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摘要：本文通过对船载遥感数据接收天线（系统）采用的A-E+C座架型式的合理性和船摇隔离技术进行分析，提出了一种实现船载天线（系统）对低轨遥感卫星稳定跟踪的方案。
关键词；船摇；惯导；光纤陀螺；隔离度
The Research of Ship-borne Remote Sensing Satellite Data Reception Antenna System Application
Miao Er-hui Li Wei
（No.39 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation Xi’an 710065）
[Abstract] This paper analyzed the reasonability of A-E+C pedestal type adopted for ship-borne remote sensing data reception antenna system and ship swing isolation technique，proposed a solution for realizing stable tracking to low orbit remove sensing satellite with ship-borne antenna system.
[Key words] ship swing inertial navigation fiber optic gyroscope isolation
引言
船载卫星遥感数据接收天线主要任务是在船摇条件下实现对X频段低轨卫星的快速准确捕获，并能隔离船摇实现对低轨卫星的稳定跟踪，为数据接收、解调提供優良的射频信号。
与地面数据接收天线系统不同，船载遥感卫星数据接收天线需要保证在5级及以下海况条件时保证稳定跟踪。因此船载遥感卫星数据接收天线需重点解决以下三个问题：
本文描述了船载遥感数据接收天线的座架特点及稳定跟踪技术的设计研究。
1天线座架结构型式分析
为了实现舰载全空域无盲区跟踪，同时舰艇平台对尺寸、重量、环境适应性的要求。目前可选择的座架型式有：AZ-EL型天线座架、AZ-EL+交叉C轴天线座架、X-Y型天线座架，下面对三种天线座架按7.3米口径X频段天线进行比较，见表1。
根据比较结果，AZ-EL型天线座架不具备过顶跟踪能力，特别是在船摇情况下，由于复杂的海况使过顶跟踪具有不确定性；X-Y型天线存在跟踪死区受限制不适用于动载体天线系统。
采用A-E+C型座架型式船载天线时，俯仰与交叉C轴构成标准的X-Y形天线座架，对目标进行跟踪，而方位轴进入随动模式，随着船的航向角和低轨卫星的运动方向不断改变预置位置，使交叉C轴时刻工作在0度附近，此时X-Y座架工作在最佳工作位置，避免了死区和限位，凭借X-Y座架优良的过顶跟踪性能，系统能够很好地完成各种目标的过顶自动跟踪。所以选取A-E+C型座架型式适合船载天线。
2 伺服动态性能分析
对伺服控制系统以目标轨道为300公里高度，船摇横摇按最苛刻的±22°、周期为15～18秒的前提进行设计分析。
由于天线采用了AE座架+交叉C轴的结构形式，相比于传统的AE座架天线，对于方位轴的速度和加速度指标要求可适当降低，方位的最大速度确定为20?/s，最大加速度确定为10?/s 2。
针对俯仰轴和交叉C轴，按照最极端情况下（分别正过顶估算），同时需要克服船摇横滚的影响。分析如下：
横摇：幅度22°，周期17s，按照伺服采样率为40Hz计算，将船摇按照正弦曲线进行模拟，绘制位置-速度-加速度曲线如图1。
因此，采用AZ-EL+C型座架可以有效地降低了天线跟踪系统的动态性能，同时采用陀螺稳定技术克服船摇，在5级海况船摇情况下，天线的动态性能完全能够满足低轨卫星的跟踪需求。
3 三轴天线稳定跟踪论证分析
3.1影响稳定跟踪的主要因素
在船摇条件下，要实现对低轨卫星的高精度稳定跟踪，天线系统设计需重点考虑以下因素：
a）伺服系统的动态性能；
b）三轴天线对低轨卫星的跟踪策略；
c）三轴天线船摇隔离技术及隔离度。
根据前面的分析伺服的动态性能设计满足要求，同时采用方位随动E+C轴跟踪的策略也能满足过顶跟踪要求。所以船载天线的船摇隔离技术设计是保证船载天线稳定跟踪的重要因素。
3.2船摇隔离方案设计
3.2.1闭环反馈稳定法
伺服闭环稳定法即就是将陀螺直接安装在天线座上，利用陀螺输出信号实现反馈闭环控制抑制船体摇摆。
如图2所示，将两个正交速率陀螺安装在天线俯仰叉臂上，其中一个的敏感轴平行于俯仰轴，敏感俯仰角对惯性空间的角速度。另一个的敏感轴平行于横倾轴（横倾轴与俯仰轴及天线的瞄准轴都正交），敏感横倾角对惯性空间的角速度。由船摇所产生的俯仰角速度及横倾角速度都能被陀螺所敏感[1]。将这些信息负反馈到回路中，通过闭环隔离船摇。船摇稳定结构[2]方框图见图3所示。
KaWa（S）：自跟踪位置环传递函数
KbWb（S）：速率陀螺稳定环主通道传递函数
KcWc（S）：速率陀螺反馈回路传递函数
对船摇扰动f 产生的误差传递函数可以表示为：
