車載動(dòng)中通技術(shù)的應(yīng)用

車載動(dòng)中通技術(shù)的應(yīng)用

0uhf段車載“動(dòng)中通”系統(tǒng)的研究與探索

在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下衛(wèi)星通信的技術(shù)統(tǒng)稱為''運(yùn)動(dòng)中心”技術(shù)。該技術(shù)的核心是伺服穩(wěn)定與跟蹤

技術(shù)。

近幾年國外“動(dòng)中通”設(shè)備開發(fā)很快，海事衛(wèi)星車載站、船載站、機(jī)載站、移動(dòng)通信車載

站、移動(dòng)車載單收站等已形成產(chǎn)品并推向市場。在國內(nèi)，有多家單位都在致力研發(fā)車載

“動(dòng)中通”系統(tǒng)，并已取得了初步的成功，例2.2mUHF段車載相控陣天線系統(tǒng)、1.2m車載

單收站、車載0.6m引進(jìn)產(chǎn)品改進(jìn)型等產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品存在著這樣或那樣的明顯不足:①

工作頻段低；②天線運(yùn)動(dòng)速度慢;③運(yùn)動(dòng)范圍有限；④座架諧振頻率低；⑤跟蹤速度慢；⑥初

始捕獲和重新捕獲時(shí)間長;⑦天線口徑小，通信業(yè)務(wù)量少等。

1透平固結(jié)構(gòu)進(jìn)路系統(tǒng)

車載“動(dòng)中通”要解決的核心問題是克服車體在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)天線產(chǎn)生的搖擺、沖擊、

顛簸等全頻帶的干擾。這種干擾要比船載、機(jī)載受到的干擾嚴(yán)重的多。

根據(jù)“動(dòng)中通”車載站將主要用于野外作業(yè)的特點(diǎn)，其工作路況會(huì)在4級(jí)以上（或稱之為等

外級(jí)），例如在河灘、草原上作業(yè)等。為弄明白車輛在越野時(shí)的顛簸情況，我們選擇車型為

EQ2102的越野車進(jìn)行了越野跑車試驗(yàn)。

對(duì)于頻率較高的干擾,因幅度較小,再加上系統(tǒng)的隔離,其對(duì)天線的影響較小，因此,綜合考

慮后，“動(dòng)中通”系統(tǒng)可選取最大干擾速度為120°/s,最大加速度值為1420°/s2。這個(gè)

速度遠(yuǎn)比汽車爬坡、轉(zhuǎn)彎引起的天線調(diào)整速度（一般不大于10°/s）要大得多。所以，該速

度可作為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。

2a-e座架的穩(wěn)定系統(tǒng)

天線通常工作在Ku波段。天線口徑的大小取決于通信業(yè)務(wù)的多少。目前的通信業(yè)務(wù)一般

不限于通話，數(shù)據(jù)、傳真、圖像的傳輸要求越來越普遍，因此對(duì)天線的增益要求比較高。

1.2~1.8m天線可以滿足通信的要求。根據(jù)衛(wèi)星通信中跟蹤精度應(yīng)滿足W（rms）的規(guī)定,可

以求得伺服跟蹤系統(tǒng)的精度指標(biāo)為：

在我國國土范圍內(nèi)，衛(wèi)星地球站的俯仰工作角度W70°,因此天線的座架型式應(yīng)為A-E型式。

為確保穩(wěn)定系統(tǒng)的寬帶特性,A-E座架各軸的諧振頻率越高越好,其設(shè)計(jì)值應(yīng)218Hz。如果

按A、E二軸向等同考慮,各軸穩(wěn)定系統(tǒng)的隔離度為：

大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明，采用常規(guī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，3=4n處,系統(tǒng)的開環(huán)增益做到20dB已是非常

困難。因此要實(shí)現(xiàn)43dB的隔離度要求不采取特別的技術(shù)措施是不行的。下面提出相關(guān)的

可行性設(shè)計(jì)方法。圖1中的L3是伺服系統(tǒng)所期望的伯德曲線。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1“自身穩(wěn)定”方式的比較

