车载天线指向精度的研究

2018-03-21刘会锋李艳梅

无线电工程 2018年4期

刘会锋，李艳梅

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；2.中国人民解放军63756部队，山东青岛 266100)

0 引言

卫星通信是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站2部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大，只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响，只要设置地球站电路即可开通；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信。

随着我国现代化建设和以多媒体为代表的信息高速公路的发展，今后10年我国卫星通信将有一个更大的发展，并将以自主的大容量通信卫星为主体，建立起完善、长期稳定运行的卫星通信系统。逐步开展车载卫星移动通信服务，石油、地质、新闻、水利、外交、海关、体育、抢险救灾、银行、安全、军事和国防等部门均配备了相应业务终端，其中车载天线是车载卫星通信的重要组成部分。

在车载天线系统中指向精度是很重要的一个指标，也是比较难测试的指标，车载天线能否正常使用和指向精度直接相关，系统的每一个环节都有可能影响到指向精度，比较重要的环节主要是车体结构、天线结构和伺服控制系统，目前车载天线系统应用很多，设计方法也各不相同，本文从车体结构、天线结构和伺服控制的设计入手介绍提高指向精度的方法[2]。

通过分析影响车载天线系统指向精度的因素，从结构设计和伺服控制算法入手，给出解决方法。

1 车载天线系统分析与设计

车载天线系统主要由天线控制单元、天线驱动单元、轴角编码单元、安全保护单元和车载座架单元等组成，系统组成框图如图1所示。

图1 车载天线系统组成

1.1 天线控制单元

天线控制单元(ACU )主要包括嵌入式控制器EC-4217，支持4路DI(24 V输入，悬空认为低电平)，4路DO(继电器输出，最大电流2 A)，3路RS232，2路RS422及1路RS485，2路隔离CAN总线接口，2路10/100 Mbps工业以太网接口，4路16位ADC，输入信号范围为±10 V，4路12位DAC。

ACU是天线控制系统的核心部分，天线控制软件运行在ACU内，通过ACU的前面板可以完成对天线的操作，在远控模式下接收上级监控台的指令，完成所需要的任务。

通过CAN口通信采集轴角传感器的数据、通过DO端口采集安全保护单元的状态，结合控制指令和控制算法计算出天线需要转动的速度和角度，最终控制天线驱动单元驱动天线转动，完成所需要的跟踪任务，天线控制单元是车载天线系统的运算决策部分[3]。

1.2 天线驱动单元

天线驱动单元的主要作用是根据天线控制单元的指令驱动天线座架转动，完成跟踪目标的任务，天线驱动单元是车载天线系统的动力执行部分。

现在常用的天线座架由方位转轴和俯仰转轴2部分组成，所以天线驱动单元分为方位轴驱动单元和俯仰轴驱动单元2部分，分别驱动天线的方位轴和俯仰轴。

天线座架的驱动链条主要包括电机、减速机和齿轮组，在驱动过程中存在齿隙，齿隙的大小直接影响到天线的指向精度，尤其减速机和齿轮组的啮合处齿隙最大。

目前为了减小齿隙最常用的方法是采用双电机驱动，使用2个电机减速机组合和齿轮组啮合，在驱动器内有2套驱动系统分别控制2个电机，主要原理是通过力矩偏置和力矩均衡电路去控制电机的工作状态，保证减速机的齿轮和齿轮组的齿轮机密啮合没有齿隙，保证天线的指向精度[4]。

1.3 轴角编码单元

轴角编码单元主要包括轴角传感器和供电电路，轴角传感器的转轴和天线座架的转轴通过同步装置连接，在天线座架转动的同时轴角传感器同步转动，同时天线控制单元根据轴角传感器的数据控制天线的位置，所以轴角传感器的精度决定了天线座架的转动精度。

试验中轴角传感器采用光电码盘MMCD-C5BD-S06S-PRM-M50，该光电码盘具有16位精度，能分辨天线座架0.005°的变化，足够满足车载天线系统的要求[5]。

1.4 安全保护单元

安全问题是设计中首要考虑的问题，不但要保证操作人员的安全也要考虑设备自身的安全，在设计中使用了3级保护：软件限位保护、电限位保护和硬件限位保护。

软件限位是在软件中设置天线的转动范围，如果转动超出范围控制驱动器停机。电限位是在天线的极限位置设计接触式传感器，如果触碰到传感器则控制驱动器停机。硬件限位是在转动极限位置附近设计阻挡天线转动的碰块，如果天线超出极限位置碰撞到碰块，驱动器过流保护停机。

