基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定系统的分析与设计

幸雪初，王湘新，陈绍黔

（湖南省公安消防总队，长沙 410205）

基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定系统的分析与设计

幸雪初，王湘新，陈绍黔

（湖南省公安消防总队，长沙 410205）

本文首先分析了两轴陀螺稳定原理，提出了方位/俯仰控制结构，然后基于LandMark 10 AHRS，讨论了动中通天线稳定系统的原理、算法，以及算法的实现，在此基础上，提出了一种基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定系统的稳定方案。

卫星通信；卫星天线；动中通

1 引言

动中通天线面临着轮廓与增益、体积与重量、性能与价格等矛盾。为了更深层次发掘动中通天线的应用市场，实现更大规模的产业化应用推广，最终实现移动卫星通信行业的革命性发展，动中通天线必须向着多频段、低轮廓、小重量、低成本、高可靠性、高环境适应性的方向发展。

多年来，我国高增益的动中通天线的控制方法以高精度的惯导为条件，一方面价格昂贵，另外一方面产品可靠性差、寿命短。开发控制精度高、同时低成本的动中通天线具有重大意义。本文提出了一种基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定系统的稳定方案，就该方案的关键问题进行分析。

2 两轴陀螺稳定原理的分析与设计

2.1 结构简图和坐标规定

车载动中通天线系统是两轴稳定系统，是在方位、俯仰组成的平台上实现视轴稳定。图1为两轴稳定平台结构图，oxbybzb为载体坐标系（约定），a为方位环，其坐标系为oxayaza，oza和ozb重合，oxayaza相对oxbybzb绕ozb的转角θa为方位角，f为俯仰环（天线），其坐标系为oxfyfzf（OXYZ，稳定台体），oxa和oxf重合，oxfyfzf相对oxayaza绕oxf的转角θf为俯仰角，oyf与极化轴平行，是稳定的对象。

图1 双轴稳定平台结构图

在f台体上安装有两个单自由度陀螺，分别为方位陀螺仪GZ和俯仰陀螺仪GX，它们的输入轴分别为xgz和xgx。

当θf=0时，xgz同方位环安装轴oza平行，xgx始终同俯仰环安装轴oxa平行。

2.2 载体角速度的隔离

为讨论问题的方便，在这里不考虑机械结构的安装误差，也不考虑陀螺的安装误差，同时假设各种耦合误差为0。

图2

图3

如图2所示，ωib（ωibx,ωiby,ωibz,）将通过oza轴的直接带动和几何耦合传递给方位环a，当方位环伺服回路工作时有

如图3所示，ωia（ωiax,ωiay,ωiaz,）将通过oxa轴的直接带动和几何耦合传递给俯仰环f，当俯仰环伺服回路工作时有

综合（1）和（2）式，有

根据卫星天线稳定跟踪系统的实质，既要保证ωX=0，ωZ=0，则

cos+由俯仰陀螺测得，故俯仰陀螺必须与oxf平行。

（ωibycosθa-ωibxsinθa）tgθf-ωibz由方位陀螺测得。显然，secθf，即台体绕极化轴有转动，会影响极化轴的极化角度，可以通过极化电机进行补偿。

从以上载体角速度的隔离分析得到的结论是：天线跟踪的实质是稳定极化轴的空间方位，对于绕自身的转动只会影响极化角，极化角度的补偿可以通过极化电机来实现。理论上是可以实现无误差跟踪的，方位和俯仰轴的控制原理结构如图4所示。

图4 方位/俯仰控制原理结构

3 LandMark 10 AHRS在车载动中通天线稳定系统中的应用

图4给出的陀螺两轴车载动中通天线稳定平台实现的是载体角速度的隔离，但动中通天线系统要求实现天线对卫星的对准，要求实现位置的稳定，必须实现载体“位置”的隔离，否则角速度隔离误差的长期累计，会导致天线指向的漂移。因此必须引入惯性器件对位置误差进行修正，这里给出基于LandMark 10 AHRS的稳定方案。

3.1 LandMark 10 AHRS简介

LandMark 10 AHRS是一款低成本、高性能姿态方位参考系统，由MEMS角速度陀螺、加速度传感器、磁场计和气压高度计组成，在全温范围内对零偏，比例因子，轴对准和g灵敏度等进行了补偿。匹配GPS辅助姿态方位参考系统，或者输入外部速度信号，能有效抑制线加速度和转向时离心力带来的角度误差。

它们的显著特点是低噪音、优秀的全温零偏性能、低功耗、优秀的G-灵敏度性能和轻重量，抗恶劣环境设计，能够抵挡诸如商业飞机环境上的振动和冲击。无移动部件，长寿命，角速度输出与偏移等级无关，适合车载动中通天线稳定系统的应用。