穩(wěn)定方式是指控制對(duì)象(天線)相對(duì)慣性空間指向保持穩(wěn)定的方式。穩(wěn)定方式從選取不同的

慣性基準(zhǔn)可以分為許多種，比如有重力穩(wěn)定、水泡穩(wěn)定、飛輪穩(wěn)定、陀螺穩(wěn)定、慣性平臺(tái)

引導(dǎo)等等。穩(wěn)定方式從慣性基準(zhǔn)信號(hào)的選取出不同還可分為“外引導(dǎo)”方式和“自身穩(wěn)定”

方式，重力、水泡、飛輪、陀螺等穩(wěn)定方式屬于自身穩(wěn)定的范疇，靠羅徑、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定

是外引導(dǎo)方式的范疇。

如果采用“外部引導(dǎo)”方式，需要配備精度高,能實(shí)時(shí)提供汽車姿態(tài)的慣導(dǎo)平臺(tái)系統(tǒng)，但其

造價(jià)太高?！白陨矸€(wěn)定”方式則采用陀螺等直接敏感汽車姿態(tài)的變化,該方式對(duì)外部設(shè)備

依賴性小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，造價(jià)低。因此“自身穩(wěn)定”方式優(yōu)勢比較明顯。表2是二種方式的比

較表。

由表2可知，陀螺自身穩(wěn)定是一種較好的穩(wěn)定方式,因此在“動(dòng)中通”系統(tǒng)中可采用這種方

式。圖2是陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的原理框圖。其中Or為車體干擾輸入，為天線軸速度輸出。

根據(jù)圖2和系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析,采用頻率響應(yīng)法可以畫出陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的理想伯德圖，見

圖1中的口。

由伯德曲線L1可知，陀螺自身穩(wěn)定為系統(tǒng)提供的隔離度僅為17dBo這個(gè)隔離度指標(biāo)和系統(tǒng)

要求的隔離度指標(biāo)243dB還相差很遠(yuǎn)。因此,進(jìn)一步提高隔離度指標(biāo)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心

問題。提高隔離度的實(shí)質(zhì)是如何在基本陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上拓展系統(tǒng)的帶寬,進(jìn)一步提高系

統(tǒng)對(duì)干擾的反應(yīng)能力。我們知道，由于結(jié)構(gòu)諧振頻率的限制,在陀螺穩(wěn)定環(huán)路內(nèi)部通過調(diào)整

閉環(huán)增益、增加校正電路、選用性能更好的陀螺等技術(shù)措施，可使隔離度指標(biāo)略有提高，但

并不能使問題得到根本性的解決。因此，我們只能從環(huán)路的外部尋找解決問題的出路。

3.2前饋補(bǔ)償對(duì)提高隔離度的作用

如何從基本陀螺穩(wěn)定環(huán)的外部入手，找到提高系統(tǒng)隔離度的有效途徑呢?選擇的途徑無非是

外加補(bǔ)償?shù)姆椒ê屯鈹U(kuò)環(huán)路的方法。作為第一步，我們選擇速率前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?。下面?/p>

究前饋補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)隔離度的可行性，圖3是前饋補(bǔ)償?shù)脑?/p>

框圖。其中Or(S)為干擾輸入，0o(S)為干擾輸出，△0(S)為誤差,K1G1(S)、Ki2G2(3)、

KfCf(S)為環(huán)路的傳遞函數(shù)。由圖3可以得出：

由式(1)可知：當(dāng)時(shí)，△0(S)三0。這說明前饋補(bǔ)償能提高系統(tǒng)的隔離度,使誤差進(jìn)一步減小。

由圖3還可得出:

其中小O(S)是不加前饋補(bǔ)償時(shí)的傳遞函數(shù)。

由式(2)和式(3)相比較可見,加上前饋補(bǔ)償之后，系統(tǒng)的增益提高了，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性并未

改變，使系統(tǒng)的帶寬得到了進(jìn)一步的拓寬。所以采用前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)是非常正確的。在設(shè)計(jì)

中可選擇速率陀螺作為敏感干擾輸入的器件，將其輸出引入到系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。由于前饋速率

