车载相控阵天线跟踪控制系统的设计实现

上海交通大学
硕士学位论文
车载相控阵天线跟踪控制系统的设计实现
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：***
20081201
车载相控阵天线跟踪控制系统的设计实现
摘要
近年来采用相控阵天线的车载跟踪控制系统得到越来越广泛的应用，在大型活动新闻采访，救灾抢险现场报道，反恐现场等活动中，车载卫星天线以体积小，成本低，智能化，可靠性高，维护简单等特点备受青睐。

为了使表征天线品质的参数满足特定的需要，人们往往把多个天线组合在一起应用，这种按一定规则排列和特殊激励，得到预定特性的若干个阵列单元（简称阵元）组成的天线称为阵列天线或者天线阵。

最初在通信领域人们通过改变阵元激励信号的相位达到改变天线阵方向图波束指向的目的，从而相控阵天线应运而生。

安装在运动载体上的相控阵天线将受到两种干扰使天线的轴线偏离卫星，一是载体的角运动干扰，二是载体的长距离的线运动的干扰，使得天线的空间指向不断地发生变化，无法与卫星进行稳定的通讯。

由于同步轨道通信卫星位于距离地球36000公里的赤道上空，因此长距离的线运动干扰与角运动干扰相比，其扰动作用显得微乎其微。

为排除角运动干扰必须采用稳定系统隔离载体的运动，保持天线的空间指向在惯性空间不变始终对准同步卫星。

为了保证车载卫星通信的畅通，克服车体的角扰动对车载天线的不利影响，根据系统工作的特点和控制的要求，本文提出了一种
基于微机械惯性陀螺的车载相控阵天线跟踪控制系统的设计。

由于系统采用了低成本的微机械陀螺传感器，降低了系统成本，可满足车载卫星通信即动中通的需求。

首先，介绍了车载相控阵天线跟踪控制系统的组成和工作原理，从天线机械结构为两轴座架的特点出发,分析了各个执行机构（步进电机及其驱动器，直流电机及其驱动器）和传感器件（GPS接收机，磁罗盘，微机械陀螺仪，倾斜计，光电传感器）的安装特点，选取合适的CPU控制器，进行系统的总体方案设计。

其次，根据系统稳定跟踪控制的总体设计，提出了相位扫描和机械扫描结合的算法，分析了天线稳定系统的坐标变换，给出了天线方位角和俯仰角的计算及初始对准的过程，并提出俯仰系统稳定算法克服水平方向的角速度扰动，提出方位系统稳定算法克服水平方向的角速度扰动，建立隔离角速度扰动的车载稳定平台，并在稳定平台的基础上提出了步进跟踪扫描算法和相位扫描算法，使相控阵天线运动过程中始终对准目标同步卫星并且接收的卫星信号始终最大。

