(dòng)中通圓錐掃描自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)中通圓錐掃描自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1多媒體信息傳輸船舶“移動(dòng)通信”是一個(gè)可以在移動(dòng)中連續(xù)通信的船舶基站。該系統(tǒng)工作在ku段，并使用了同步軌道（geo）衛(wèi)星。信息種類豐富，能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)靈活，覆蓋范圍大。它可以傳輸聲音、數(shù)據(jù)、圖像和其他媒體信息。它適用于軍事和民用通信中的應(yīng)急通信和應(yīng)急指揮通信，以及在發(fā)生緊急情況的地方的指揮通信。如圖1所示,“動(dòng)中通”天線具有方位、俯仰、橫搖等3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,在驅(qū)動(dòng)器的控制下旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度,對準(zhǔn)衛(wèi)星。在移動(dòng)過程中,由于姿態(tài)和位置發(fā)生變化,會(huì)引起原對準(zhǔn)衛(wèi)星的天線偏離衛(wèi)星,使通信中斷,而且由于天線的波束很窄(通常半功率波束寬度在0.6°～1°之間),因此天線必須保持對衛(wèi)星的高精度跟蹤才能保證與衛(wèi)星的可靠通信。實(shí)踐表明,采用圓錐掃描體制,構(gòu)成天線伺服位置閉環(huán)系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)天線姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤的有效方法。2旋轉(zhuǎn)波束補(bǔ)差器圓錐掃描自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。它采用偏焦且高速旋轉(zhuǎn)的饋源(其旋轉(zhuǎn)部分為副反射面),使天線具有一個(gè)略為偏離軸線的旋轉(zhuǎn)波束。若目標(biāo)偏離軸線,反射信號(hào)強(qiáng)度受旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制,被調(diào)信號(hào)經(jīng)歸一化后,在解調(diào)器中進(jìn)行正交解調(diào),獲得方位和俯仰角誤差信息,并以此誤差信息控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星,構(gòu)成位置閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)天線姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。一般應(yīng)用情況下,反射面、喇叭、副反射面三者的軸線是重合的,在實(shí)際應(yīng)用中,由于極化調(diào)整的需要,副反射面、喇叭及饋線系統(tǒng)通過發(fā)泡材料裝配成一體,在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)下以轉(zhuǎn)速ω2旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。但在圓錐掃描系統(tǒng)中,副反射面頂點(diǎn)位于喇叭軸線上,其軸線與喇叭軸線存在微小夾角θ,并獨(dú)自按較高的轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)(其大小取決于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度),從而形成一個(gè)略為偏離軸線的旋轉(zhuǎn)波束。圓錐掃描系統(tǒng)還要求:喇叭與饋線依然具有極化調(diào)整功能,通過電位器感知極化角度;安裝速度傳感器感知副反射面旋轉(zhuǎn)速度;質(zhì)量輕,振動(dòng)小,要絕對避免共振;各零件具有較高的安裝定位精度;安裝維護(hù)方便。3基于濕地線網(wǎng)的拾遺補(bǔ)償原理圓錐掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難在于:反射面正面除喇叭口以下附近的較小區(qū)域外,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)障礙物(如導(dǎo)線、支撐桿等),以免影響天線增益,這一點(diǎn)對于“動(dòng)中通“這樣的小型天線顯得尤為重要,因此,副反射面旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力裝置與極化調(diào)整一樣,安裝在反射面的背面。然而,反射面背面還要安裝饋線等微波器件,反射面做俯仰、橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)不能出現(xiàn)構(gòu)件干涉現(xiàn)象,這些要求使得設(shè)計(jì)空間非常小。在設(shè)計(jì)過程中采用了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù),以求最大限度地尋找設(shè)計(jì)空間,設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。圓錐掃描系統(tǒng)主要由軸承座、波導(dǎo)、副面軸、喇叭、副反射面、傳動(dòng)元件、轉(zhuǎn)速傳感器以及殼體等組成。波導(dǎo)、副面軸通過軸承安裝在軸承座內(nèi),形成同軸雙回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。副面通過螺紋連接在副面軸端。為了防止副面松脫,螺紋旋向與副面軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。軸承座的下端安裝在一個(gè)由殼體、安裝板構(gòu)成的開式箱形結(jié)構(gòu)上,箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝有圓錐掃描驅(qū)動(dòng)裝置、極化調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置、電位器以及轉(zhuǎn)速傳感器等。極化調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度較低,只在“動(dòng)中通”通信起始階段初始化時(shí)根據(jù)地理位置、收發(fā)極化方式不同做適當(dāng)調(diào)整,待饋線轉(zhuǎn)至適當(dāng)角度(通過電位器感知)時(shí)即停止運(yùn)動(dòng),因此極化調(diào)整使用大速比減速電機(jī)通過開式齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。