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光纖陀螺儀雷達、衛星跟蹤通信系統中應用

      一般來說,雷達天線安裝在桅桿上,相對開放的地方,其目的是為了避免各種干擾引起的信號源或電磁輻射。為了保證工作的穩定性和可靠性,在專門設計的雷達天線配置一個穩定的平臺,這是一個不受影響的程度。但在實際應用過程中,雷達天線會由于外部振動的情況下,其結構存在的停滯和安裝在實際使用中產生誤差等原因造成的傾斜,傾角傳感器可以準確測量各種原因導致的角度偏移,實時檢測角度信號的數字量或模擬量的形式轉讓出去,可以直接連接識別相應的信號顯示儀和相應的控制系統,實現對雷達天線的實時檢測和控制,保證其正常穩定的工作。

 

衛星自動跟蹤系統

       衛星自動跟蹤系統是用以保證衛星發射天線在車體運動時對衛星的準確指向。其主要設備有:

       (1)天線座,采用卸載和儲力方式減小天線傳動時的負載慣量。

       (2)伺服,采用位置環或速度環控制方式,使用模擬硬件提高電路響應速度,減小伺服跟蹤系統的動態滯后誤差。

       (3)數據處理,使用專用的數學解算平臺,對誤差信號、載體的動態信號進行處理,解算出天線的控制信號。

       (4)載體測量,使用捷聯慣導測量和其他測量手段組合測量出載體的變化量,使其反應在天線跟蹤上。其中,光纖陀螺是在光學干涉原理基礎上發展起來的新型導航儀器,成為新一代捷聯式慣性導航系統理想的主要部件,用于對所設想的物體精確測向。石英撓性擺式加速度計是由熔融石英制成的敏感元件,撓性擺式結構裝有一個反饋放大器和一個溫度傳感器,用于測量沿載體一個軸的線加速度。光纖陀螺三軸慣測組合由三個光纖陀螺儀和三個石英撓性擺式加速度計組成,可以實時地輸出載體的角速度、線加速度、線速度等數據,具有對準、導航和航向姿態參考基準等多種工作方式,用于移動載體的組合導航和定位,同時為隨動天線的機械操控裝置提供準確的數據。對動中通系統來說,其主要性能要求是:加表精度1×10-4g;光纖陀螺精度(偏置穩定性)≤1°/h;標度因子線性度≤5×10-4。

 

衛星通信系統

      衛星通信系統的作用是使電視信號上行傳輸到衛星,并由轉發器下行傳送到地面衛星接收裝置。其主要設備有:編/解碼器、調制/解調器、上/下變頻器、高功率放大器、雙工器和低噪聲放大器。

“動中通”系統工作原理

      載體在移動過程中,由于其姿態和地理位置發生變化,會引起原對準衛星天線偏離衛星,使通信中斷,因此必須對載體的這些變化進行隔離,使天線不受影響并始終對準衛星。這就是天線穩定系統要解決的主要問題,也是移動載體進行不間斷衛星通信的前提。

   “動中通”跟蹤系統是在初始靜態情況下,由GPS、經緯儀、捷聯慣導系統測量出航向角、載體所在位置的經度和緯度及相對水平面的初始角,然后根據其姿態及地理位置、衛星經度自動確定以水平面為基準的天線仰角,在保持仰角對水平面不變的前提下轉動方位,并以信號極大值方式自動對準衛星。在載體運動過程中,測量出載體姿態的變化,通過數學平臺的運算,變換為天線的誤差角,通過伺服機構調整天線方位角、俯仰角、極化角,保證載體在變化過程中天線對星在規定范圍內,使衛星發射天線在載體運動中實時跟蹤地球同步衛星。系統跟蹤方式有自跟蹤和慣導跟蹤兩種。自跟蹤是依靠衛星信標進行天線閉環伺服跟蹤;慣導跟蹤是利用陀螺慣導組合敏感載體的變化進行天線跟蹤,這種跟蹤方式有時候常被稱為引導。這兩種跟蹤可根據現場情況自動切換。當系統對星完畢轉入自動跟蹤后,以自跟蹤方式工作;與此同時,慣導系統也進入工作狀態,并不斷輸出天線極化、方位和俯仰等數據。當由于遮擋或其它原因引起天線信標信號中斷時,系統自動切換到慣導跟蹤方式。

 

動中通的跟蹤

       載體運動時需要對衛星信號或衛星信標信號進行連續跟蹤,根據不同系統的需要可以采取不同的跟蹤方式。按跟蹤原理,自動跟蹤可分為三種體制:步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。

 

步進跟蹤

       步進跟蹤又稱極值跟蹤, 它是一步一步地控制天線在方位面內和俯仰面內以一個微小的角度作階躍狀轉動, 使天線逐步對準衛星。直到接收到的信號達到最大值后, 系統才進入休息狀態, 經過一段時間后, 再開始進入跟蹤狀態, 如此周而復始地進行工作。圖 1所示為步進跟蹤的原理框圖。

圖 1 步進跟蹤系統原理框圖

       在這種方式中, 天線的進動分為搜索步和調整步兩種。搜索步動作后, 整個跟蹤系統就開始工作, 包括對信號數據取樣、場強記憶、比較等, 待經過若干次搜索, 并確定天線應該轉動的方向后,天線就回到原來位置, 然后向衛星方向轉動一步。這最后的一步就稱為調整步。所以, 調整步與搜索步的主要區別在于調整步動作后天線不會回到原處, 而搜索步則不一樣。不管搜索步動作多少次, 只要完成規定的次數后, 天線就回到原處, 接著天線就轉動一個調整步。在實際系統中它們可以是分開的, 也可以是同一步。