最后，介绍了系统的总体软件设计和各个模块的设计，分析了系统调试和运行中遇到的特殊情况及其处理，并针对初始对准寻星模块，移相算法和天线稳定模块进行了仿真。

关键词：相控阵天线，跟踪系统，机扫和相扫，MEMS陀螺仪，步进跟踪
The Design and Implementation of Vehicle-borne
Tracking Control System with Phased Array Antenna
ABSTRACT
Vehicle-borne tracking control system with phased array antenna has been applied in many fields in recent years such as breaking news interview, disaster relief live broadcasting, anti-terrorist communication due to its small size, low cost, intelligence, high availabilities, simple maintenance.
In order to make the parameters of antenna satisfy special needs, many antennas are arranged into array with special stimulus, which is array antenna. In communication fields wave orientation of antenna array can be changed by the phase of stimulus signal, which is called phased array.
Phased array antenna which is mounted on top of vehicle will be influenced by two kinds of disturbance:one is vehicle’s angle disturbance, the other is vehicle’s disturbance due to long distance motion. These two kinds of disturbance make the orientation of antenna change and interrupt the stabilized satellite communication. The first kind of disturbance influences the communication more than the second
kind because the geostationary communication satellite is located in the orbit 36000 kilometers higher than equator. The system should offset the angle disturbance to keep the antenna pointing to the geostationary satellite in inertial space.
In order to ensure the mobile satellite communication and offset the adverse influence caused by the angle velocity disturbance of vehicles, the design for mobile satellite tracking system with phased array antenna based on MEMS Gyro is presented in view of working characteristics and control requirements of the stabilized system. The system meets the requirements of mobile satellite communication and the cost is lower by using MEMS gyro.
First, the composition and the principle of the tracking control system are presented, the installation of all the actuators, sensors, and other equipment is given, and CPU controller is chosen to perform the system schematic design.
Secondly, the algorithm of phase scan and mechanical scan is proposed in view of the system schematic design. the coordinate transformation, the calculation of azimuth and pitch angle and the process of initialization are given, and horizontally stabilized algorithm and vertically stabilized algorithm are also proposed to overcome the angle velocity disturbances both horizontally and vertically. After the stabilized platform is established, step tracking algorithm and phase scan
algorithm are proposed to keep the phased array antenna pointing to the geostationary satellite and keep the received satellite signal strength maximum during the motion of vehicle.
Finally, the whole software design and all the modules design are given, all the special cases during the course of debugging and operation and their solutions are presented, and the simulation of some modules is discussed such as initializing module, phase-shift algorithm, and antenna stabilized module.
Key words:phased array antenna, tracking system, mechanical scan and phase scan, MEMS gyro, step tracking
第一章绪论
1.1 概述
随着社会信息化的发展，越来越多的信息通过卫星进行传输，卫星在通信、广播、导航定位、气象服务、遥感遥测、地球资源、环境监测、技术侦查等方面显示出了非常重要的价值。

卫星通信己成为重要的现代化通信手段，在商用和军事上都获得了广泛的应用。

卫星通信具有通信距离远，建站成本与通信距离无关，覆盖范围大，通信方式灵活多样，以广播方式工作，便于实现多址链接，通信容量大，能传送的业务类型多，性能稳定可靠，灵活机动，受地理和自然环境限制较少等优点，在现代信息传输中占有越来越重要的地位[1]。

其中卫星移动通信自上世纪90年代以来得到了迅猛的发展，全球性的系统(如Inmarsat系统)和区域性的系统(如北美的AMSC系统和澳大利亚的Mobilesat系统)都已经投入运行，并且在地质勘探和抢险救灾等许多方面都发挥了重要的作用。

所谓卫星移动通信是指借助于通信卫星在固定地面站与移动站(如车载站、机载站)或者移动站与移动站之间提供通信链路的通信系统。

移动卫星天线稳定跟踪系统能够在载体(车、船、飞机)运动中接收卫星信号或进行发射、接收双向通信，也就是俗称的“动中通”。

移动卫星天线稳定跟踪系统采用激光制导、遥测天线控制技术、GPS卫星定位等技术，能自动捕获目标卫星，采用先进的自跟踪技术，能在载体运动的情况下，对卫星进行高精度的自动跟踪。

通过卫星在移动过程中直接通信，不间断地双向传输图像、数据、语音等多媒体信息，进行电视直播、电视转播、语音通讯、视频会议、远程调度管理，应用于电视直播、卫星通信、转播车、电视台、银行、军队、军舰、气垫船、水陆两用坦克、公安、以及大型调度管理系统。

车载卫星通信技术在军用和民用两方面的用途都十分广泛，例如战场军事通信，反恐应急通信，大型活动新闻采访、救灾抢险现场报道等活动。

而地面固定站的卫星通信系统手动调节捕获卫星的信号，产生偏差后也不能自动修正，体积一般也很庞大。

而本文研究的是车载混合相控阵卫星通信系统体积小，能够在汽车移动过程中自动捕获和跟踪卫星信号，从而获得稳定的通信质量。

１
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论本系统一般安装在移动载体顶部，车载卫星通信的例子如图1-1所示。

图1-1 车载卫星通信的例子
Fig.1-1 An example of vehicle-borne satellite communication 这类系统机动性强、抗干扰能力强、接收信号能力强、保密性强，其关键技术在于天线的稳定和跟踪能力，即能很好地隔离载体的运动对天线平台的姿态影响，并且在各种气象环境条件下保证天线始终高精度地对准卫星，实现运动中连续卫星通信，具有很大的军事和民用价值。

