运动中的卫星通信与步进跟踪

运动中的卫星通信与步进跟踪

1卫星通信的定义自20世纪60年代以来，卫星通信已成为现代最有效的通信手段。特别是在现代战争中,卫星通信是对军队实施作战指挥和管理的重要手段。卫星通信不仅可以实现保密通信,而且通信覆盖区域大、通信距离远且通信成本不随距离增加而增加。它不仅可以进行话音通信而且还能传送数据、传真以及图像等。因此,卫星通信在各个行业,特别是在普通通信无法实现的一些地方,如在浩瀚无际的海洋上等,都得到了广泛使用。鉴于车辆、舰船等运动载体在运动中的卫星通信系统具有重要意义,人们称之为“动中通”。它特别适合于军用和民用中应急移动通信和突发事件现场的指挥通信。安装在载体上的卫星通信天线由于载体的运动和卫星的摄动而丢失信号,从而造成通信中断。载体的运动主要引起两方面的干扰:一是载体的角运动干扰,二是载体长距离的线运动干扰。对于卫星的摄动可以通过对卫星信标信号的跟踪,而对于载体的运动主要是在稳定的基础上通过跟踪实现对载体运动的隔离并跟踪卫星信号,从而实现载体运动中的可靠卫星通信。因此,“动中通”的稳定与跟踪系统成为整个系统的核心。2跟踪方式分类载体运动时需要对卫星信号或卫星信标信号进行连续跟踪,根据不同系统的需要可以采取不同的跟踪方式。按跟踪原理,自动跟踪可分为三种体制:步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。2.1天线进动方式步进跟踪又称极值跟踪,它是一步一步地控制天线在方位面内和俯仰面内以一个微小的角度作阶跃状转动,使天线逐步对准卫星。直到接收到的信号达到最大值后,系统才进入休息状态,经过一段时间后,再开始进入跟踪状态,如此周而复始地进行工作。图1所示为步进跟踪的原理框图。在这种方式中,天线的进动分为搜索步和调整步两种。搜索步动作后,整个跟踪系统就开始工作,包括对信号数据取样、场强记忆、比较等,待经过若干次搜索,并确定天线应该转动的方向后,天线就回到原来位置,然后向卫星方向转动一步。这最后的一步就称为调整步。所以,调整步与搜索步的主要区别在于调整步动作后天线不会回到原处,而搜索步则不一样。不管搜索步动作多少次,只要完成规定的次数后,天线就回到原处,接着天线就转动一个调整步。在实际系统中它们可以是分开的,也可以是同一步。同一步的逻辑关系简单,但由于干扰的影响会引起误动作。如果搜索步与调整步分开,如搜索开始时,天线先向前行进四步取场强值为A,然后向后退八步取场强值为B。如果A>B,则调整步走五步,相当于天线在原出发点向前调整一步(如图2所示);如果A<B,则调整步走三步,相当于天线在原出发点后退一个调整步。相距八步的两个信号的差值比较大,一般不会引起误动作。2.2和波束和差波束单脉冲跟踪是一种先进的跟踪体制,顾名思义,就是在一个脉冲的间隔时间内就能确定天线波束偏离卫星的方向,并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。这种天线有四个馈源,按四个象限排列,每个馈源产生一个波束。这四个波束的信号叠加得到“和波束”;上面两个波束之和与下面两个波束之和相减,得到“俯仰差”波束;左边两个波束之和与右边两个波束之和相减,得到“方位差”波束。因此,单脉冲天线产生一个“和波束”和两个“差波束”。当天线波束对准卫星时,天线只能收到“和波束”信号,两个“差波束”信号输出为零;当天线波束偏离卫星时,除接收到“和信号”外,还接收到“方位差”和“俯仰差”两个误差信号。把误差信号放大后驱动电机,直至天线波束对准卫星,误差信号才消失。通常“和信号”还被用来作基准信号,用来鉴别误差信号的相位,以决定驱动电机分别在方位面和俯仰面内的转向。2.3准卫星数字信标确定的频率圆锥扫描跟踪是把馈源喇叭绕天线对称轴作圆锥运动,或把天线副面倾斜旋转,这样天线波束呈圆锥状旋转。当天线轴对准卫星时,信标电平将受到一个频率极低的信号对其进行幅度调制。调制频率与波束旋转频率相同,调制深度与波束偏离卫星的距离有关,偏离大,调制深度大;偏离小,调制深度浅;不偏离,调制深度等于零。调制的相位与波束偏离的方向有关,所以由调制信号的幅度和相位就能检测出天线波束的指向误差,并根据指向误差来确定电机驱动天线转动的方向和大小。2.4机带动天线转移从三种跟踪原理的工作方式上来看,它们在本质上是相同的,都是在取得多个AGC信号后比较并确定电机的转动方向和幅度。步进跟踪是分别在方位和俯仰面内采样后驱动电机带动天线在方位和俯仰面内转动;圆锥扫描跟踪则是馈源在电机驱动下作圆锥运动并在该过程中比较信号电平的大小来对准卫星;单脉冲跟踪则在一个脉冲的时间内就能确定电机的转动方位和幅度。综上所述,单脉冲跟踪的精度和速度都比较高,但系统比较复杂,造价高,一般适用于精度要求较高的地方;圆锥扫描的精度虽能满足一般系统的要求,但结构比较复杂,对信号损耗较大,而且跟踪速度也比较慢;而步进跟踪的速度和精度都界于两者之间,并且整个系统比较简单,实现起来比较容易,因而得到了较广泛的应用。3汽车天线稳定平台对于“动中通”系统来说,如果仅有跟踪,那么天线在载体大的波动下很容易丢失信号而造成通信中断。