电子论文-指向和单脉冲跟踪在车载动中通中的应用.pdf

第3 1卷 第8期 2 0 0 9年4月 武 汉 理 工 大 学 学 报 J O U R N A LO FW U H A NU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G Y V o l 3 1 N o 8 A p r 2 0 0 9 D O I 1 0 3 9 6 3j i s s n 1 6 7 1 4 4 3 1 2 0 0 9 0 8 0 2 6 指向 单脉冲跟踪在车载 动中通 中的应用 李战明 赵剑明 兰州理工大学电气与信息工程学院 兰州7 3 0 0 5 0 摘 要 现阶段车载 动中通 跟踪方式主要有惯导指向方式和单脉冲跟踪方式 2种跟踪方式有各自的优缺点 介绍 了一种将这2种跟踪方式相结合的新型跟踪体制 试验结果表明 具有更好的跟踪性能以及良好的推广应用能力 关键词 车载 动中通 惯导指向 单脉冲跟踪 混合跟踪 中图分类号 TP21文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 4 4 3 1 2 0 0 9 0 8 0 1 0 3 0 3 A p p l i c a t i o no fD i r e c t i o na n dM o n o p l u sT r a c k i n g i n C o mm u n i c a t i o no nt h eM o v e C O TM o fV e h i c l e L IZ h a n m i n g Z H A OJ i a n m i n g C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o nE n g L a n z h o uU n i v o f T e c h n o l o g y L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h i n a A b s t r a c t T h e r e a r e t w o t r a c k i n g w a y s f o r c o m m u n i c a t i o n o n t h e m o v e C O T M a t p r e s e n t v e h i c l e w h i c h a r e i n e r t i a l N a v i g a t i o n d i r e c t i o n a n dm o n o p u l s e t r a c k i n g B o t h o f t h e mh a v e t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s T h i s p a p e r f o c u s o n a n e w t r a c k i n g s y s t e mw h i c h c o m b i n e s t h o s e t w ow a y s T h e r e s u l t o f t h e e x p e r i m e n t s h o w s i t h a sb e t t e r t r a c k i n gp e r f o r m a n c ea n d f a v o r a b l eq u a l i t y f o r p r a c t i c e a n d s p r e a d i n g o v e r t h em a r k e t K e yw o r d s v e h i c l e c o m m u n i c a t i o n o n t h em o v e i n e r t i a l n a v i g a t i o n d i r e c t i o n m o n o p u l s e t r a c k i n g h y b r i d t r a c k i n g 收稿日期 2 0 0 8 1 1 0 3 作者简介 李战明 1 9 6 2 男 教授 E m a i l z h a o j i a n m i n g 0 9 2 5 h o t m a i l c o m 车载 动中通 是一种能在移动中进行不间断卫星通信的车载站 工作于K u或C频段 使用同步卫星 具有信息种类多 容量大 机动灵活 覆盖面广等特点 可进行语音 数据 图像等多媒体信息的传输 适合军 用和民用中应急移动通信和突发事件现场的指挥通信 尤其对部队隐身 应急通信和指挥系统的革新有着 非常重要的意义 在2 0 0 8年春节前期抗击 雪灾 5 1 2汶川大地震 救灾 2 0 0 8年北京奥运会 圣火 传递 以及奥运安全保障方面发挥了巨大的作用 整个系统一般由天馈线分系统 姿态测量分系统 伺服控制分系 统 跟踪接收机分系统 卫星通信分系统和电源分系统等组成 其中伺服控制分系统是决定其性能的关键所 在 是车载 动中通 实现不间断通信的前提和基础 根据跟踪方式的不同 现阶段车载 动中通 主要有惯导 指向方式和单脉冲跟踪方式 这2种跟踪方式各有自身的特点 介绍了一种将这2种跟踪方式相结合的跟 踪体制 通过试验取得了更好的跟踪效果 1 惯导指向方式 1 1 工作原理 所谓惯导指向方式 是利用同步地球卫星相对于地球是静止的特点而工作的 车载 动中通 天线伺服跟 