       單脈沖跟蹤

       單脈沖跟蹤方式的特點是天線的射束固定,在一個脈沖的間隔時間內就能確定天線波束偏離衛星的大小和方向,獲取天線方位軸和俯仰軸運動的誤差信號以驅動伺服系統,使天線迅速對準衛星。單脈沖跟蹤有多喇叭方式和高次模方式,多喇叭方式通常有幅度比較和相位比較兩種。對于拋物面天線,通常配置多個喇叭,用幅度比較方式產生誤差信號進行跟蹤。高次模方式則是當天線對稱軸偏離衛星方向時,提取饋源波導管內產生的高次模作為位置誤差信號進行跟蹤。單脈沖跟蹤體制的跟蹤速度和跟蹤精度都比圓錐掃描跟蹤體制和步進跟蹤體制要高出幾個數量級,但它設備復雜,成本較貴。

      圓錐掃描跟蹤

      圓錐掃描跟蹤是把饋源喇叭繞天線對稱軸作圓錐運動,或把天線副面傾斜旋轉,這樣天線波束呈圓錐狀旋轉。當天線軸對準衛星時,信標電平將受到一個頻率極低的信號對其進行幅度調制。調制頻率與波束旋轉頻率相同,調制深度與波束偏離衛星的距離有關,偏離大,調制深度大;偏離小,調制深度淺;不偏離,調制深度等于零。調制的相位與波束偏離的方向有關,所以由調制信號的幅度和相位就能檢測出天線波束的指向誤差,并根據指向誤差來確定電機驅動天線轉動的方向和大小。

 

      三種跟蹤體制的比較

      從三種跟蹤原理的工作方式上來看,它們在本質上是相同的,都是在取得多個AGC信號后比較并確定電機的轉動方向和幅度。步進跟蹤是分別在方位和俯仰面內采樣后驅動電機帶動天線在方位和俯仰面內轉動;圓錐掃描跟蹤則是饋源在電機驅動下作圓錐運動并在該過程中比較信號電平的大小來對準衛星;單脈沖跟蹤則在一個脈沖的時間內就能確定電機的轉動方位和幅度。

      單脈沖跟蹤的精度和速度都比較高,但系統比較復雜,造價高,一般適用于精度要求較高的地方;圓錐掃描的精度雖能滿足一般系統的要求,但結構比較復雜,對信號損耗較大,而且跟蹤速度也比較慢;而步進跟蹤的速度和精度都界于兩者之間,并且整個系統比較簡單,實現起來比較容易,因而得到了較廣泛的應用。

 

       穩定技術

  對于動中通系統來說, 如果僅有跟蹤, 那么天線在載體大的波動下很容易丟失信號而造成通信中斷。因此, 必須有天線穩定系統來隔離載體運動造成的干擾。車載天線的穩定系統有兩種實現方法: 1,物理平臺穩定;2,捷聯式穩定。

       ( 1) 物理平臺穩定 在車載天線和車體之間通過一個穩定平臺來隔離, 車體的運動被穩定平臺隔離在車載天線系統之外。這相當于把車載天線固定在大地平面上, 很容易實現精確對星, 且對準衛星以后不再需要調整天線的指向。這種方法把車載天線穩定系統分割成一個穩定平臺系統和一個天線伺服系統。天線的穩定對星依賴于穩定平臺, 自主能力差, 系統復雜, 相對成本高。

       ( 2) 捷聯式穩定 利用載體上陀螺、GPS等提供的信息, 通過坐標變換, 建立一種數學平臺, 計算出伺服系統的修正量。系統由于結構簡單、可靠性好、體積小、成本低、容易維修等特點而得到了廣泛使用。

     “動中通”車能在20~100km/h的行駛速度下通過衛星雙向傳送數字電視,廣播,數據信號,保障運動載體在移動過程中不間斷進行寬帶多媒體衛星通信。

 

“動中通”系統特點

“動中通”在直播中有以下優點:

       (1)在轉播過程中采用自主跟蹤方式跟蹤衛星,充分利用了衛星通信覆蓋區域大、抗干擾能力強、線路穩定的特點,可實現點對點、點對多點、點對主站移動衛星的通信;

       (2)“動中通”車具有靈活、機動的轉播特點,能確??焖?、實時的靜態和動態現場直播;

       (3)自動重捕時間短,駛出通信盲區后能快速恢復通信;

       (4)與OFDM“無方向”移動微波設備相比,“動中通”車無需收、發設備操作人員在惡劣環境條件下工作,節約了人力、物力,而且減小了電磁輻射污染;

       (5)信號傳輸過程的節點減少,提高了轉播質量和可靠性;

       (6)能降低大范圍、復雜場景直播過程的運行成本。

然而,受目前技術的限制,“動中通”仍存在一些不足,主要是:

       (1)在轉播環境比較復雜(建筑物太高、太多,橋梁、山區等)的情況下,會出現信號中斷現象;

       (2)用兩輛“動中通”車傳送不同電視圖像信號,在圖像播出時不易做到無閃點連接(兩車同時遇到閃點);

       (3)“動中通”車與移動信號采集車之間信號傳輸不易(兩車的方向、位置在不斷變化)。

 

AgileLight系列光纖陀螺動中通中使用的優勢

       AgileLight系列光纖陀螺性能穩定,能夠抵抗沖擊和各種惡劣環境,價格優勢明顯,既可以作為低成本光纖陀螺慣導系統中的主要部件,也可以用于伺服系統,是動中通系統的理想選擇。

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