动中通天线自动跟踪系统结构及刚度研究

陈东坡

摘要：“动中通”天线自动跟踪系统，采用两轴稳定平台，安装一个抛物面环焦天线。具有ka和ku两个波段。在车辆运动或静止时，天线实时跟踪同步地球卫星，实现地面车辆和卫星通讯。

本文介绍结构设计、系统刚度研究等方面关键技术。

系统采用A-E型双轴转台的通用结构形式，方位轴、俯仰轴可以自由转动，俯仰轴承载一个支撑座，天线、IMU及其控制电路安装在支撑座上。天线极化方向通过控制馈源旋转解决。

系统采用等刚度设计原则，为了提高结构刚度，降低重量，选用比强度和比刚度高的材料；优化设计结构形状，合理布置各搭载部件的位置，减小转动体的转动惯量；对转动轴进行静平衡设计，使质心落在轴心，减少配重块的质量；采用合理的散热措施，避免赋形环焦天线局部受热变形。

关键词：“动中通”；稳定平台；自动跟踪；刚度

1.概述

1.1国内外研究动态

“动中通”天线自动跟踪系统，在车辆运动或静止时，控制天线实时跟踪同步地球卫星，实现运动车辆和同步地球卫星信号传输。

“动中通”系统工作原理是，车辆在移动过程中，由于其运动姿态和地理位置发生变化，会引起卫星天线偏离卫星，使通信信号减弱甚至中断，因此必须对车体的这些变化进行隔离，同时通过卫星上信标信号完成天线漂移修正，使天线始终对准通讯卫星，实现移动状态下的不间断通讯[1] [2]。

目前国内外研究和生产动中通的单位较多，主要研制单位有：重庆航天新世纪卫星应用技术有限责任公司、重庆巴山仪器厂、中电集团第39研究所、航天恒星科技股份有限公司、北京爱科迪信息通讯技术有限公司等。

1.2 系统组成

“动中通”天线自动跟踪系统由赋型环焦天线、稳定平台、控制部分组成。里程计信息、GPS信息由总体提供。赋型环焦天线安装在稳定平台上。

稳定平台对于“动中通”系统是至关重要的，必须严格隔离车体角运动，隔离程度越高越好。

稳定平台采用A-E两轴结构，包括方位环和俯仰环，每个环上装有旋转变压器和力矩电机。方位环在外面，加装导电滑环，可以方位360°任意角度转动；俯仰环在里面，天线安装在俯仰环支撑座上，可以自由俯仰，角度范围13°～95°。

系统的惯性测量组件（IMU）包括三个光纤陀螺仪和三个加表，安装在俯仰环支撑座上。天线也安装在俯仰环支撑座上，因此IMU与天线固联，可以使用同一坐标系。

光纤陀螺仪电路简单，直接输出数字量，无需交流电源和力反馈等外置电路，方便系统调试和维修。光纤陀螺仪模型简单，在倾斜状态下寻北精度可以达到±0.3°。相对机械陀螺，光纤陀螺仪可靠性高，平均无故障时间达20000小时，适合于长时间工作；光纤陀螺仪抗震性能良好，适合与车载越野环境[3] [4]。

系统馈源轴装有旋转变压器和力矩电机，用于控制天线馈源的位置。工作过程中，馈源轴处于位置伺服状态，系统根据横滚陀螺仪Gy和X加表测量车体横滚运动，稳定馈源轴。

2.结构概述

2.1 组成

结构设计分为天线组件、方位环架、俯仰环架、惯性测量组件（IMU）等部分组成。

系统采用双轴转台的结构形式。俯仰轴承载一个支撑座，賦形环焦天线、IMU及其控制电路安装在支撑座上。方位轴、俯仰轴可以自由转动，通过稳定平台可以隔离车体角运动。通过计算和控制，这种双轴转台可以实现双轴稳定平台，从而实现天线电轴指向和对准卫星。天线极化方向可以通过控制馈源旋转解决，而不必通过天线整体旋转的方法解决。根据卫星信号的极化方向调整馈源轴，使赋形环焦天线的极化方向与卫星保持一致。

2.1.1惯性测量单元（IMU）

惯性测量单元（IMU）由支架、三只光纤陀螺、三个加表、一只温度传感器等组成。支架上留有安装基准或销钉，便于安装在支撑座上，并保证互换性。三个光纤陀螺正交放置在支架上，光纤陀螺的插件和输出电缆应符合电磁兼容要求，电缆首先进入支架内部，再由IMU插件转接到外部伺服控制组合。支架采用中空结构，内部安装加表支架，加表支架上安装三个加表，信号线也由IMU插件转接到外部伺服控制组合，有利于加表的电磁兼容。用金属盖板把支架封闭，统一设计一只IMU插件，陀螺、加表、温度传感器的信号都通过插件转接到外部伺服控制组合。