在天线运输或大风时防止天线晃动损坏传动链条，设计了入锁装置，入锁轴插入入锁装置保证天线在运输或大风时天线不晃动，防止天线损坏，在天线工作前可以解除锁定[6]。

2 指向精度分析

指向精度定义为在规定条件下保持天线(对固定指向天线)或转动天线所能达到的精确度。

指向误差是指向精度(相对于名义指向)的一种量度，并定义为指令矢量和通信射频轴之间空间角度差。

指向精度可以规定为在指定频率上和规定的环境条件下天线波束宽度的百分比[7]。

在工程实践上指向精度要求为1/5波束宽度，波束宽度的计算公式为：

β=21/fΑ，

式中，β为波束宽度(°)；f为波束频率(kHz)；A为天线口径(m)。

2.1 指向精度误差源分析

2.1.1 误差源分类

从误差性质来讲，所有的误差都分为2类：系统误差(固有误差)和随机误差。

系统误差是指固定不变或有变化规律的误差，系统误差可以通过一定的方法进行标定和消除[8]。

随机误差是指没有固定数值和变化规律的误差，随机误差产生的原因是非常复杂的，任何系统误差源都会产生随机误差。

随机误差符合一定的统计规律，其数字特征一般有2个：算术平均值和标准方差。

算术平均值通常是随机误差分布的中心；标准方差则反应随机误差以算术平均值为中心的分散特性，即方差越大，数据越分散。

一般情况下，天线指向精度的随机误差符合正态分布规律。

2.1.2 重力载荷影响分析

重力载荷引起系统误差分量，它随天线仰角而变化，对于车载天线来说，反射器对于俯仰轴是平衡的，故重力载荷不产生与取向有关的偏差。引起指向误差效应最重要的重力变形是主反射器结构的下垂与挠曲的结果。由于支撑的几何关系，副反射器位移的效应部分地抵消了反射器转动效应。反射器、俯仰驱动机构及副反射器位移的合成效应导致系统误差，在俯仰轴读出的这一误差可归因为与反射器轴垂直的重力的分量，这一误差随仰角的余弦而变化。值得注意的是由反射器的重力变形而引起的波束偏转其方向因支撑而异。

重力变形误差很难建立数学模型，一般用下面的经验公式来近似计算。也可以建立一个与俯仰相关的数据修正表，采用查表法进行修正。

ΔE=βcosE，

式中，ΔE为俯仰变形角度(°)；E为俯仰的当前角度；β为重力变形系数。

2.1.3 风载荷影响分析

车载天线所受的风载荷作用有很多种，风不仅可以引起车载天线结构受力的变化，也可以引起天线结构的震动，所以风载荷的分析对车载天线至关重要。

由风载荷引起的指向误差是风速以及相对于风向的天线取向的函数，它包括反射器结构的偏差以及座架和基础的挠曲和转动。天线结构的力和力矩是风速(空气的速度) 以及天线相对于风的取向的函数。受气流的影响，风速在时间上是连续和随机变化的，它可以用非零平均高斯过程来描述。对于任意给定地点，经过研究发现风速的标准差是正比于平均风速的，其比值或常数与局部地形特征有关。

对于采用圆形抛物面的车载天线，在二维体轴坐标系内，风载荷有3个变量，计算公式为：

Fc=CcqA，FA=CAqA，

FM=CMqAD，q=0.5βV2，

式中，Fc为横向力；FA为轴向力；FM为风力矩；Cc、CA为风力系数；CM为风力矩系数；A为天线的面积；D为天线表征尺寸;β为空气密度；V为风速[9]。

某型车载天线的仿真结果如表1所示。

表1 仿真结果表

平均风速/(km/h)方位误差/(°)俯仰误差/(°)系统随机系统随机48．20．0080．0030．0020．00148．20．0170．0050．0050．002

2.1.4 温度变化影响分析

因为天线结构使用钢结构，均匀的温度变化导致均匀的膨胀或收缩，不产生指向误差。当天线处于天顶位置时，太阳辐射导致变形，这一变形对射频轴是轴对称的，这种变形影响反射器的表面精度，但不产生任何指向误差，当天线接近水平时，温度效应产生横过反射器的热梯度而引起指向误差。此时反射器的上部比下部温度高，这就引起射频轴下垂。类似地，横过座子结构的温度梯度使座子发生挠曲。根据测试估计出当天线水平并无风时1.2 kW/m2太阳辐射导致约5 ℃的温度梯度。有风时不可能产生这一温度梯度。可以假定从水平到天顶的热载荷引起的误差随仰角成余弦变化[10]。

主反射面的变形对指向精度的影响很大，车载天线工作在室外环境，环境的变化直接影响到车载天线，尤其天线面的热变形会引起主反射面的轴线偏转，导致天线的发射或接收波束方向偏移，最终表现为天线的指向精度降低。

主反射面轴向偏转0°、0.015°、0.05°情况下天线波束偏转的仿真结果如表2所示。

表2 主反射面热变形对天线波束指向的影响 (°)

副反射面在环境温度变化时也可能产生偏转角，这种偏转角的变化导致天线散焦、天线副瓣不对称、发射或接收的波束指向改变。副反射面轴向偏转0°、0.015°、0.05°情况下天线波束偏转的仿真结果如表3所示。

表3 副反射面偏转角对天线波束指向的影响

副反射面偏转角度/(°)波束偏转角度/(°)0．0000．0000．0150．00300．0500．0034

副反射面由于热变形有可能产生横向位移。以副反射面焦平面中心为基点，对副反射面发生横向位移的情况进行分析，副反射面横向位移0°、0.05mm、0.15mm情况下天线波束指向的仿真结果如表4所示。