踪系统利用安装在载体上的姿态测量设备给出载体扰动的测量数据 实时计算并引导天线向扰动方向相反 的方向运动 以保持天线在地平坐标系的指向不变 实现对载体扰动的有效隔离 1 2 系统组成 图1是伺服跟踪系统的主要设备组成框图 它由G P S接收机 惯性导航装置 工控机 数模转换设备 滤 波及伺服放大电路 减速器 天线座 馈源 旋转变压器 模数转换以及一些角速度敏感元件 速度反馈电路等 许多部件组成 其中 G P S接收机及惯性导航装置为天线座位置及姿态角敏感装置 它提供天线的实时位置 经纬度及 高度 和实时姿态 方位 俯仰及横滚 等参数 其中 惯性导航装置的精度以及响应速度对整个天线系统指 向精度的影响是一个重要因素 误差信号经数模转换及伺服放大后 送至驱动执行电机 通过减速机构驱动天线 方位 俯仰及极化角 转动 天线座及馈源极化的转动角度通过旋转变压器产生位置反馈电压 经模数转换后送入工控机 形成闭 环控制 为了整个系统工作稳定可靠 响应快 系统中必须加入相应的速度反馈电路 当然 为了保证系统 运行的安全 还必须增加必要的天线限位开关 1 3 惯导指向跟踪方式的特点 由惯导指向跟踪方式的原理可以 看出 这种工作方式不受地点等因素 的影响 在信号中断 例如遮挡 后能 立即恢复数据通信 但该方式在每次 启动之前需要进行惯导寻北 此外 决 定指向系统跟踪精度的主要因素就是惯性导航装置提供的测量数据的精度以及伺服控制系统的响应时间 其中最主要的就是惯导提供的数据精度 单从技术性能来讲 当然是精度愈高愈好 但是高精度的惯导价格 昂贵 从而是车载 动中通 整个系统的价格升高 市场竞争力减弱 2 单脉冲跟踪方式 2 1 工作原理 单脉冲自跟踪是一种将天线输出的和 差射频信号经变换处理后送至跟踪接收机 中频处理系统 并由 跟踪接收机输出两路与天线电轴偏离卫星角度成正比的直流误差信号到伺服控制单元 控制天线运动 完成 对卫星的实时跟踪 这种跟踪方式是一个闭环系统 实时性强 可以获得总体要求很高的跟踪精度 2 2 系统组成 该系统主要由天馈系统 单脉冲跟踪接收机系统 伺服控制系统等组成 如图2所示 其中天馈系统主要是由环焦天线 馈电 喇叭 T E 2 1模跟踪器 付反射面调整装置 正 交模耦合器 双通道旋转关节等组成 T E 2 1 模跟踪器其实是一种特定的模耦合器 在该 部件中产生单脉冲跟踪用的正比于天线电 轴偏离目标的误差信号 天线差波束方向图 的效率大小直接影响单脉冲自跟踪的性能 跟踪接收机系统采用单通道单脉冲跟踪接收机 这种设备定位之后 一次标校可以长期使用 具有通道 简单 稳定可靠等优点 天线接收的卫星信标信号在多模馈源中进行和 差信号分离后 分别送入和 差之 路 差信号经过 0调相 在与信号的部分能量合成 实现单通道跟踪信号并送入跟踪接收机进行误差调 解 伺服控制系统的主要任务是快速 准确 稳定 可靠的控制天线指向卫星 确保通信链路通畅 伺服控制 系统主要是由天线控制单元 A C U 天线驱动单元 A D U 和一些安装在天线座上的姿态敏感原件组成 2 3 单脉冲跟踪方式特点 单脉冲跟踪方式的优点是跟踪精度高 不受卫星位置漂移的影响 但是其只能在卫星半波束范围之内进 行跟踪 初始捕获和丢失再捕获很困难 401 武 汉 理 工 大 学 学 报 2 0 0 9年4月 3 混合跟踪方式 所谓混合跟踪方式 就是将指向跟踪方式与单脉冲跟踪方式相结合 优势互补 进一步提高车载 动中 通 系统的跟踪性能 采用混合跟踪方式在发挥了单脉冲跟踪系统跟踪精度高的优点上 降低了指向跟踪方 式对惯性导航装置精度要求高的特点 提高的系统的竞争力 混合跟踪方式主要需要解决的问题是程序自动转换 问题 程序流程图3所示 图3左边部分是单脉冲跟踪流程 右边部分是指向 跟踪流程 转换开关受跟踪接收机和信号输出电平的控 制 若和信号电平大于某一个设定的门限电平 表示目标 在天线主波束范围内 可以实现单脉冲自跟踪 若和信号 电平低于某一门限电平 表示目标偏离天线主波束 无法 实现单脉冲自动跟踪 系统即转入指向状态 使天线迅速 转到粗略对准目标 这种方式 指向精度要求不高 只要 进入主波束范围即可 因而陀螺惯导可以用稍低精度的 产品 以降低系统成本 系统工作于指向方式时 根据天线转台转速及惯导 表征的载体姿态参数 有相应的反馈量参与到伺服控制中 当系统工作于单脉冲跟踪方式时 这些反馈控制 量继续起作用 因此 该系统不是将指向跟踪和单脉冲跟踪简单地进行叠加并在两者之间转换 从测试数 据中可以看出 单脉冲跟踪方式时 伺服控制引入上述的反馈控制量 能很大程度地提高跟踪性能 另外 跟 踪方式的转换是依据和信号 转换门限的设定也要根据跑车试验来确定 过高或过低的门限设置均会使系统 的跟踪性能下降 4 试验结果 通过跑车试验 记录了3种跟踪方式下车载 动中通 系统对同一卫星的跟踪精度 试验采用了电平跌 落法 即用频谱仪记录下来在某个周期 本试验周期为2 0s 内卫星信标信号的跌落幅度 对结果进行均方根 处理 得出系统的跟踪精度 试验结果如图4 图6所示 5 结 语 在现阶段车载 动中通 系统的跟踪方式主要采用单独的惯导指向方式或单脉冲跟踪方式的情况下 通 过跑车试验表明 混合跟踪方式具有更好的跟踪精度 而且这种方式吸取了上述2种跟踪方式的优点 不但 具有很好的初次捕获能力和丢失在捕获能力 而且具有更高的跟踪精度 有很好的应用前景 参考文献 1 史 飞 喻洪麟 单脉冲自跟踪体制在车载 动中通 的应用 J 系统工程与电子技术 2 0 0 4 4 1 5 1 7 2 郝路瑶