动中通圆锥扫描自动跟踪系统的优化设计

动中通圆锥扫描自动跟踪系统的优化设计

1多媒体信息传输船舶“移动通信”是一个可以在移动中连续通信的船舶基站。该系统工作在ku段，并使用了同步轨道（geo）卫星。信息种类丰富，能力强，动态灵活，覆盖范围大。它可以传输声音、数据、图像和其他媒体信息。它适用于军事和民用通信中的应急通信和应急指挥通信，以及在发生紧急情况的地方的指挥通信。如图1所示,“动中通”天线具有方位、俯仰、横摇等3个旋转自由度,在驱动器的控制下旋转相应的角度,对准卫星。在移动过程中,由于姿态和位置发生变化,会引起原对准卫星的天线偏离卫星,使通信中断,而且由于天线的波束很窄(通常半功率波束宽度在0.6°～1°之间),因此天线必须保持对卫星的高精度跟踪才能保证与卫星的可靠通信。实践表明,采用圆锥扫描体制,构成天线伺服位置闭环系统,是实现天线姿态稳定跟踪的有效方法。2旋转波束补差器圆锥扫描自动跟踪系统的结构原理如图2所示。它采用偏焦且高速旋转的馈源(其旋转部分为副反射面),使天线具有一个略为偏离轴线的旋转波束。若目标偏离轴线,反射信号强度受旋转频率调制,被调信号经归一化后,在解调器中进行正交解调,获得方位和俯仰角误差信息,并以此误差信息控制马达驱动天线对准卫星,构成位置闭环系统,实现天线姿态的稳定跟踪。一般应用情况下,反射面、喇叭、副反射面三者的轴线是重合的,在实际应用中,由于极化调整的需要,副反射面、喇叭及馈线系统通过发泡材料装配成一体,在直流电机驱动下以转速ω2旋转到相应角度。但在圆锥扫描系统中,副反射面顶点位于喇叭轴线上,其轴线与喇叭轴线存在微小夹角θ,并独自按较高的转速ω1旋转(其大小取决于控制系统的响应速度),从而形成一个略为偏离轴线的旋转波束。圆锥扫描系统还要求:喇叭与馈线依然具有极化调整功能,通过电位器感知极化角度;安装速度传感器感知副反射面旋转速度;质量轻,振动小,要绝对避免共振;各零件具有较高的安装定位精度;安装维护方便。3基于湿地线网的拾遗补偿原理圆锥扫描系统结构设计的困难在于:反射面正面除喇叭口以下附近的较小区域外,应尽量避免出现障碍物(如导线、支撑杆等),以免影响天线增益,这一点对于“动中通“这样的小型天线显得尤为重要,因此,副反射面旋转的动力装置与极化调整一样,安装在反射面的背面。然而,反射面背面还要安装馈线等微波器件,反射面做俯仰、横摇运动时不能出现构件干涉现象,这些要求使得设计空间非常小。在设计过程中采用了三维参数化设计技术,以求最大限度地寻找设计空间,设计结果如图3所示。圆锥扫描系统主要由轴承座、波导、副面轴、喇叭、副反射面、传动元件、转速传感器以及壳体等组成。波导、副面轴通过轴承安装在轴承座内,形成同轴双回转结构。副面通过螺纹连接在副面轴端。为了防止副面松脱,螺纹旋向与副面轴转动方向相反。轴承座的下端安装在一个由壳体、安装板构成的开式箱形结构上,箱形结构内安装有圆锥扫描驱动装置、极化调整驱动装置、电位器以及转速传感器等。极化调整运动速度较低,只在“动中通”通信起始阶段初始化时根据地理位置、收发极化方式不同做适当调整,待馈线转至适当角度(通过电位器感知)时即停止运动,因此极化调整使用大速比减速电机通过开式齿轮传动实现。与极化调整不同,“动中通”圆锥扫描运动具有较高的转速(通常达到500～600r/min,其转速越高,天线跟踪精度越高,取决于控制系统的数据处理速度),要求转速波动小,并且处于长时间工作状态,具有更高的可靠性和减震要求。因此圆锥扫描运动采用微型直流调速电机驱动、同步带传动的方式实现。因为同步带传动具有传动比准确、效率高、张紧力小、轴承承受压力小、瞬时速度均匀、噪声小、无需润滑、减震性能好、安装容易等优点。极化调整装置与圆锥扫描旋转装置的传动元件在径向、轴向均错开安装,在极小的空间范围内实现了系统所需的功能,有效降低了系统质量。基于模块化设计思路,圆锥扫描系统所有零件被装配成一个紧凑可拆的、便于维护的单独部件,安装时只要旋下其上端的副面,就可以从反射面背面穿过安装孔,采用螺纹联接的方法准确可靠地安装在反射面上。4副面的设计及优化设计“动中通”天线被安装在交通工具上,工作时天线始终处于运动状态,天线反射面的轻微振动就可能引起通信中断,因此天线安装时的减振措施非常重要。但是圆锥扫描机构在系统的关键部位引入了振动源,消除或减轻圆锥扫描运动产生的振动非常重要。圆锥扫描运动产生的振动来源于构件的质量不平衡及传动。如前所述,使用同步带传动有效地降低了由于传动带来的振动。为了有效降低由于质量不平衡产生的振动,所有回转结构件均被设计成质量对称的零件。由于高速旋转的副反射面为较长的悬臂结构,同时根据设计要求又必须采用偏心结构,从而成为减振设计的主要研究对象。圆锥扫描跟踪系统要求,副面轴线与喇叭轴线存在微小夹角θ。但出于制造工艺的需要,根据等价无穷小原理,副面采用偏心安装(偏心距为e)代替倾斜安装。副面及副面座通过发泡材料牢固地联接成一体,如图4所示。为了使副面相对于喇叭轴线保持质量平衡,在副面背面专门设计了用于平衡的凸块,其主参数为R1,如图5所示。通过调整参数R1的大小,可实现副面的质量平衡。为了在设计上精确控制副面质心位置和质量,在副面设计中采用了优化设计的方法,即寻求设计变量R1,满足:式中:R1—副面平衡凸块主参数;Mass—副面质量函数;COG--副面质心函数。副面的优化设计是通过VB对CAD、Matlab的二次开发编程实现的,具体过程如下:(1)对参数R1在取值范围进行离散化处理,获取参数R1取不同值时的质心位置及质量,得到一个参数R1、质心位置、质量矩阵。(2)在Matlab中使用线性拟合方法得到质心位置、质量以参数R1为自变量的表达式。(3)在Matlab中使用优化设计工具进行优化计算。(4)将获取的优化设计结果代回到副面模型中,完成设计。设计结果表明,当参数R1大小为24.82时,副面质心正好落在喇叭轴线上,此时副面质量最小,仅为12.4g。上述优化设计方法同样可以用于多个可变参数的情形,以及结构设计的其它方面。用于联接副面与副面座的发泡材料是一种密度很小(<0.1×103kg/m3)、具有一定硬度的松脆塑料,长时间的旋转振动可能会导致副面从副面座上脱落,因此在设计中也设想了一种表面涂覆的新工艺方案取代现有的副面零件,方法是:当发泡完成后,取下副面,在发泡材料上形成副反射面曲面,在该曲面上涂覆金属材料替代副面工作表面,这样做可使圆锥扫描系统质量更轻,振动更小,工作更为可靠。该工艺方法目前正在试验阶段。前面仅讨论了圆锥扫描系统的静平衡设计,实际上,在系统装配完成后,还必须做动平衡试验,以期达到最好的减振目标。5动中通系统性能测试采用圆锥扫描系统的船载“动中通”于2003年在福