载体在运动过程中，由于姿态和地理位置发生变化，会使卫星天线的指向偏离卫星，造成通信中断，必须对载体的这些变化进行隔离，使天线始终对准卫星。

移动卫星天线稳定跟踪系统跟踪卫星的方式有自动跟踪和惯导跟踪两种。

自动跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。

这两种跟踪可根据现场情况自动切换：当系统对星完毕转入自动跟踪后，以自动跟踪方式工作，同时惯导系统也进入工作状态，并不断输出天线方位和俯仰等数据；当由于遮挡或其它原因引起天线信标信号中断时，系统自动切换到惯导跟踪方式。

天线品种繁多，有结构简单的半波振子，螺旋等线天线，有形式复杂的喇叭，多反射器等面天线。

天线的工作频段，从几MHz的超短波到数GHz的毫米波，跨度十分宽广。

然而在实际工程场合，为了使表征天线品质的参数满足特定的需要，人们往往把多个天线组合在一起应用，这种按一定规则排列和特殊激励，得到预定特性的若干个阵列单元（简称阵元）组成的天线称为阵列天线或者天线阵。

阵列天线通常分为：一般阵列，相控阵，自适应阵和信号处理阵
4类。

最初在通信领域人们通过改变阵元激励信号的相位达到改变天线阵方向图波束指向的目的，从而相控阵天线应运而生。

和普通的相控阵天线也因阵元位于直线，曲线，平面和曲面而分为相应的线阵和面阵[2] 。

相控阵天线与机械扫描天线相比，扫描速度快，而且机械结构简单，容易实现成形波束，多波束，跟踪和信号处理的作用，可使天线具有多种功能。

相控阵天线在实际应用中需要采用其他技术诸如方向性合成理论，天线单元和馈电线路技术，移相器之类的元器件技术，信号处理技术和计算机技术等[3]。

移动卫星天线稳定跟踪系统是由卫星自动跟踪系统和卫星通信系统两部分组成。

(l)卫星自动跟踪系统：能够保证天线在载体运动时精确对准卫星。

主要由天线系统、伺服系统、数据处理、载体测量四个部分组成。

(2)卫星通信系统：将上行信号传输到卫星，卫星转发器传送下行信号到地面卫星接收系统；或单方向接收卫星信号设备。

卫星电视双向传输的主要设备有编/解码器、调制/解调器、上/下变频器、高功率放大器、双工器和低噪声放大器。

1.2 国内外研究进展
车载卫星通信天线稳定跟踪系统集惯性导航技术、微惯性传感器应用技术、数据采集及信号处理技术、计算机控制技术、精密机械设计技术、电机伺服控制技术、卫星通讯技术和系统工程技术等多项技术于一身，是以机电一体化、自动控制技术为主体，是多个学科有机结合的产物[4]。

这类稳定跟踪系统不仅适用于各种移动卫星通讯系统，如卫星电视接收、车船用移动卫星通讯、公安消防、抢险救灾、野外作业等多种民用场合，还适用于各种现代化的各种作战武器系统如坦克、装甲车等的通讯。

从70年代中期开始很多国家和组织就一直在从事移动载体卫星通讯的研究与开发活动。

20世纪80年代末期，利用卫星姿态测量技术和导弹制导技术建立一个稳定的天线平台，用它来实时隔离运动载体的摇摆和方位角的变化，确保接收卫星信号天线的波束中心简便、快速、准确地对准卫星，从而实现“动中通”即卫星移动通信，从技术角度来讲，其条件已经成熟[5]。

对于“动中通”的研究，国外在理论上和工程上都取得了重要的科研成果。

这些先进的技术成果主要应用于西方发达国家的先进武器系统中，如坦克的炮塔稳定跟踪平台，海上导弹发射平台，移动红外探测器跟踪平台等。

欧美及日本
“动中通”的研究工作开始于80年代的美国和日本，最早出现在美军的装备中。

位于麻省的沃尔瑟姆雷声公司制造出可以安装在“悍马”车上的动中通SMART-T，同时还适用于高级极高频飞机。

2004年10月，位于美国西盐湖城的L-3通信公司设计开发出为多功能卫星移动通信终端，该设备十分小巧，首期装备美国陆军，并将装备海军陆战队、空军、预备役部分和国民警卫队。

