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1 引言

和傳統(tǒng)天線平臺式穩(wěn)定系統(tǒng)相比，捷聯(lián)式天線根據(jù)光纖陀螺角速率進(jìn)行積分對各軸向做反作用力，消除擾動，保持天線姿態(tài)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，配合水平傳感器、北斗/GPS、信標(biāo)跟蹤等輔助措施加強(qiáng)天線穩(wěn)定平臺的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用場景中，若天線位于遮擋過程中，可以利用衛(wèi)星信標(biāo)信號快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺的切換，在恢復(fù)遮擋過程中，仍可以利用衛(wèi)星信標(biāo)實(shí)現(xiàn)捕獲跟蹤，克服陀螺自身漂移的特性。

2 天線穩(wěn)定三軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計可以使天線有很好的的支撐和定向作用。不同用途的天線有著不同的結(jié)構(gòu)形式和相應(yīng)的穩(wěn)定跟蹤方式。為了使天線能夠有效隔離俯仰、橫滾以及軸向角運(yùn)動的影響，設(shè)計了三軸結(jié)構(gòu)的天線的結(jié)構(gòu)平臺。也即在方位-俯仰兩軸天線結(jié)構(gòu)的俯仰軸的幾何中心增加了橫滾軸。該三軸經(jīng)數(shù)字伺服信號控制下能夠?qū)矸轿?、俯仰、橫滾方向的干擾有效地隔離，保證天線對星指向相對穩(wěn)定。

3 三軸穩(wěn)定平臺抗擾動分析

在方位-俯仰-橫滾三軸型天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建天線穩(wěn)定平臺，有效隔離載體的角運(yùn)動，能夠產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)矩抵消載體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾力矩，使被穩(wěn)定結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相對慣性空間運(yùn)動。

3.1 三軸穩(wěn)定平臺原理

圖1為三軸穩(wěn)定平臺等效示意圖。根據(jù)三軸慣性空間運(yùn)動的方位、俯仰、橫滾軸的角速度選取速率測量陀螺，按所對應(yīng)轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系正交安裝。三個轉(zhuǎn)矩電機(jī)Ma、Mp、Mr則分別與方位、俯仰、橫滾三個環(huán)架轉(zhuǎn)軸直聯(lián)或通過減速裝置連接，輸出解耦的比例控制轉(zhuǎn)矩，以抵消因載體運(yùn)動引起的環(huán)架之間的相互作用力。

圖1 三軸穩(wěn)定平臺等效圖

根據(jù)圖1，以原點(diǎn)分別建立載體、俯仰軸、方位軸、平臺、電機(jī)坐標(biāo)系：

載體坐標(biāo)系，外環(huán)即俯仰軸的支撐結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、內(nèi)環(huán)即俯仰環(huán)坐標(biāo)系，平臺負(fù)載坐標(biāo)系、電機(jī)坐標(biāo)系。

三軸平臺受到載體姿態(tài)變化引起的擾動時，產(chǎn)生在各軸系之間相互作用力的傳遞，如圖2所示。其中，圖2a為b系繞Yb軸正向轉(zhuǎn)動θr角度到r系；圖2b為r系繞Xr軸逆向轉(zhuǎn)動θp角度到pi系；圖2c為pi系繞Zp軸逆向轉(zhuǎn)動角度θa到p系。

圖2 坐標(biāo)系變換關(guān)系圖

3.2 三軸穩(wěn)定平臺擾動傳遞過程分析

裝載在載體上的三軸平臺，會因載體姿態(tài)變化產(chǎn)生三軸系間相對慣性空間運(yùn)動，要抵消這樣的相對慣性空間運(yùn)動，使三軸能夠產(chǎn)生相對于上述作用力的逆向運(yùn)動就可有效隔離載體角位移對其平臺的干擾，實(shí)現(xiàn)三軸平臺的相對穩(wěn)定。平臺負(fù)載（天線）相對位置變化是由三軸系間的剛性約束和摩擦約束傳遞的，在運(yùn)動狀態(tài)下保持天線穩(wěn)定，就得設(shè)法消除剛性約束和摩擦約束在軸系間的傳遞。

橫滾環(huán)、俯仰環(huán)、方位環(huán)三軸系間由摩擦約束造成絕對運(yùn)動角速度向量為：設(shè)由載體運(yùn)動使橫滾環(huán)r、俯仰環(huán)p、方位環(huán)a的絕對運(yùn)動角速度分別為ωir、ωip、ωia，其中角速度ωir在r系上的分量為，角速度ωip在p系上的分量為。

載體角速度運(yùn)動向r環(huán)的傳遞。平臺的r環(huán)軸可通過摩擦約束隔離載體角速度分量，但該分量不能通過剛性約束的方式傳遞到r環(huán)。而載體角速度的另外兩個分量、、則以剛性約束方式傳遞向外環(huán)傳遞，根據(jù)圖2a有如下：

