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船载卫星通信天线伺服跟踪环路设计

杨丽;李莉;孙宏强;卢智嘉

【摘要】以船载A-E两轴座架天线为例,分析了天线跟踪精度和隔离度分配,对单脉

冲跟踪的陀螺环路和跟踪环路进行了设计,为工程实践提供了理论设计依据.

【期刊名称】《河北省科学院学报》

【年(卷),期】2017(034)004

【总页数】6页(P37-42)

【关键词】伺服跟踪;陀螺环;跟踪环

【作者】杨丽;李莉;孙宏强;卢智嘉

【作者单位】石家庄学院机电学院,河北石家庄050035;石家庄学院机电学院,河北

石家庄050035;石家庄学院机电学院,河北石家庄050035;石家庄学院机电学院,河

北石家庄050035

【正文语种】中文

【中图分类】TN820

0引言

船载卫星通信天线在舰船航行过程中能够实现实时跟踪同步卫星，同时连续传递文

字、图像、语音、数据等多媒体信息，用于满足各种军民通信需要。在舰船航行过

程中，由于船体姿态数据和地理位置数据发生变化，会使天线指向偏离卫星理论位

置，使天线跟踪丢失，因此天线必须实时跟踪指向目标来隔离船体姿态数据和地理

位置数据的变化[1]。船载天线的跟踪方式有很多种，常用的有单脉冲差信号跟踪、

程序引导跟踪、极大值跟踪、幅面圆锥扫描跟踪等。本文以A-E两轴座架天线单

脉冲差信号跟踪为例说明天线伺服跟踪环路设计，为后续工程实践提供参考依据。

1伺服控制设备组成

伺服控制的设备配置如图1所示，由北斗(GPS)、姿态仪(惯导)、计算机、方位、

俯仰、极化三个独立控制支路等组成[2]。

图1系统组成

2自动捕星

根据GPS(或北斗)提供的舰船地理位置(经度、纬度)和星位(经度)信息，计算出天

线指向卫星的地理方位角A、俯仰角E；根据舰船姿态测量装置提供的舰船姿态信

息，将地理方位、俯仰角转化成舰船坐标方位轴角Aj、俯仰轴角Ej，以Aj、Ej作

为指令角控制天线指向卫星，使卫星进入天线3dB波束宽度内，实现捕星，在捕

获卫星后使跟踪接收机锁定，伺服系统自动转入自跟踪状态[3]。

(1)地理方位角A、俯仰角E和极化角P的计算

式中：λ0：星经度；λ1：车经度；φ：车纬度；r：地球半径；R：同步轨道半径；

r/R：0.1503。

(2)将地理角转换为车体坐标角

Ej=sin-1(cosRcosPsinE-cos(A-H)cosEsinPcosR+sin(A-H)cosEsinR)

其中：Aj、Ej为天线对星的舰船坐标角；A、E为天线对星的地理坐标角；R、P、

H为舰船姿态的横滚角、纵倾角、航向角。

3跟踪精度分析

(1)天线方位、俯仰轴跟踪精度指标

对于A-E两轴座架天线，跟踪误差是A、E轴误差的合成，如下式所示：

其中：Δθ为天线指向误差，ΔθA、ΔθE为天线方位轴误差、俯仰轴误差。

如果按天线指向误差在A、E轴上等概率分布考虑，则分配到A、E轴的误差为：

ΔθA=ΔθE=Δθ

由此可确定：要满足天线跟踪精度的要求，只要A轴误差ΔθA、E轴误差ΔθE不

超过Δθ即可满足天线跟踪精度要求，这就是分配到A、E轴的指标要求。

天线的3dB波束宽度：

其中：θ0.5：天线的3dB波束宽度，单位-°;D：天线口径，单位-m;f：天线工作

频率，单位-GHz

对于Ku频段0.8m天线，天线的3dB波束宽度约为：2.1°，如果跟踪精度要求

1/10波束宽度，即0.21°。跟踪误差在A、E轴等概率分布，则有：

即A、E轴允许误差为：

(2)舰船姿态变化对A、E轴的影响

如果舰船姿态近似按正余弦规律变化，按横、纵倾变化角度5°、周期1s考虑，则

舰船在横倾、纵倾姿态变化的最大角速度和最大角加速度分别为：

最大角速度为：

横倾最大角速度(ΩR)max=31.4°/s

纵倾最大角速度(ΩP)max=31.4°/s

最大角加速度为：

横倾最大角加速度(αR)max=197.2°/s2

纵倾最大角加速度(αP)max=197.2°/s2

(3)姿态变化角速度对A、E轴影响

角速度影响：

投影到E轴的最大角速度：(ΩE)max=44.4°/s

投影到A轴的最大角速度：(ΩA)max=(ΩE)maxtgE=77°/s

角加速度影响

姿态变化角加速度对A、E轴影响的最大角加速度有同样的关系：

投影到E轴的最大角加速度：(αE)max=278°/s2

投影到A轴的最大角加速度：(αA)max=(α