補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定作用所決定,速率前饋補(bǔ)償技術(shù)也可稱之為一種陀螺穩(wěn)定方式。這樣,基本陀螺

穩(wěn)定方式和速率前饋補(bǔ)償方式就共同構(gòu)成了系統(tǒng)的雙穩(wěn)定體制。下面粗略分析一下前饋補(bǔ)

償對(duì)提高隔離度的作用。

由式(4)和式(5)可知，當(dāng)Kf》K1時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)增益會(huì)有提高，系統(tǒng)的隔離度值將增加

201ogdB.圖1中L2是增加前饋補(bǔ)償后得到的等效伯德曲線。至此,雙穩(wěn)體制提供的隔離

度達(dá)27dB以上。

3.3自跟蹤接收系統(tǒng)

由于系統(tǒng)中采用了雙穩(wěn)體制，已使干擾得到了有效地?cái)M制。但仍無法達(dá)到系統(tǒng)所要求的隔

離度指標(biāo)》43dB。如何再進(jìn)一步提高系統(tǒng)的隔離度仍是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題。由前知道，

外擴(kuò)穩(wěn)定環(huán)路也是提高系統(tǒng)隔離度的一種方法。從環(huán)路的實(shí)質(zhì)上分析，多環(huán)路體制的建立

可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力加強(qiáng)，使克服干擾過程中的遲后誤差減小。那么外環(huán)路應(yīng)怎樣構(gòu)

成呢?首先，它要有一套敏感車體行進(jìn)過程中天線相對(duì)衛(wèi)星位置變化的自跟蹤接收系統(tǒng)，由

它和相關(guān)的電路去實(shí)現(xiàn)天線在位置上相對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)的穩(wěn)定。自跟蹤系統(tǒng)建立在陀螺穩(wěn)定的

基礎(chǔ)上,它承擔(dān)的任務(wù)是進(jìn)一步隔離陀螺穩(wěn)定隔離后剩余的干擾。圖4給出了自跟蹤系統(tǒng)

的組成框圖。其中Or(S)為干擾輸入，△0(S)為誤差輸出。

自跟蹤方式有多種形式。根據(jù)干擾的性質(zhì),跟蹤方式也有不同的選擇。步進(jìn)跟蹤只能對(duì)付

緩慢的干擾輸入，比如零點(diǎn)幾度/分的干擾輸入;圓錐掃描跟蹤由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)所決定,它

只能克服幾度/秒的干擾輸入；而單脈沖自跟蹤由于其跟蹤的實(shí)時(shí)性強(qiáng),其跟蹤速度可達(dá)到

幾十度/秒,因此,選擇單脈沖自跟蹤方式并構(gòu)成陀螺穩(wěn)定的外環(huán)是一種可行的方案。

由圖4可得出跟蹤系統(tǒng)的方框圖5,其中K1G1(S)為陀螺環(huán)前向通路傳遞函數(shù),Kg為陀螺基

本傳遞函數(shù),K2G2(S)為跟蹤環(huán)傳遞函數(shù)，由圖5可得：

其中

式(7)所描述的是陀螺穩(wěn)定環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

比較式(6)和(7)可知，|A0(S)|<|A(M(S)I,這說明加上自跟蹤環(huán)路后，系統(tǒng)的誤差減小

了。誤差減小意味著隔離度的增加。下面分析一下加入自跟蹤環(huán)路后，系統(tǒng)誤差的變化情

況。

由式(8)可知,加入自跟蹤環(huán)路后，系統(tǒng)誤差減小了倍,可見系統(tǒng)隔離度提高的量值約為。

由圖1中的L2和L3可知,要求自跟蹤系統(tǒng)為系統(tǒng)提供215dB的隔離。據(jù)此推得。通常情

況下單脈沖自跟蹤系統(tǒng)能滿足這樣的設(shè)計(jì)要求。

4kul.8米“動(dòng)中通”伺服控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中通”伺服跟蹤系統(tǒng)的高隔離度指標(biāo),系統(tǒng)設(shè)計(jì)須采用陀螺雙穩(wěn)定體制、單脈

沖自跟蹤體制等關(guān)鍵技術(shù)。在充分論證的基礎(chǔ)上，電子