角速度運(yùn)動向p環(huán)的傳遞。通過p環(huán)以摩擦約束方式隔離r環(huán)角速度的分量。角速度分量、通過剛性約束傳遞到內(nèi)環(huán)，圖2b可得如下關(guān)系：

a環(huán)對于對于來自p環(huán)角速度運(yùn)動的傳遞。a環(huán)軸則通過摩擦約束隔離p環(huán)角速度的分量。的另外兩個分量、可通過剛性約束傳遞到內(nèi)環(huán)，根據(jù)圖2c可得如下關(guān)系：

將式（1）～（3）綜合整理，得到從載體到天線平臺的剛性約束傳遞矩陣為：

電機(jī)軸轉(zhuǎn)動角速度到天線平臺的傳遞。力矩電機(jī)產(chǎn)生的環(huán)架角速度是以摩擦約束方式向天線平臺的傳遞。設(shè)由力矩電機(jī)產(chǎn)生的r環(huán)、p環(huán)、a轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角速度向量為，由環(huán)架轉(zhuǎn)動形成的摩擦約束途徑向天線的傳遞矩陣為，傳遞到天線形成的天線角度在p系上的分量為，則有：

通過對三軸穩(wěn)定平臺各軸系的擾動傳遞和傳遞方式可以看出，天線方位經(jīng)軸系間擾動傳遞的轉(zhuǎn)矩可以由轉(zhuǎn)臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行位置補(bǔ)償，因載體側(cè)傾引起天線水平方向的擾動可由橫滾軸驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩和方位軸驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)隔離。即依據(jù)側(cè)傾角的實(shí)際變化量來分配各轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)關(guān)系。載體側(cè)傾角的大小決定了天線平臺與橫滾軸和方位軸兩軸系解耦其協(xié)調(diào)動作的幅度。

載體運(yùn)動中對天線平臺的擾動引起各軸系間方向和速度的變化可由光纖陀螺進(jìn)行測量，控制系根據(jù)陀螺數(shù)值經(jīng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)（DSP）進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出針對各軸進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)矩的大小，消除載體運(yùn)動對天線平臺的擾動。

3.3 捷聯(lián)穩(wěn)定平臺設(shè)計方案選型

由于捷聯(lián)式系統(tǒng)是由數(shù)字化傳感器和數(shù)字伺服等數(shù)字硬件搭建的穩(wěn)定平臺，按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域捷聯(lián)式穩(wěn)定系統(tǒng)在硬件配置上會有不同的選擇方案：

第一種是以測量磁場變化作為感應(yīng)載體姿態(tài)變化，以數(shù)字羅盤與北斗/GPS相結(jié)合的方案。北斗/GPS提供載體地理坐標(biāo)信息完成對星，數(shù)字羅盤測姿數(shù)據(jù)為伺服單元提供位置補(bǔ)償信息保持平臺穩(wěn)定。由于數(shù)字羅盤存在固有的遲滯性和零點(diǎn)溫漂、以及受地理環(huán)境、載體鐵磁性質(zhì)的材料的影響，不利在復(fù)雜環(huán)境下使用。

第二種是以測量角位移和角速度作為載體測姿的慣性導(dǎo)航元件（IMU）與北斗/GPS結(jié)合的方案。測出載體位置信息，再根據(jù)測量出反應(yīng)載體變化的的三軸的角位移、加速度值，經(jīng)DSP伺服系統(tǒng)解析運(yùn)算輸出信號對載體姿態(tài)變化實(shí)時修正維持平臺穩(wěn)定。

第三種高穩(wěn)定度捷聯(lián)式系統(tǒng)，采用動力調(diào)諧陀螺（Dynamic tuned gyroscope）、激光陀螺、高精度的測量載體姿態(tài)的傳感器獨(dú)立或組合使用，其瞬態(tài)響應(yīng)、控制精度、零點(diǎn)漂移等性能指標(biāo)都大大優(yōu)于前兩種，但因其成本高目前只用于飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)。

上述三種方案，第二種方案以性價比、應(yīng)用層面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的日趨小型化、機(jī)動靈活性等諸因素考量較為合適，進(jìn)行捷聯(lián)式系統(tǒng)穩(wěn)定性的架構(gòu)。

4 結(jié)束語

基于天線載體穩(wěn)定平臺構(gòu)建，結(jié)合捷聯(lián)式輔助姿態(tài)融合修正，可以提高天線載體的瞬態(tài)響應(yīng)，有效隔離因信標(biāo)跟蹤滯后帶來的指向誤差，提高了天線的跟蹤精度。隨著MEMS慣導(dǎo)的應(yīng)用與發(fā)展，其低成本優(yōu)勢，捷聯(lián)式天線穩(wěn)定系統(tǒng)平臺模式將更好地實(shí)現(xiàn)其工程價值。