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          伺服穩定跟蹤控制 您的位置:首頁 >> 解決方案 >> 伺服穩定跟蹤控制
          慣性傳感器內置式伺服穩定跟蹤系統解決方案
          一、系統概述
                  慣性傳感器內置式伺服穩定跟蹤系統是指慣導系統與動中通天線采用一體式設計,慣導系統安裝在動中通天線的天線罩內部,如圖1所示。這種分體設計具有集成度高、用戶使用便捷、慣導系統無需用戶自行標定等特點。
          圖1 慣導系統內置式動中通天線
          二、伺服穩定跟蹤系統工作原理
                  伺服控制系統包括天線控制器單元(ACU)、慣性/衛星組合導航設備單元、信標機單元、控制計算機單元、方位組件單元、極化組件單元、俯仰組件單元七個組成部分。
                  伺服穩定跟蹤系統工作原理如下圖2所示:
          圖2 動中通天線伺服穩定跟蹤系統原理圖
                伺服控制系統包括天線控制器單元(ACU)、慣性/衛星組合導航設備單元、信標機單元、控制計算機單元、方位組件單元、極化組件單元、俯仰組件單元七個組成部分。
          (1)天線控制器用于用戶對控制計算機發送指令,設定待跟蹤的衛星的基本信息(衛星位置、信標頻率、極化方式等),并監控控制計算機。
          (2)慣性/衛星組合導航單元可以給出載體準確的位置信息、姿態信息、角速率信息,用于解算跟蹤控制指令,包括三軸速率穩定指令以及方位角指令、俯仰角指令、極化角指令。
          (3)信標機單元給出當前頻點的衛星信號強度,用于估計天線相對衛星的偏角,同時修正伺服系統的控制誤差角。
          (4)方位組件用于驅動方位電機旋轉,并反饋方位角速率及方位轉角。
          (5)俯仰組件用于驅動俯仰電機旋轉,并反饋俯仰角速率及俯仰轉角。
          (6)極化組件用于驅動極化電機旋轉,并反饋極化角速率及極化轉角。
          (7)控制計算機用于采集ACU以及慣性/衛星組合導航系統信息,計算出正確的角速率穩定指令以及方位角、俯仰角和極化角,控制方位、俯仰和極化電機運動,通過編碼器反饋實現精確控制,通過信標機反饋以及位置信息推出正確的慣導航向,對慣導進行修正,重復上述步驟,實現精確控制。
          三、系統工作流程
                 動中通天線伺服穩定跟蹤工作流程如下圖3所示,流程可以分為三部分:初始對準尋星、根據慣導輸出信號穩定天線和根據信標值掃描跟蹤修正。
                 根據慣導系統輸出信號穩定天線:這個過程主要是使用陀螺儀測量角速率信號(經坐標變換)作為前饋,進行角速率穩定控制,同時利用慣導系統輸出的俯仰角、橫滾角、航向角信息,并結合ACU給定的衛星參數信息,控制電機運動,隔離載體的運動,使得天線始終對準衛星信號,這個過程可以稱為是“粗對準”。
                根據信標值圓錐掃描跟蹤:這個過程主要是使用信標衛星信號強度值作為系統的反饋信號,驅動電機小范圍調整天線的方位角和俯仰角,這個過程稱為“細對準”。
                鎖定衛星信號后需要判斷這個過程中是否失去衛星信號,衛星信號強度值小于閾值,則系統重新搜索衛星信號。
          圖3  動中通天線伺服穩定跟蹤工作流程圖
          四、技術創新及優勢
          (1)結合慣性/衛星組合導航以及慣性/信標輔助導航技術,大大提升了系統的運動參數測量精度,降低了成本
                星網衛通開發的伺服穩定跟蹤系統基于陀螺、組合導航系統、衛星信號三級反饋,使得低成本微慣導組件實現較高的穩定控制精度成為可能。在保證移動衛星通信天線跟蹤穩定精度滿足要求的基礎上,有效降低了慣導的成本,這種革命性的變化使得移動衛星通信天線更加“平民化”,很多原本因成本較高無法使用的場合都有可能因為成本下降而大范圍使用。
          (2)基于三級反饋的穩定跟蹤技術,實現移動衛星通信裝置在復雜運動條件下的精確指向
                運動傳感和反饋控制是衛星天線穩定的基礎,傳統的天線控制系統往往有兩種解決方案:一是采用陀螺角速率反饋直接穩定方案;二是基于高精度慣導系統的姿態反饋方案。
                本方案利用陀螺、慣導、衛星信號三級反饋穩定跟蹤技術。首先利用陀螺反饋信號進行前饋控制,確??刂频募皶r性;然后慣導將慣性器件與衛星導航(GPS/北斗)進行信息融合,實現姿態測量的穩定性及準確性,同時利用姿態信號進行二級反饋,確保天線指向角的準確性;最后將衛星信號引入閉環控制系統,用于三級反饋確保天線指向角始終處于信號最大位置。
          (3) 基于衛星信標信號識別,解決了低成本慣導系統初始尋北難題
                傳統的衛星天線尋星算法主要依靠高精度慣性導航系統給出的位置及姿態角信息來計算天線的尋星指令角(俯仰角、極化角、方位角),并控制天線對準衛星。這種方案對慣導系統的要求較高,為了確保天線能夠鎖定最大的衛星信號,慣導系統的自主尋北精度必須達到0.1°以上,而如此高精度的慣導系統的成本已遠遠超過移動衛星通信天線本身的成本,這是大多數研制單位和用戶無法承受的。為了有效地降低成本,必須選用低精度的慣導產品,而低精度慣導無法自主尋北輸出正確的航向,因此,天線無法得到準確的對星指令角。為了解決基于低精度慣導的移動衛星通信天線初始化問題,本系統采用天線方位軸0°-360°掃描加衛星信標信號峰值識別技術來實現天線尋星。通過將兩種關鍵技術融合的方式產生了慣導與方位俯仰組合掃描跟蹤技術,慣導提供車輛航向姿態角,天線初步對準,天線方位俯仰組合掃描跟蹤獲得天線對準及偏差信息通過計算反饋給慣導,慣導誤差得以糾正,慣導提供高精度航向姿態信息,天線實現高精度對準,以上過程如此反復,慣導始終保持在低誤差、高精度狀態,天線也始終保持在高精度對準狀態。由于天線通過方位俯仰組合掃描跟蹤可以校準慣導,因此慣導不必采用高造價高性能慣導系統,如激光慣導、光纖慣導等,可以大幅降低系統成本。
          (4) 提出了一種動中通天線快速動態初始化算法,解決了天線在機動條件下快速使用的難題。
                當前,大部分衛星移動通信天線需要在靜態或準靜態條件下完成初次尋星,待尋星完成后才可以實現穩定跟蹤,若系統在動態條件下啟動,則系統的尋星時間將大大加長,這種應用要求無法滿足快速機動使用的要求。
                本解決方案提出一種動態初始化算法,將慣導與天線尋星算法進行一體化設計,將組合導航的航向收斂角作為基準角進行衛星信號的掃描,可大大降低衛星信號的掃描范圍,提高信號的捕捉速度及精度,使得天線在各種動態條件下快速完成衛星信號的搜索及鎖定,確保系統的機動特性。
           

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