英国的THALES公司参与了美军JTRS计划和英国的BOWMAN计划，开发出系列增强型数字卫星移动终端支持战时的信息传输。

空中移动通信最典型的是美国应用于无人机全球鹰GLOBALHAWK，全球鹰的卫星移动通信，凭借卫星覆盖范围广的优势，将侦查的图像、照片实时回传司令部。

2005年美国通用动力公司C4系统分部成功地在野外试验中演示了为美国陆军研制的移动卫星通信系统 (SOTM)，这是美军的第一种使用Ku波段的车载卫星通信终端。

SOTM终端是第一种即将被美国通信委员会批准在美国使用的、可以安装在多种车辆上、通过卫星提供可靠的高带宽声音和数据的通信系统。

由于使用Ku波段，数据传输速度可达到 1.54兆以上，是现有长波终端的24倍。

动中通在军事领域发挥作用的同时也广泛应用于民用。

俄罗斯、印度、日本、以色列、意大利、澳大利亚等国对卫星移动通信展开深入研制。

全球领先的卫星移动天线和通信解决方案供应商RAYSAT(TM)，INC.推出了全球最小的卫星电视车辆天线TELERAY(TM)。

TELERAY天线是为日本国内汽车市场而开发的。

TELERAY厚度为2.5CM，直径为4OCM，是一种小尺寸车顶天线，行驶车辆中的乘客能够观看现场直播的日本BS/CS卫星电视广播。

此外如美国KVH公司、SEATEL公司、日本NHK公司等也专门生产车用、船用卫星通讯及电视接收的系列产品[5]。

中国
我国对动中通的研制始于90年代初期。

北京北方波尔科技有限公司于2000年5月研制出可用于陆地、海上、空中的移动式卫星接收系统，被信息产业部批准为2001年度“信息产业科研试制计划”项目，并通过了国家航天总局、清华大学、北京航空航天大学等多家权威机构的技术鉴定。

我国南极考察船“雪龙号”上装载的船载卫星接收处理系统，在赴极地考察所遇到的各种恶劣条件下能够正常运转，接收到清晰的卫星云图和冰图，指导船舶航行，为其在海上航行提供可靠的实时气象和海洋资料。

将“动中通”技术运用于奥运赛事的广播电视转播也具有明显的优势如机动灵活，覆盖面积大，可以降低直播系统的复杂性，提高直播技术的可靠性和安全性，节省直播过程的运行费用。

2002年重庆航天测量通信技术有限责任公
司研制出动态电子信息化系统，其车船用移动卫星电视接收系统可用于在移动的火车、汽车、轮船上实时收看卫星转发的多套赛事节目，并且可以选择不同卫星；其电视转播用移动卫星通信系统可以保障电视台实况转播大型活动场面。

在2005年召开的中国国际警用装备和反恐技术装备展览会上，中国电子科技集团公司第38研究所展出了为奥运安全保障推出的“奥运球载安全系统”。

这套安全系统可通过气球、飞艇在空中用摄像机监测场馆的情况，并将图像实时传送到地面的动中通Ku频段车载站，然后再由车载站将相关的图像、声音信息传递到相关监测单位，达到实时安全监测的目的。

纵观国内外动中通产品，国外的产品大多价格昂贵；国内产品虽有一定的价格优势，但也存在工作频段低、天线运动速度慢、运动范围有限、座架谐振频率低、跟踪速度慢、初始捕获和重新捕获时间长、通信业务量少等缺点。

与此同时，现有的军用稳定跟踪系统多采用激光陀螺等高性能的传感器，成本很高，不适合民用；因此，利用较低成本的中低精度陀螺和数字罗盘等传感器设计出满足系统性能要求的高性价比的“动中通”系统也成为了此类系统研究热点之一。

1.3 本文的主要工作
1）介绍了车载卫星天线稳定系统的组成和工作原理，从天线机械结构为两轴座架的特点出发，分析了各个执行机构和传感器件的安装特点，选取合适的CPU控制器，进行系统的总体方案设计。

