车载动中通伺服系统关键技术的研究

第27卷　第1期2010年3月

河　北　省　科　学　院　学　报

Journal of the Hebei Academy of Sciences

Vol.27No.1

Mar.2010

文章编号:1001-9383(2010)01-0031-04

车载动中通伺服系统关键技术的研究

武伟良,刘晓丽,任　娟,任金泉

(中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄　050081)

摘要:分析了车载动中通伺服系统的工作环境和特点,详细介绍了在车载动中通设计过程中所采用的关键技术。通过图表和公式分别对捷联惯导、电子罗盘的工作原理以及在车载动中通伺服系统中的应用进行了阐述,指出了两种天线座架形式的不同工作区域以及产生跟踪盲区的机理。

关键词:捷联惯导;电子罗盘;陀螺;加速度计;磁阻传感器;倾角传感器;动中通

中图分类号:TP8文献标识码:A

The studies on critical technologies

of servo system of vehicle satellite communication in motion

WU Wei2liang,LI U X iao2li,RE N J uan,RE N Jin2quan

(T he54th Research I nstit ute of C E T C,S hi j iaz huang Hebei050081,Chi na)

Abstract:Analysis t he working environment and characteristics of Servo System of Vehicle Satellite Communication in Motion,described in details in t he Critical Technologies of Vehicle Satellite Com2 munication in Motion.The paper describes SINS,elect ronic compass works as well as servo System of Vehicle Satellite Communication in Motion by t he chart s and formulas;pointing out t hose two types of antenna mount s have different forms of work area and t he generation mechanism of t racking blind spot s.

K eyw ords:SINS Gyro Elect ronic compass Accelerometer Magnetoresistive sensor Inclination Sensor Mobile communications

车载移动卫星通信也被称之为“车载动中通”,顾名思义车载动中通技术是指:车辆在行驶过程中进行的连续不间断的卫星通信技术。目前车载动中通主要应用在军事通信、地质勘探、应急通信、新闻转播等领域。由于其工作的特殊性,需要车辆长期在山区、路面颠簸不平、高速变向通过隧道等情况下行使。因此在这些情况下怎样保证车载动中伺服系统快速完成对卫星的初始捕获、高质量的稳定跟踪卫星主波束以及在长时间通过遮挡物后迅速恢复中断的通信链路,是车载动中通成功的关键,而这些都是需要有高质量的车体航向和姿态做保障的。随着计算机技术、惯性测量技术的飞速发展,为捷联惯导的应用创造了条件。捷联惯导由于能够提供高精度的车体航向和姿态信息、不受地磁环境的影响,相比采用电子罗盘作为引导的优势逐渐体现了出来。目前车载动中通主要采用A-E两轴座架型式,它的主要优点是结构简单、平衡比较容易、体积小,然而其缺点也很突出,那就是它的高仰角跟踪问题,对于那些地处赤道附近的国家和区域A-E两轴式座架则会造成一定范围的跟踪盲区。而对于三轴车载动中通而言,伺服控制组成三轴稳定两轴跟踪方

3收稿日期:2010-01-26

作者简介:武伟良(1975-),男,河北石家庄人,工程师,主要研究方向:卫星通信、天线伺服.

河北省科学院学报2010年第27卷

式,在高仰角跟踪时不存在盲区,缺点是结构复杂,造价高。

本文就车载动中通采用的引导源、座架形式、实现的原理进行详细的分析。

1　引导源

1.1　捷联惯导引导

捷联惯导主要由三个陀螺、三个加速度计和一个导航计算机组成。陀螺和加速度计沿车体坐标系三轴方向安装。捷联惯导的工作原理主要是根据对速度积分得出车体位置、姿态,对加速度积

分得出速度的过程,其原理框图如图1所示。

图1　捷联惯导工作原理框图

由于陀螺和加速度计是直接安装在车体上的,所以通过陀螺和加速度计测定的车体速度和加速度都是基于车体坐标系的物理量。对于加速度计测量的车体相对于惯性空间的速度在车体坐标系中的投影被称为比力。而对于捷联惯导而言,导航计算要在地理坐标系中完成。因此,首先要将车体坐标系中的物理量装换为大地坐标系的量。也就是图1所体现的姿态矩阵计算,由姿态矩阵可以求得车体的三个姿态角:航向角κ、俯仰角β、横滚角α,随后通过串口传送给伺服控制系统,作为伺服系统初始捕获和遮挡保护时的计算依据。

1.2　电子罗盘引导

早期的车载动中通伺服系统多采用电子罗盘作为引导源。电子罗盘是根据磁场原理用磁阻传感器测量运动物体姿态的器件,主要由三维磁阻传感器、两个倾角传感器和MCU 构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补充;MCU 处理磁力仪和倾角传感器的信号以及输出和软铁、硬铁补偿。

当车体发生倾斜以及车体周围的地理磁场发生改变时其所提供的车体航向的准确性将要受到很大的影响,该误差的大小取决于车体所处位置和倾角的大小。1.3　两种引导方式的比较

对于捷联惯导和电子罗盘两者之间的差异可通过下面的图表以及实例来得出结论。图2为车

载动中通在某地点顺时针旋转一周电子罗盘(HMR3000)所产生的误差对照表。

图2　实测电子罗盘误差图

这种误差尤以车辆通过立交桥,钢筋混凝土

等建筑时为严重,一般都会产生10到30度的航向偏差。所以如果车辆驶出遮挡天线进行重新捕获卫星将是异常的困难,造成天线长时间不能跟踪卫星。而捷联惯导则不同,它主要由空间惯性元件陀螺和加速度计组成,不受地磁环境的影响,其参数指标如表1。

表1　捷联惯导技术参数表

航姿精度

保持精度航向≤1°(1σ)≤0.3°/h 横纵摇

≤0.2°

(1σ);≤0.3°/h

举例来说:对于Ku 频段天线口径为1.2m 的

车载动中通,它的半功率角波束宽度为1.4°。如果采用电子罗盘作为引导源时,一旦车辆驶过隧道等遮挡物时,它提供的航向误差将会超过10°,由公式(8)可知天线对星的方位指令角也将会产生10°以上的误差,这时天线将很难再次捕获卫星,通信链路将长时间无法恢复。而对于捷联惯导来说由于它提供的航向误差不会超过1°,并且这个误差在半功率角波束宽度以内,所以当车辆

2

3