2.1.2支撑座

支撑座是一个装配平台，赋形环焦抛物面天线、惯性测量单元、伺服控制组合、微波器件等装在支撑座上。支撑座内侧采用平底碟形结构，赋形环焦天线组件通过法兰固连在支撑座上。支撑座外侧安装两个半轴，通过轴承与U形方位框架连接。支撑座采用铝合金材料。为了增加支撑座的结构刚度和减轻重量，综合考虑支撑座的质量分布，布置支撑座上的加强筋。

由于安装在支撑座上方的天线组件较重，为了减少配重，设计支撑座的质量分布，把加强筋放在上部，这样也符合支撑座的受力情况。上部承受压应力，下部承受拉应力。

在设计波导管时，尽可能减少波导管的折弯次数，减小波导管的长度，能够减少微波在传递过程中的损失。

2.2 基准设计

2.2.1方位基准及方位电机旋变的零位对准

在底座侧面的小平面上和U形方位框架上分别安装对准工装，通过光学仪器调整底座和U形方位框架上的两个基准面平行，通过工装使U形方位框架和底座固连。调节方位电机和方位旋变的零位。调整完毕后固定方位电机和旋变。

2.2.2俯仰基准及俯仰电机旋变的零位调整

在图5所示轴端安装调试工装，可通过光学仪器对准，使支撑架水平或与水平面45°夹角（零位），调整俯仰电机和旋变的零位，然后安装固定。

2.3 静平衡设计

根据控制要求，需要对俯仰轴、方位轴等，进行静平衡设计。馈源轴是一个回转体，轴上装配的元器件均为环形对称结构，只需进行静平衡测试即可。

3.结构刚度研究

3.1 结构刚度概述

车辆在行驶的过程中，会受到路面的影响，而产生冲击和振动，车内发动机、车载其它设备和乘员等也可能产生周期性或随机的冲击和振动。

结构在动载荷作用下，总要产生一定的振动响应，结构振动常是结构损坏、环境恶化、设备精度和可靠性降低等工程事故的主要原因[5]。因此研究结构的动力特性和动力强度，已日益成为结构设计中的重要课题。

本课题研究时，用有限元法对平台系统中的关键件的结构谐振频率进行仿真分析。

3.2 结构刚度分析

3.2.1惯性测量单元（IMU）组件的振动模态

IMU组件是系统的核心，垂直正交装有三个高精度光纤陀螺和三个加速度计，其刚度直接影响到系统的精度和平台的稳定，一阶谐振频率为953Hz，其它阶次的谐振频率均比一阶高，能够满足系统要求。

3.2.2支撑座

支撑座是稳定平台的载体，赋形环焦天线、IMU组件、伺服控制组合等组件均装在支撑座上。其一阶谐振频率为786Hz。

3.2.3赋形环焦天线

赋形环焦天线的谐振频率较低，可根据试验情况决定是否采取减振措施，以防随系统共振。

3.2.4 U形方位框架

U形方位框架連接方位轴和俯仰轴，其结构刚度直接影响系统的支撑刚度。为了提高结构刚度，减小重量，采用比刚度高的铝合金材料，采用中空结构形式，在合适的位置设置加强筋，同时考虑铸造的工艺性，采用分体式结构。

经过多次优化设计，该组件的最低谐振频率大于300Hz，能够满足设计要求。

3.2.5装配体的模态分析

用模拟负载法对整机进行简化，进行了振动分析，见图8简化的整机仿真模型。用一个模拟负载代替赋形环焦天线组件，重量和赋形环焦天线组件相同。一阶谐振频率为97Hz。

通过分析和计算，装配体在不安装赋性环焦天线和微波组件时的最低谐振频率应在80～100Hz之间，能够满足稳定系统对结构的刚度要求。装配赋形环焦天线后，系统的最低谐振频率大于60Hz。能够满足微波通讯的要求。

4.结论

本文主要研究了动中通天线自动跟踪系统的关键问题：结构及刚度。结构形式决定结构刚度，小型化及轻量化是结构设计永远的追求目标。刚度提高也有助于系统精度的提高。精确控制阻力矩，能够使结构更优化，降低系统的转动惯量，提高系统的精度，减少响应时间，满足使用要求。

参考文献

[1]牛传峰，杜彪，韩国栋.等.低轮廓动中通天线 中国电子科学研究院学报，2013年4月.第2期149～155

[2]姜军，陈庆伟，郭健.等.两种动中通自稳定结构比较研究 南京理工大学学报 ，2011年10月 第35卷.第5期 681～686.

[3]吴文敬，谷志慧，高悦.小型动中通应急指挥车的设计与实现 现代电信科技， 2013年5月第5期 35～42

[4]许道峰，何纬.载体运动对动中通天线指向影响 指挥信息系统与技术 2012年6月 第3卷. 第3期 59～62.

[5]李岩.光电稳定跟踪装置误差建模及评价问题研究[博士学位论文]长沙：国防科学技术大学，2008年1月.