因此,必须有天线稳定系统来隔离载体运动造成的干扰。车载天线的稳定系统有两种实现方法:(1)物理平台稳定在车载天线和车体之间通过一个稳定平台来隔离,车体的运动被稳定平台隔离在车载天线系统之外。这相当于把车载天线固定在大地平面上,很容易实现精确对星,且对准卫星以后不再需要调整天线的指向。这种方法把车载天线稳定系统分割成一个稳定平台系统和一个天线伺服系统。天线的稳定对星依赖于稳定平台,自主能力差,系统复杂,相对成本高。(2)捷联式稳定利用载体上陀螺、GPS、电子罗盘等提供的信息,通过坐标变换,建立一种“数学平台”,计算出伺服系统的修正量。系统由于结构简单、可靠性好、体积小、成本低、容易维修等特点而得到了广泛使用。在捷联式稳定平台的实现方式中主要采用前馈补偿控制和闭环反馈控制。在这里,车体的运动是作为一种干扰信号引入伺服系统的,这种干扰的性质同风负载干扰是相似的。对于这种干扰,按照是否能够测量分为可测扰动和不可测扰动,对不同扰动分别采取不同的控制方式。3.1装置传递函数的补偿前馈控制是按干扰量进行控制的一种方式,是根据被控变量不变性原理设计的,有动态不变性、静态不变性和绝对不变性等原理。它基于对被控过程有了充分了解并且干扰可测。扰动补偿的复合控制系统如图3所示。图中,N(s)为可测量扰动,G1(s)和G2(s)为反馈部分的前向通路传递函数,Gn(s)为前馈补偿装置传递函数。复合校正的目的,是通过选择Gn(s),使扰动N(s)经过Gn(s)对系统输出C(s)产生补偿作用,以抵消扰动N(s)通过G2(s)对输出C(s)产生的影响。由图3可知,当R(s)=0时,扰动N(s)作用下的输出为C(s)=G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)Ν(s)(1)C(s)=G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)N(s)(1)扰动作用下的误差为E(s)=-C(s)=-G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)Ν(s)(2)E(s)=−C(s)=−G2(s)[1+G1(s)Gn(s)]1+G1(s)G2(s)N(s)(2)若选择前馈补偿装置的传递函数Gn(s)=-1G1(s)(3)Gn(s)=−1G1(s)(3)则从式(1)、(2)知,必有E(s)=-C(s)=0,从而抵消了扰动N(s)产生的误差,式(3)称为对扰动的误差完全补偿条件。图4就是基于前馈补偿的伺服系统方框图。3.2不可预测扰动的稳定环形结构3.2.1系统干扰响应的指令假设伺服系统中有一个干扰fD,如图5(a)所示。为了计算该系统对干扰的响应,可令指令信号D=0,并将方框图变换一下,如图5(b)所示。由该图便可求得θfD=Ν1+ΝGΗ(4)θfD=N1+NGH(4)另外,我们也可以直接由图5(a)来求取系统对干扰的响应。为此,我们将干扰fD移到系统的指令输入端,并将这个干扰视为一种指令,其大小为D=fDG(5)D=fDG(5)如图5(c)所示。将式(5)改写成DfD=1G(6)DfD=1G(6)则系统对干扰的响应为θfD=(θD)(DfD)(7)θfD=(θD)(DfD)(7)式中θ/D为没有干扰时系统的传递函数,即θD=ΝG1+ΝGΗ(8)θD=NG1+NGH(8)将式(8)和式(6)代入式(7),得θfD=(θD)(DfD)=Ν1+ΝGΗ(9)θfD=(θD)(DfD)=N1+NGH(9)与式(4)的结果完全一致。由此,说明完全可以直接由图5(a)来求取系统对干扰的响应。其步骤概括如下:(1)将干扰移到指令输入端,并将它视为一种指令,此指令由式(5)确定;(2)根据式(7)计算系统对干扰的响应。对于复杂的系统,如图6中虚线所示。于是干扰的等效输入指令为D=fDABG+ΜfDAB(10)D=fDABG+MfDAB(10)即DfD=1ABG+ΜAB(11)DfD=1ABG+MAB(11)从上面的分析可以看出:当反馈通道中反馈信号的取出点出在干扰fD输入的右边时,反馈通道的传递函数不影响干扰响应。3.2.2引入附加的干扰信号对于不可测的载体干扰可以利用速度陀螺构成稳定环路。如图7所示,图中虚线为干扰信号,粗实线为引入系统的稳定环。由于速度陀螺是一种“空间测速发电机”,只相对于大地坐标运动时产生信号,所以在稳定环中,不会引入附加的干扰信号。这样由载体干扰引起的天线偏摆角为θ=[ΚΩsW1(s)WA(s)+Κ´ΩsW1(s)WA(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(12)θ=[KΩsW1(s)WA(s)+K′ΩsW1(s)WA(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(12)式中Φ(s)=θθiΦ(s)=θθi为位置环的闭环传递函数。系统没有加入稳定环时天线的偏摆角为θ=[ΚΩsW1(s)+Κ´ΩsW1(s)W2(s)W3(s)]Φ(s)gθh(13)比