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车载动中通天线姿态监控的前景

 动中通天线用于卫星移动通信:动中通天线安装与陆地平台、车载和船载;这些天线能够安装在车上连接到卫星。车载动中通天线的传统应用主要是在军队应用中,它广泛的应用在海上军事通信,包括窄波(国际海事卫星组织和UHF)和宽带(X,KU,KA波段)传输,而后,动中通系统应用与飞机上用于宽带通信和高连通性的通信系统中,既用于商业用户,也用于政府用户,这个应用有回过头来引导了卫星的地面使用技术。例如军队和商业用户宽带通信的实现(例如移动网络或电视),另一方面政府用户在民事保护方面也有不小的需求。风险管理和应急需求,需要地面建立通信平台,尤其是在面对自然灾害等条件时,动中通和卫星通信天线显得尤为重要。同时,动中通系统地面应用的发展使得通信波段的需求、以及频率需求大大增加。地面动中通系统也带来了麻烦那就是并不存在航空应用,另外,ka波段,车辆/平台使用动中通也带来了影响,同时在ka波段,波束大小的监管要求和卫星转向的制约。相比之下,相控阵天线和基于数字波束形成的系统在尺寸和性能方面有更好的性能,但是它们需要研究和实施特定的跟踪算法(卫星捕获和稳定跟踪。)卫星跟踪/指向在动中通地面应用中是一个非常关键的功能,与航空动中通系统不同,地面系统受传输信道条件(视距/非视距)和传输环境的影响。通常,大多数的跟踪方法(步进跟踪,CONSCAN等)是基于接收天线的小角运动(包括方位角和俯仰角)的信号功率测量实现的。换句话说,它们使用小时距的离散点参数找到更高的功率方向。因此这些方法都被称为“闭环跟踪法”。不幸地,通常在操作过程中(由于障碍物,如建筑物、树木、桥梁、隧道等)会造成“非视距”条件,这会导致基于接收信号功率测量的跟踪系统立即故障。这样的问题通常通过向闭环跟踪系统添加开环跟踪模块(解决盲点)来解决,即通过陀螺仪,结合加速度计、磁力计、和空间定位系统实现(闭环模块和开环模块的交互可以提高整个跟踪系统的性能)。在Ka波段,允许的最大误差指向是1/10度,这就要求使用非常精确的开环系统来减少闭环模块的使用。


 

  动中通天线安装在车顶,跟踪和位置传感器装置在旁边。如果天线固定安装在地面平台上,则可以将其转向卫星目标设置的方位角、俯仰角并使用极化角。

 

  在动中通系统,由于使用了地球静止卫星,在选择了特定的卫星目标后,这些角度仅取决于地面平台的位置。因为天线是运动的,所以我们必须在车辆本身的坐标系中准确的定位这些角度。为此,需要引入3个参考系统,使车辆的姿态于天线的姿态相关联:

 

  1:局部测地线(设为N框架),它是经纬坐标框架。原点是平台所在的地理位置。N的矢量被表达为上标n,即Pn

 

  2:平台坐标系(车辆固定),也表示为车体坐标系(B框架)与车辆连接并与其纵向(前后),横向(左右)和垂直(上)轴线对准

 

  3:波束坐标系统(S框架),因为动中通天线可以安装在任意位置和方向,只有Z轴正朝着卫星目标

 

  车辆姿态的不同表达可以描述它的运动,例如欧拉角,四元素角和罗德里格斯旋转公式。基本问题是在具体应用中,每个表示单数或冗余。即使当倾斜角大约为±90°时,它们呈现奇点,欧拉角是没有冗余的基本表达,因而,这种奇异性在地面动中通系统中它们没有被表达出来。因此欧拉角是定义车辆姿态的通常选择。

 

  移动汽车的姿态连续的变化对指向和跟踪卫星有很大的影响。通过使用陀螺仪、加速度计、磁力计、和全球定位系统(GPS)能够估计汽车姿态。陀螺仪可以被集成以给出角度,但它们引入由于陀螺偏差引起的误差。如果车辆匀速运动,加速度计可以辅助测量重力矢量的俯仰角和滚转角。基于加速度计的姿态是无偏的,但是它受平台加速度和振动的影响。磁力计有广泛的应用,但是它们容易受铁磁材料的干扰。此外,多基线GPS技术能够设置平衡,但由于较低的数据更新频率,它容易受信号锁定的影响。