一种基于多目标独立跟踪的机载定向天线

崔玉龙，蔡文莉，张立军，张 硕，高建海

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引 言

在无人机视距链路中，常常根据任务需要安装两台定向天线来完成信号的接收和发射，并能够在飞机动态条件下跟踪对准目标[1]。现阶段定向天线一般通过设计来保证波束宽度大于其俯仰角度跟踪角度范围，所以只需通过转动方位即可实现对目标的对准跟踪。当天线安装位置在飞行中由于某些姿态受机体遮挡导致跟踪失效时，还可以采用增加俯仰轴来增加波束扫面范围的方法实现连续通信。

机载设备对重量、运动包络尺寸、安装空间等都有较严格的要求[2]。当任务需要跟踪不同目标时，按照传统思路可通过安装两台定向天线的方案解决，但同时也会带来装机需求空间变大、重量变重等问题。本文设计了一款新型的机载定向天线，它能够集成两副定向天线，并可实现对不同目标的独立跟踪，解决了传统思路下天线带来的问题。

1 天线系统设计

1.1 系统组成

机载定向天线系统由天线阵面、天线座和伺服设备等组成。

天线分天线1和天线2；天线座包括天线1的方位和俯仰机构、天线2方位机构、关节和滑环等；伺服设备包括天线座上的天线1俯仰驱动盒和独立于天线座的天线控制单元组成。

定向天线1和天线2可独立运转，天线1可进行方位、俯仰转动，天线2仅方位转动。定向天线的组成示意图如图1所示。

图1 机载定向天线组成

1.2 座架设计

机载天线座架是天线的载体[3-4]，驱动装置输出力矩通过齿轮传动系统驱动天线转轴，从而带动天线转动，使天线指向目标。

机载天线座架主要由天线1俯仰机构、天线1方位机构、天线2方位机构、装机平台等组成。其中俯仰机构由俯仰电机、传动齿轮、俯仰驱动盒及俯仰U型架等组成；天线1方位机构由天线1方位驱动、天线1滑环关节及天线1方位转轴等组成；天线2方位机构由天线2方位驱动、天线2射频关节和天线2方位转轴等组成；天线座结构如图2所示。

图2 机载定向天线结构示意图

天线座架采用独立双方位轴共轴设计，如图3所示，天线1方位转轴穿过中空设计的天线2方位转轴。同时在天线2方位转轴的中空内部设计天线1方位转轴中部的轴承安装，在天线1方位转轴的顶部和底部再分别设计两组轴承支撑，三组轴承保证了整体刚度和转动时的同轴精度。天线1方位转轴顶部和天线1俯仰机构联接，从而天线1能够实现方位俯仰两轴跟踪。天线2方位转轴外部设计一组轴承安装于座架箱体上，从而实现天线2单方位轴的高精度同轴转动。

图3 独立双方位机构示意图

2 传动链设计

2.1 载荷计算

机载定向天线承受的载荷有：惯性载荷、摩擦载荷及偏心载荷等。

(1)惯性载荷

根据设计模型，天线1方位轴总转动惯量约Ja1=0.005kg·m2，俯仰轴总转动惯量约Je=0.0005kg·m2，天线2方位轴总转动惯量约Ja2=0.001kg·m2；因此计算时取值按照天线1的转动惯量的数值。

最大速度为：Ω=30(°)/s=0.52rad/s；

最大加速度为：ε1=10(°)/s2=0.18rad/s2；

则方位轴的惯性力矩为：Ma1=Ja1×ε1=0.005×0.18=0.0009N·m；

(2)摩擦载荷

摩擦载荷主要来自于轴承、滑环、旋转关节、齿轮等转动器件的摩擦力矩，且考虑到在-55℃低温工作条件下，各旋转器件的启动力矩相比常温会有所增加，结合实测和经验，摩擦载荷取Ma2=0.5N·m。

(3)偏心载荷

根据设计模型，方位轴偏心力臂最长为35mm，方位轴偏心重量约为1kg，则偏心力矩Ma3=0.35 N·m。天线1俯仰轴的偏心载荷远小于方位偏心载荷，所以仍按方位轴偏心载荷取值计算。

因此，方位轴总的工作载荷为：

Ma=Ma1+Ma2+Ma3=0.0009+0.5+0.35=0.85N·m

2.2 驱动校核

根据总的负载力矩和最大角速度可计算所需电机的功率：

其中，M为工作载荷，单位为kg·m；Ω为转速，单位为rad/s，η为传动总效率。

由以上公式对电机功率进行初步估算，再根据电机特性对转矩、转速进行校核[5]。

根据计算的工作载荷和电机功率，可以对机载定向天线的方位机构和俯仰机构进行传动设计。结合天线速度和控制精度的要求，天线驱动选用直流伺服电机加行星减速器的方案，传动链方案如图4。直流伺服电机转速高，能够满足飞机平台大机动时天线的跟踪速度要求。采用大速比行星减速器能够保证末端输出力矩能够大于工作载荷。

图4 传动链框图

基于通用化、模块化、维修性等多方面考虑，天线1方位、俯仰，天线2方位三轴均选用同一型号的直流伺服电机。其中电机额定功率为8.68W，额定扭矩0.01N·m，额定转速7100rpm；减速器的减速比为82，最大连续输出转矩0.82N·m；天线1方位轴传动链末级减速比为1.6，俯仰轴传动链末级减速比为5，天线2方位轴传动链末级减速比为5。由上述计算可知所选电机能够满足驱动力矩和转速要求，且实际工作功率要小于额定功率。

3 结束语

设计了一种新型的机载定向天线，采用了独立双方位共轴设计实现通过一台天线座架安装两副定向天线的功能。两个定向天线传动机构上相互独立，可实现对不同目标的独立跟踪。同时，若天线俯仰面扫描波束速宽范围较小时，可通过加装俯仰机构增加俯仰扫描范围，完成更大范围的波束覆盖。通过以上设计有效地解决了两台天线装机空间不足、包络尺寸大、重量重等问题，该设计思路可推广到其他机载天线和对空间重量要求严格的车载、船载天线上。