移动卫星通信天线系统的矢量控制法

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1、移动卫星通信天线系统的矢量控制法滕云鹤(清华大学精密仪器系，北京　100084)作者简介：滕云鹤(1935—)，男，教授，博士生导师，主要从事导航与自动控制研究。本文引用格式：滕云鹤.移动卫星通信天线系统的矢量控制法[J].兵器装备工程学报，2016(7):1-4.Citation：format:TENGYun-he.VectorControlMethodofAntennaSystemforMobileSatelliteCommunications[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngi

2、neering,2016(7):1-4.摘要：本文论述移动卫星通信天线系统的矢量控制方法，采用天线对准卫星不依赖于卫星信号，并且借助于捷联惯导系统的数字平台可以排除角运动干扰和长距离线运动干扰。为实现在赤道附近大范围地区的移动卫星通信，本文讨论了方位-俯仰与横滚-俯仰两种结构的矢量控制方法和它们的控制方程。另一台MEMS捷联惯导系统安装在天线上，给出了天线导航参数。天线信号的极值搜索法提高了跟踪精度。GPS信号用于与捷联惯导系统构成GPS/SINS组合系统以修正捷联惯导系统的误差，最后给出了移动卫星通信天线矢量控制

3、系统方框图。关键词：卫星通信；天线稳定；矢量控制；捷联惯导系统；动中通保密通信是现代海空陆(SEAL)立体化战争中的一个非常重要的问题。要求运动载体相对于运动载体，或运动载体相对于固定点，实现语音、数据、图像等保密通信。本文用矢量控制的方法来论述保密通信的天线控制问题。从观测点到卫星的连线，称为观测矢量，这个矢量是确定的、唯一的。观测矢量的参数取决于通信卫星的参数以及观测点的地理座标系参数。要求在任何地点、任何时间、任何干扰作用下，系统都能控制天线矢量对准卫星。为此将天线控制系统做成一个矢量控制系统。“矢量控制”是

4、一个重要的概念。基于这个概念，天线矢量对准卫星不要求有卫星信号。所以，或在城市有高楼或者在山区有高山遮挡；或在山洞中、在车库内没有卫星信号，仍可以控制天线矢量指向卫星。只要天线离开遮挡物体，可以立即收到卫星信号。不同于采用陀螺稳定、卫星信号闭环的系统，在没有卫星信号时系统处于开环状态，在出现卫星信号后需要重新搜索寻找卫星构成闭环状态。基于矢量控制的概念，可以扩展到宇宙空间的定向通信。在宇宙空间的两个运动体，可以连成一个矢量，作出矢量的运动方程。根据矢量运动方程建立矢量控制系统，实现宇宙空间运动体之间的定向通信。为解

5、决赤道附近地区天线的稳定和跟踪方法，本文研究了方位-俯仰与横滚-俯仰两种天线结构，分析了它们工作上的特点，并且根据矢量控制概念给出了两种结构的矢量控制方程和它们的相互转换关系。在计算机迅速发展的现代科学时代，采用数学的捷联式稳定和控制方法，即“数字平台”，代替物理的机械的方法(即“物理平台”)是必然趋势。为此将一套惯导系统直接安装在载体上，构成捷联惯导系统。用计算机构成数字平台实现天线的矢量控制，排除崎岖山路或海浪波动造成的角运动干扰和长距离运动造成的线运动干扰。本文还论述了将MEMS安装在天线上构成另一个与天线捷

6、联的惯导系统，输出天线的导航参数和辅助控制角速度信号。此外，天线的信号场强自寻极值控制，可以使天线跟踪卫星时的误差最小；引入GPS(或北斗系统)信号构成组合导航系统，可以修正捷联惯导系统的长期积累误差。移动卫星通信的一个通俗名称为“动中通”，“Satcomonthemove”，简称时常用这个名称。1　通信卫星在地理坐标系中的矢量讨论在地球赤道平面内的同步通信卫星。在地球上任意一点G观测通信卫星时，可以用图1表示。图中(λs,λ,φ,h)图1　观测点G对准卫星S时的矢量图设载体G点在北半球，处于通信卫星信号覆盖区内，

7、它的纬度为φ，经度为λ。静止同步卫星在赤道上空的定点经度为λS，同步卫星的高度为h，如图1所示。在G点天线对准卫星时的矢量，在地理坐标系中可以用方位角A和俯仰角δ确定。G点的矢量是确定的、唯一的。可以用方程式(1)、(2)表示：式中β为地心角距，cosβ=cos(λS-λ)cosφ, RS=RE+h，RE为地球半径。2　方位-俯仰天线的捷联矢量控制法G点的地理坐标系为OXtYtZt，Xt轴指东，Yt轴指北，Zt轴指天。天线初始位置指北，为方位角A的零位，转过方位角A。再从水平面起转俯仰角δ，水平面为δ的零位。天线矢

8、量指向通信卫星，如图2所示。在地理坐标系中天线矢量的3个分量，如图3和式(3)所示(3)图2　方位俯仰天线结构示意图图3　天线矢量的3个分量天线安装在载体上，没有物理平台隔离载体的角运动干扰。在载体上安装一台捷联惯导系统。根据动力学建立载体的运动微分方程，惯导系统用陀螺和加速度计实时采集载体的运动数据进行高速运算。在计算机中建立一个数学平台，给出载体的水平面