2）根据系统稳定跟踪控制的总体设计，提出了相位扫描和机械扫描结合的算法，分析了天线稳定系统的坐标变换，给出了天线方位角和俯仰角的计算及初始对准的过程，并提出俯仰系统稳定算法克服俯仰方向的角速度扰动，提出方位系统稳定算法克服水平方向的角速度扰动，建立隔离角速度扰动的车载稳定平台，并在稳定平台的基础上提出了步进跟踪扫描算法和相位扫描算法，使相控阵天线运动过程中始终对准目标同步卫星并且接收的卫星信号始终最大。

3）围绕车载相控阵天线跟踪控制系统的软件整体设计，介绍了软件的整体结构，并详细阐述了各个模块的设计，并针对初始对准寻星模块，移相算法和天线稳定模块进行了仿真。

2.2 天线机械结构的分类与选择
天线机械结构平台也就是天线座，它的主要作用是实现天线的支撑和定向。

天线机械结构的选择是天线系统稳定方案选择的重要组成部分。

天线座的结构是多种多样的，按转轴的数目可分为单轴、两轴、三轴、四轴和固定不动的。

单轴天线座主要用于搜索、引导雷达；两轴天线座主要用于波束窄的圆抛物面天线，如跟踪雷达、卫星通讯地面站和射电望远镜(这些天线必须要有两轴才能覆盖整个空域)。

地面天线座一般都是单轴和两轴的。

舰载、车载、机载天线为补偿舰艇、车辆纵、横摇摆或飞机升降、翻滚的影响，有的采用三轴或四轴的天线座。

在各种天线座中，应用最广的是两轴天线座。

两轴天线座按座架的结构形式又可分为方位-俯仰型、X-Y型、极轴型等多种形式[4][7][8][9]。

方位-俯仰型天线座是二轴天线座中应用最为广泛的座架方式。

这种形式的天线座结构紧凑、承载能力大、调整测量方便，是两轴天线座中应用最广的座架形式。

雷达及与其配合的指挥仪、高炮、火箭炮、导弹发射架等都采用方位-俯仰型天线座，该型天线座又可细分为立轴式、转台式和轮轨式。

X-Y型天线座主要用于跟踪过顶目标。

极轴型天线座以赤道面为基准，也称赤道式座架。

下轴与地球自转轴线平行，称为极轴或赤经轴；上轴与极轴垂直，称为赤纬轴。

这种座架在天文望远镜中使用较广[10]。

考虑到卫星天线用于车载Ku波段电视信号的接收，本系统的天线座采用的是方位-俯仰两轴天线座。

天线座的结构图如图2-2所示。

从图2-2可以看出，从机械结构上可以将该室外单元划分为固定底座与固定圆盘机构、活动转台机构、天线支撑与俯仰机构三部分。

(1) 固定底座与固定圆盘机构
固定底座采用对称式结构，通过设置的对称加强筋板与固定圆盘经螺钉固联；而在固定式底座中央开设一个小于固定圆盘内径的圆孔，并与活动转台的圆形支撑底座经螺钉固联成一体。

另外，固定底座与固定圆盘可用于固定室外单元的外保护罩。

(2) 活动转台机构
活动转台机构主要由转台、圆形支撑底座、方位驱动子系统组成。

这里，活动转台采用下沉式结构支撑在其圆形支撑底座上，活动转台与圆形支撑底座间安装一个端面轴承和径向限位装置，在活动转台的中心位置同心安装有一汇流环，主要用于电源的输入、信号的输入与输出。

为了满足转台的360°连续方位旋转运动，采用一个伺服电机、一条齿型同步带的方式驱动转台实现方位运动控制。

其中，齿型同步带与转台间利用定位齿后而无相对运动；伺服电机则固定在固定底座的加强筋板上。

在转台上不仅用于布置天线支撑与俯仰机构，而且用于布置GPS 接收器、步进电机驱动器、所有与天线信号接收、发射和调整有关的器件及控制模块。

(3) 天线支撑与俯仰机构
天线支撑与俯仰机构主要由天线基座、步进电机、扇形减速齿轮及限位装置组成。

由于系统有三个接收天线和一个发射天线，所以为每个天线都设计了步进电机加上扇形减速齿轮的俯仰驱动子系统。

这里，一是将天线、步进电机、伞形减速齿轮及限位装置安装在天线基座上，二是将天线基座安装在转台上，从而保证三个接受天线和一个发射天线在
做俯仰运动的同时，可以随转台做同步方位运动。