表4 副反射面横向位移对天线波束指向的影响

副反射面横向位移/mm波束偏转角度/(°)0．0000．0000．050．00250．150．0080

从以上分析中发现，环境温度的变化可以导致天线波束指向的变化，主要表现形式有3种：主反射面轴线偏转、副反射面轴线偏转和副反射面横向位移，这3种形式中最主要的影响是主反射面轴偏，其他2种可以忽略不计[11]。

2.2 指向精度误差解决方法

2.2.1 克服重力和温度变化的影响

碳纤维复合材料/铝蜂窝夹层结构具有很多优点，主要是弹性模量与密度、线胀系数之积的比值远高于传统天线面板的金属材料，在高端结构件中使用很多，所以在设计中采用碳纤维复合材料/铝蜂窝夹层结构制作天线主反射面和副反射面[12]。

在天线主反射面和副反射面的设计过程中需要解决很多关键技术，主要有原材料的筛选、负压模具的设计、胶粘剂的选择、夹层结构性能试验和成型工艺参数确定等多项关键环节，再次过程中需要大量的计算和实验。最终决定使用低膨胀合金模具来实现碳纤维蒙皮的预置成形及蒙皮与蜂窝的胶粘成形。通过施加真空负压，使双层碳纤维蒙皮和蜂窝等分离组件被压贴在模具上并由粘接剂胶接固化为一整体，实现反射面面板在小刚度下成形，大刚度下定型。经此种工艺方法制造出的反射面型面精度可达到δ≤0.15 mm(R.M.S)。

碳纤维复合材料最大的优点是具有充分的设计自由度，可实现多种天线结构形式，灵活多变。碳纤维复合材料天线在制作过程中采用高温、高压模具成型，所以天线面具有很高的曲面精度，并且碳纤维复合材料具有耐腐蚀、寿命长、重量轻和强度好等优点。

考虑到加工、制造和安装的要求，天线采用分瓣组装方式，中间部分为对称的3块，两侧折叠部分各一块。

天线反射器和负反射器质量轻，重力变形小，热胀冷缩系数小，基本不受重力和温度变化的影响。

2.2.2 克服风载荷的影响

车体采用高精度自动调平系统，工作时4个支腿支撑天线，增加车体的稳定性。

伺服控制系统中采用双机消隙系统，消除了齿隙和传动误差带来的影响，同时采用智能PI控制算法，增强了系统刚度和抗干扰性。

伺服控制的主要参数是天线的位置，根据理论位置和实际位置的误差控制天线向减小误差的方向转动，在智能PI(比例、积分)控制算法中根据误差的大小分成多个区间，在不同的区间内使用不同的参数，保证系统响应的快速性和控制策略过渡的平稳性，在小误差范围内使用PI算法控制[13]。

PI算法的特点是二阶无静差，经过一定时间的控制后可以达到静态误差为零，开环传递函数如下：

式中，K(s)为传递函数；Ka为系统增益；T为采样周期；τ为时间常数；ξ为阻尼系数。该式的对数频率特性曲线如图2所示。

图2 开环对数频率特性曲线

在PI算法的编程实现过程中需要采用离散化处理，目前比较容易实现编程的离散算法是增量式数字PI控制算法，主要思想是数字调节器的输出只是控制量的增量U(k)，其表达式为：

U(k)=Kp×[e(k)-e(k-1)+e(k)×Ts/Ti]，

式中，Kp为比例放大系数；Ts为采样周期；Ti为积分时间常数；U(k)为当前增量输出；e(k)为第k次偏差[14]。

智能PI控制算法在实际自动控制使用很广，算法越来越成熟，无论是使用单片机还是使用工控机作为控制器都能方便地通过编程来实现算法[15]。

通过结构和伺服控制算法的改进增强了车载天线的稳定性和抗风性能。

3 应用分析

在某型车载天线系统中指向精度估算表如表5所示，其中，Δ总为总均方根误差，

表5 指向精度估算表

项目方位误差/(°)俯仰误差/(°)轴角编码误差0．0050．003回差误差0．0010．001航向误差0．0250．000调平误差0．0180．018轴系误差0．0030．003自重力矩误差0．0000．010∑Δ2i，∑Δσ2i0．0310．021

最高工作频率12.745 GHz，理论波束宽度为0.26°，指向精度为优于1/5半功率波束宽度，即要求为0.05°。经表5核算，指向误差为0.037 8°<0.05°[16]。实际测试记录如表6所示。

表6 指向精度测试记录

次数方位Ai/(°)俯仰Ei/(°)19．0545．5929．0445．6239．0145．6149．0345．5658．9545．5569．0445．5879．0445．5789．0145．5698．9545．58109．0245．59119．0245．58128．9745．63138．9445．64149．0145．59158．9945．57169．0245．61179．0245．62188．9645．57199．0245．56208．9145．55均值(°)A0=9．00E0=45．586均方差0．02770．027

实际测试的结果0.0387°<0.05°，通过测试和实际应用指向精度有了显著提高。