车载天线系统跟踪任务流程优化设计及应用

许静 李娜娜

摘要：在某S/X双频段遥感数据接收系统项目中，由于用户接收任务密集度高，前后圈次任务间隔要求在2分钟内，针对此项需求在车载天线跟踪任务流程常规设计的基础上本文分析了缩短任务准备时间的可行性和可靠性，优化了软件工作流程并应用在该项目天线控制软件中。实践表明，优化后的任务流程满足用户对任务准备时间的需求，设备运行安全可靠。

关键词：车载天线系统； 跟踪任务；天线置位

1.引言

作为常用的遥感数据接收设备形式，车载天线系统由于其灵活性和机动性受到不少用户的亲睐。在某S/X双频段遥感数据接收系统项目中，根据任务需求天线座架型式方案选用具有过顶跟踪能力的方位-俯仰+丝杠顶偏第三轴（正负7度倾斜）天线座架型式。

在准备数据接收前，将天线车沿东西方向放置，使车体首尾线与东西方向偏差在±5°范围内，天线展开、调平车体，利用寻北仪对天线系统参数进行标定，可通过同步星完成跟踪检查，即可进行卫星接收任务。

2.数据接收流程

在跟踪接收卫星信号前，天伺馈分系统将按系统监控计算机传来的卫星点位预报，进行设备参数设定。ACU根据轨道预报数据，自动判断本圈次跟踪是否过顶，正确设置天线第三轴倾斜状态（首倾、尾倾、直立）和方位、俯仰初始等待位置，以捕获目标。当卫星点位预报比较准确时，天线在预定位置等待，合理设置捕获门限，可确保天线由等待点有效转入“自动跟踪”工作方式。当目标进入天线半功率波束之内，信号电平达到预定门限时，天线即自动转入“自动跟踪”方式，实施对目标的连续跟踪接收。一次任务结束后，天线自动收藏，并自动产生跟踪接收报告，并上报系统监控计算机，任务结束后，根据系统监控台任务计划等待接收下一圈次任务。^[1][2]跟踪任务流程图如图1所示。

图1天线跟踪任务流程

3.密集任务接收需求下天线置位时间优化分析

该套系统支持的接收目标大于12颗卫星，任务时段主要集中在当日18点至次日8点间，前后圈次接收的时间间隔小，用户要求实现“有人值守、无人操作”的全自动工作流程，为保证天线运行安全，每圈次任务结束后天线需进行归零操作。^[3]方位轴从任务结束时角度回转至测量系0°，俯仰轴从任务结束时角度回转至测量系90°，并将第三轴回到直立（90°）。在下一圈次任务到来时根据轨道预报文件中的数据再进行第三轴倾斜及方位俯仰轴的置位^[4]。

执行下一圈次任务天伺馈分系统所需要的准备时间最极限的情况是：

任务结束时，方位轴角度为350°或-350°，俯仰轴角度为3°，上一圈次第三轴为东倾（西倾），下一圈次第三轴为西倾（东倾）。

按照上述情况考虑如下：

1) 为尽量节省准备时间方位归零时输出电压不限幅，该天线方位最大速度为20度/秒，归零时间不大于20秒；

2) 俯仰归零时间较短，且与方位轴归零并行执行，因此不单独考虑；

3) 第三轴极限运动范围14°，第三轴速度0.1度/秒，则第三轴置位需140秒。

结合1）2）3）可知最极限情况下，准备时间约为160秒，天线准备时间中的最大项为第三轴置位所需时间。

为缩减准备时间，考虑适量减小第三轴的倾斜角度及调整置位顺序。

a) 减小第三轴的倾斜角度

太阳同步轨道卫星目标运动特征一般为近圆轨道，在航捷点附近假定目标水平飞行，轨道高度为h，目标的速度为Vt，天线的方位角速度为ωA，角加速度为 、 ，目标和测站的关系如图5-6所示。

图2观测站与运动目标位置关系

则：

式中： 为测站天线离目标飞行地面轨迹的最近距离；

为最近距离时的仰角。

设：卫星轨道高度：h=300Km

地球半径：Re=6378.14Km

则

减小天线的倾斜角为5°，即天线的最高跟踪仰角Emax=85°

对应的天线方位角转动速度为：

即过航捷点时，天线方位最大速度为16.865°/s。天线在航捷点的速度小于天线的实际最大转动速度20º/s，且仍然留有一定余量，既满足过顶要求又能够缩短天线第三轴预置准备时间。

将第三轴东倾（西倾）角度变为5 º（-5 º）后，第三轴极限运动范围为10 °，则第三轴置位需100秒。

b)调整置位顺序

以往类似车载项目重点考虑设备的可靠性和安全性，将工作流程中的方位、俯仰轴归零与第三轴置位两项串行。根据需求重点考虑缩短任务间准备时间，可优化工作流程。

由于第三轴为丝杠顶偏形式，驱动电机为异步交流电机，通过驱动二级控保单元改变异步交流电机供电的相序实现电机的正反转，从而实现天线的东倾和西倾。最快速的置位方法是三个轴同时启动归零，这样一来只需要考虑第三轴的置位时间即可，但是第三轴电机的启动电流较大，如果三个轴同时启动对天线运行安全有隐患，因此在保障设备安全运行的前提下，通过设计软件工作流程，在第三轴开始置位后4-5秒后再将方位轴和俯仰轴同时归零，这个时间损失是可以接受的。这样，天伺馈分系统在任务间的准备时间缩短至约为100秒。可以满足用户对于任务时间间隔的需求。

4．任务流程优化的软件实现及应用

在软件设计中，一方面将任务时第三轴的倾斜范围参数从7度改为5度，另一方面修改任务出站时间达到后的归零流程，通过计数器实现适当的延时^[5]，在出站时间到达后先启动第三轴向90度方向运转，延后5秒同时启动方位俯仰两轴执行归零动作。方位俯仰快速归零完成后转待机工作方式，待第三轴回到90度（偏差允许±0.1度）时，第三轴转待机方式。从上一节分析中可知方位俯仰归零时间不大于20秒，第三轴从倾斜状态（±5度倾斜）回到90度时间约50秒。这样即使下一圈任务仍需要倾斜第三轴，且向相反方向倾斜，在倾斜角度减少为5度的情况下，完成倾斜仍需约50秒，加上方位俯仰置位时间不超过20秒，从而可以保证前后圈次任务准备时间控制在2分钟内。优化后的任务流程图见图2所示。

图3 优化后的任务接收流程图

该项目实际使用中已使用了上述处理方法，在联试阶段经过几周的任务接收试验验证了上述处理方法是可行的。

5.结论

本文介绍了方位-俯仰+丝杠顶偏第三轴天线常规任务接收流程，针对用户对密集任务接收的需求，在保障天线运行安全的前提下，分析了天线置位的优化可能性并设计了一种优化方法，尽可能的缩短前后任务间的准备时间，从实际应用效果看，优化后的置位方法合理可行。

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