與極化調(diào)整不同,“動(dòng)中通”圓錐掃描運(yùn)動(dòng)具有較高的轉(zhuǎn)速(通常達(dá)到500～600r/min,其轉(zhuǎn)速越高,天線跟蹤精度越高,取決于控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度),要求轉(zhuǎn)速波動(dòng)小,并且處于長時(shí)間工作狀態(tài),具有更高的可靠性和減震要求。因此圓錐掃描運(yùn)動(dòng)采用微型直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、同步帶傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、效率高、張緊力小、軸承承受壓力小、瞬時(shí)速度均勻、噪聲小、無需潤滑、減震性能好、安裝容易等優(yōu)點(diǎn)。極化調(diào)整裝置與圓錐掃描旋轉(zhuǎn)裝置的傳動(dòng)元件在徑向、軸向均錯(cuò)開安裝,在極小的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的功能,有效降低了系統(tǒng)質(zhì)量?；谀K化設(shè)計(jì)思路,圓錐掃描系統(tǒng)所有零件被裝配成一個(gè)緊湊可拆的、便于維護(hù)的單獨(dú)部件,安裝時(shí)只要旋下其上端的副面,就可以從反射面背面穿過安裝孔,采用螺紋聯(lián)接的方法準(zhǔn)確可靠地安裝在反射面上。4副面的設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)“動(dòng)中通”天線被安裝在交通工具上,工作時(shí)天線始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),天線反射面的輕微振動(dòng)就可能引起通信中斷,因此天線安裝時(shí)的減振措施非常重要。但是圓錐掃描機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位引入了振動(dòng)源,消除或減輕圓錐掃描運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)非常重要。圓錐掃描運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)來源于構(gòu)件的質(zhì)量不平衡及傳動(dòng)。如前所述,使用同步帶傳動(dòng)有效地降低了由于傳動(dòng)帶來的振動(dòng)。為了有效降低由于質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的振動(dòng),所有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件均被設(shè)計(jì)成質(zhì)量對稱的零件。由于高速旋轉(zhuǎn)的副反射面為較長的懸臂結(jié)構(gòu),同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求又必須采用偏心結(jié)構(gòu),從而成為減振設(shè)計(jì)的主要研究對象。圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)要求,副面軸線與喇叭軸線存在微小夾角θ。但出于制造工藝的需要,根據(jù)等價(jià)無窮小原理,副面采用偏心安裝(偏心距為e)代替傾斜安裝。副面及副面座通過發(fā)泡材料牢固地聯(lián)接成一體,如圖4所示。為了使副面相對于喇叭軸線保持質(zhì)量平衡,在副面背面專門設(shè)計(jì)了用于平衡的凸塊,其主參數(shù)為R1,如圖5所示。通過調(diào)整參數(shù)R1的大小,可實(shí)現(xiàn)副面的質(zhì)量平衡。為了在設(shè)計(jì)上精確控制副面質(zhì)心位置和質(zhì)量,在副面設(shè)計(jì)中采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,即尋求設(shè)計(jì)變量R1,滿足:式中:R1—副面平衡凸塊主參數(shù);Mass—副面質(zhì)量函數(shù);COG--副面質(zhì)心函數(shù)。副面的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過VB對CAD、Matlab的二次開發(fā)編程實(shí)現(xiàn)的,具體過程如下:(1)對參數(shù)R1在取值范圍進(jìn)行離散化處理,獲取參數(shù)R1取不同值時(shí)的質(zhì)心位置及質(zhì)量,得到一個(gè)參數(shù)R1、質(zhì)心位置、質(zhì)量矩陣。(2)在Matlab中使用線性擬合方法得到質(zhì)心位置、質(zhì)量以參數(shù)R1為自變量的表達(dá)式。(3)在Matlab中使用優(yōu)化設(shè)計(jì)工具進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。(4)將獲取的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果代回到副面模型中,完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)參數(shù)R1大小為24.82時(shí),副面質(zhì)心正好落在喇叭軸線上,此時(shí)副面質(zhì)量最小,僅為12.4g。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法同樣可以用于多個(gè)可變參數(shù)的情形,以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其它方面。用于聯(lián)接副面與副面座的發(fā)泡材料是一種密度很小(<0.1×103kg/m3)、具有一定硬度的松脆塑料,長時(shí)間的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致副面從副面座上脫落,因此在設(shè)計(jì)中也設(shè)想了一種表面涂覆的新工藝方案取代現(xiàn)有的副面零件,方法是:當(dāng)發(fā)泡完成后,取下副面,在發(fā)泡材料上形成副反射面曲面,在該曲面上涂覆金屬材料替代副面工作表面,這樣做可使圓錐掃描系統(tǒng)質(zhì)量更輕,振動(dòng)更小,工作更為可靠。該工藝方法目前正在試驗(yàn)階段。前面僅討論了圓錐掃描系統(tǒng)的靜平衡設(shè)計(jì),實(shí)際上,在系統(tǒng)裝配完成后,還必須做動(dòng)平衡試驗(yàn),以期達(dá)到最好的減振目標(biāo)。5動(dòng)中通系統(tǒng)性能測試采用圓錐掃描系統(tǒng)的船載“動(dòng)中通”于2003年在福