3.2 LandMark 10 AHRS在天线平台上的装载方法惯性器件在平台上的不同安装方法，姿态隔离算法是不相同的。这里LandMark 10 AHRS装载在方位旋转平台上，平台俯仰轴和惯导Y轴平行，平台极化轴在水平面的投影和惯导X轴平行，平台方位轴和惯导Z轴平行。

3.2.1 坐标定义

为问题讨论方便，定义三种坐标系。

⊙ 平台旋转坐标系。角度为：（θxz,θxy,θxx）。

⊙ 惯导坐标系。角度为：（θpz,θpy,θpx），同时GPS测量的到的航迹角为（θgz）。

⊙ 地理坐标系。在地理坐标系里计算得到的方位、俯仰和极化角称为理论对星角，标记为（Az0,Ez0,Pz0）。

考虑载体俯仰和横滚后，理论对星角度经过修正后得到的角度称为实际理论对星角。标记为（Az,Ez,Pz）。

3.2.2 坐标系测量基准关系

3.2.2.1地理坐标系和惯导测量的航向角的关系

LandMark 10 AHRS测量的得到的航向角是以正北为基准的，与地理坐标系一致，故认为（Az0,Ez0,Pz0）和（θpz）之间的基准误差为0。

3.2.2.2平台旋转坐标系方位测量基准与惯导测量的航迹角度关系

LandMark 10 AHRS测量的航迹线指向车体行进方向，平台旋转坐标系方位角度测量基准为平台上固定一点，它们之间的关系是一个确定的关系，设为（∆Axg），即

在天线一次安装中，∆Axg为常数值，通过标定得到；θgz为测量航迹角。

3.2.2.3LandMark 10 AHRS测量的俯仰和横滚角度基准和平台旋转坐标系俯仰、极化测量基准关系

（θaz,θay,θax）测量的基准为水平面，平台旋转坐标系俯仰、极化测量基准为平台上固定点，他们之间的关系是确定的，分别设为：（∆Exa）和（∆Pxa）

图5 基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定算法的实现

式中，（∆Exa）和（∆Pxa）为常数值，通过标定得到。

3.3 基于LandMark 10 AHRS的位置误差修正算法

3.3.1 理论初始对星方位和俯仰角度计算公式

式中，α为载体所处位置的经度；β为卫星所处位置的经度；γ为载体所处位置的维度。

3.3.2 理论极化角度计算公式

3.3.3 非水平面理论对星角度的修正计算公式

3.3.4 基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定算法的实现

在两轴速度隔离的基础上，基于LandMark 10 AHRS的车载动中通天线稳定算法需要得到的结果是：在平台旋转测量的坐标系里，适时计算得到正确的天线对星方位角、俯仰角和极化角，为天线的控制提供正确的参考依据。

算法的实现分为三个部分，一是计算所需要信号的采集或估计，二是系统的标效，三是结果的计算。

（1）信号的采集。算法需要的原始信号有：载体经、纬度，航迹角（θgz），载体的姿态角度（θpz,θpy,θpx），通过LandMark 10 AHRS得到。卫星的经度，通过系统设定得到。

（3）结果计算。结果计算过程如图5，分3步来实现。

4 结束语

到此，本论文分析了两轴陀螺稳定原理，同时说明了它实现的是载体角速度的隔离，但动中通天线系统要求实现天线对卫星的对准，要求实现位置的稳定。本文提出基于LandMark 10 AHRS低精度惯导的动中通天线稳定方案，分析了稳定方案的原理和算法、以及算法的实现，本论文所提出的算法均在相关产品中得到应用。

[1] 甘仲民，张更新．卫星通信技术的新发展．通信学报，2006 (8), 2-8

[2] 魏英杰．动中通地面站卫星天线伺服控制系统．无线电通信技术，2007(3),30-32

[3] 伍宗伟，姚敏立，蔡国新．车载低轮廓动中通的三轴稳定分析与设计.压电与声光，2010(8),554-557

Analysis of Satellite Communication Antenna on the Move based on LandMark 10 AHRS

Xing Xuechu,Wang Xiangxin，Chen Shaoqian
(HuNan Municipal detachment of public security of fire control, Changsha, 410205)

This article firstly analyzes the principle of two-axis gyro stabilized platform, Introduces the control Structure of azimuth/Pitch axis.Then this paper discusses the principle, control algorithm, and algorithm realization. In the Last part, this paper introduces a new method of attitude stability used by Satellite Communication Antenna On the Move Based on LandMark 10 AHRS.

Satellite Communication; Satellite Communication Antenna; Communication in Moving

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.09.007

TN927+.2，TN82

A

1672-7274（2015）09-0031-04

幸雪初，男，1974年生，湖南省公安消防总队司令部高级工程师，硕士研究生，研究方向为消防应急通信。

王湘新，男，1973年生，湖南省公安消防总队司令部高级工程师，硕士研究生，研究方向为计算机技术。

陈绍黔，男，1975年生，湖南省公安消防总队司令部高级工程师，硕士研究生，研究方向为计算机技术。