图2-2 天线座的机械结构图
Fig.2-2 Mechanical structure of antenna platform
2.3 车载天线跟踪控制系统的组成和工作原理
天线稳定平台从工作原理上大致可分为机械稳定平台和数字稳定平台。

机械稳定平台是在机械上增加一套能够补偿载体纵摇、横摇和航向变化的稳定平台，实现天线波束的稳定。

机械稳定方案造价高、维修费用昂贵，可靠性也相对较差。

数字稳定不需要机械稳定平台，而是在天线控制系统中采用惯性传感器感知载体扰动，利用已有的伺服机构修正或补偿载体姿态变化的影响，从而实现天线波束或瞄准线的稳定。

数字稳定平台又称电气稳定平台。

数字稳定方圆形支撑
底座
天线
固定圆盘
固定底座
加强筋板 天线基座 转台
案造价低，便于安装、维修和更换，但控制较为复杂[11]。

目前常见的车载卫星通信稳定系统主要有下面几种方案：[4][7]
（1） 电子罗盘/GPS组合控制方案
此方案通过接收GPS信号测得载体的位置信息，通过电子罗盘直接感应载体的航向角、俯仰角和横滚角等姿态信息，通过计算机的坐标变换得出天线平台的即时方位和俯仰角，通过天线伺服系统保持天线平台的稳定。

此方案的缺点在于电子罗盘的响应频率比较低且易受到铁磁性物体干扰，精度较低，故用于姿态变化比较缓慢的场合[28]。

（2） IMU/GPS组合控制方案
IMU/GPS组合式，这是当前流行的捷联惯导技术与全球定位系统相融合的导航方案，通过GPS接收机接收载体的位置信息，初始对准后，通过两个垂直安装的速率陀螺组合经过捷联惯导姿态解算出天线平台的姿态变化，驱动天线克服姿态变化。

此方案中陀螺的动静态性能和误差补偿方式将是影响精度的主要原因，可用于中等精度要求的场合[27][41][42][43]。

通过比较以上两种天线数字稳定方案，考虑到该系统性价比、技术难易度等综合因素，最终选定，IMU/GPS组合控制方案作为本车载卫星天线稳定跟踪系统的基本稳定方案，即通过两个相互垂直安装的陀螺分别感应方位、俯仰轴的变化，通过伺服控制来分别稳定各自回路，这种稳定方案的最大优点是即使跟踪天线受到遮挡，天线仍能指向目标卫星，一旦遮挡消除，卫星通信能够即时恢复。

GPS则用于天线初始校准、天线寻星时提供天线位置信息。

本系统主要是由处理器（PC104母板和扩展板），稳定天线的传感器（包括电子罗盘，GPS，俯仰陀螺和方位陀螺），执行机构（包括驱动电路，方位直流电机，俯仰步进电机）和室内单元的监控台组成。

系统组成框图如图2-3所示。

天线机械结构选择两轴座架，水平轴和俯仰轴分别完成对方位，俯仰角误差的跟踪。

俯仰陀螺安装在转台上，其角速度感应轴线平行于天线的俯仰转动轴；方位陀螺安装在转台上，其角速度感应轴线平行于转台的转动轴。

根据天线机械结构并考虑到步进电机开环控制和精确定位的特点，系统选择步进电机来驱动控制俯仰轴。

由于车载系统的方位变化较快，故采用调速性能更好的直流电机驱动方位轴。

本系统通过GPS测得载体的经纬度位置信息，通过数字罗盘直接感应载体的方位角，俯仰角和横滚角等姿态信息，通过PC104的坐标变换得到天线平台的方位和俯仰角，从而完成初始对准。

完成初始对准后，通过两个垂直安装的角速度陀螺解算出天线平台的姿态变化，利用角速度陀螺的快速响应和稳定算法实时补偿扰动，从而保证天线指向的方位角和俯仰角在一定范围内保持稳定，。