其中：
KdWd（S）：速率陀螺开环传递函数，
KeWe（S）：自跟踪位置环开环传递函数
根据船摇隔离度定义，可以推导出系统总隔离度为
L1：陀螺环船摇隔离度，
L2：位置跟踪环船摇隔离度，
当船摇为低频扰动时，船摇隔离度主要与船摇频率点处的陀螺开环增益、位置跟踪环开环增益有关，以船摇周期为17秒，根据前面环路设计参数，可计算得：L1>20db，L2>25db。
L=L1+L2 =20db+25db=45db，隔离度满足系统稳定跟踪需求。
3.2.2分析结果
根据三轴天线的特点、低轨卫星的工作模式，采用方位轴随动、俯仰和交叉C轴自动跟踪的策略可以实现船载天线的全空域无盲区自动跟踪。
在天线的俯仰轴上安装光纤速率陀螺进行陀螺闭环反馈稳定技术，其船摇隔离度可达到45dB以上，能够满足天线系统的稳定跟踪要求。
4.结论
根据以上分析，X频段7.3米天线采用适应船载的方位-俯仰+交叉C轴三轴天线，伺服动态性能设计易实现，具备全空域无盲区跟踪能力，并采用速率陀螺进行伺服闭环稳定法可有效提高船摇隔离度实现对低轨卫星的稳定跟踪。目前，该类型的天线已在国内某科考船上成功应用。
参考文献：
[1]李红梅.船载天线跟踪系统的船摇扰动复合补偿方案. 通信与测控.西安：中国电科39所，2010
[2]王齐祥.船用跟踪雷达的两轴稳定问题讨论. 现代雷达。西安：导航技术研究所，1996
作者简介：
[1]苗二辉 男 郑州大学电子信息工程专业，本科，中电科39所，主要从事伺服控制工程开发研究
[2]李玮 男 西安电子科技大学信息对抗技术专业，本科，中电科39所，主要从事伺服控制工程开发研究
关键词；船摇；惯导；光纤陀螺；隔离度
The Research of Ship-borne Remote Sensing Satellite Data Reception Antenna System Application
Miao Er-hui Li Wei
（No.39 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation Xi’an 710065）
[Abstract] This paper analyzed the reasonability of A-E+C pedestal type adopted for ship-borne remote sensing data reception antenna system and ship swing isolation technique，proposed a solution for realizing stable tracking to low orbit remove sensing satellite with ship-borne antenna system.
[Key words] ship swing inertial navigation fiber optic gyroscope isolation
引言
船载卫星遥感数据接收天线主要任务是在船摇条件下实现对X频段低轨卫星的快速准确捕获，并能隔离船摇实现对低轨卫星的稳定跟踪，为数据接收、解调提供優良的射频信号。
与地面数据接收天线系统不同，船载遥感卫星数据接收天线需要保证在5级及以下海况条件时保证稳定跟踪。因此船载遥感卫星数据接收天线需重点解决以下三个问题：
本文描述了船载遥感数据接收天线的座架特点及稳定跟踪技术的设计研究。
1天线座架结构型式分析
为了实现舰载全空域无盲区跟踪，同时舰艇平台对尺寸、重量、环境适应性的要求。目前可选择的座架型式有：AZ-EL型天线座架、AZ-EL+交叉C轴天线座架、X-Y型天线座架，下面对三种天线座架按7.3米口径X频段天线进行比较，见表1。
根据比较结果，AZ-EL型天线座架不具备过顶跟踪能力，特别是在船摇情况下，由于复杂的海况使过顶跟踪具有不确定性；X-Y型天线存在跟踪死区受限制不适用于动载体天线系统。
采用A-E+C型座架型式船载天线时，俯仰与交叉C轴构成标准的X-Y形天线座架，对目标进行跟踪，而方位轴进入随动模式，随着船的航向角和低轨卫星的运动方向不断改变预置位置，使交叉C轴时刻工作在0度附近，此时X-Y座架工作在最佳工作位置，避免了死区和限位，凭借X-Y座架优良的过顶跟踪性能，系统能够很好地完成各种目标的过顶自动跟踪。所以选取A-E+C型座架型式适合船载天线。
2 伺服动态性能分析
对伺服控制系统以目标轨道为300公里高度，船摇横摇按最苛刻的±22°、周期为15～18秒的前提进行设计分析。
由于天线采用了AE座架+交叉C轴的结构形式，相比于传统的AE座架天线，对于方位轴的速度和加速度指标要求可适当降低，方位的最大速度确定为20?/s，最大加速度确定为10?/s 2。
针对俯仰轴和交叉C轴，按照最极端情况下（分别正过顶估算），同时需要克服船摇横滚的影响。分析如下：
横摇：幅度22°，周期17s，按照伺服采样率为40Hz计算，将船摇按照正弦曲线进行模拟，绘制位置-速度-加速度曲线如图1。
因此，采用AZ-EL+C型座架可以有效地降低了天线跟踪系统的动态性能，同时采用陀螺稳定技术克服船摇，在5级海况船摇情况下，天线的动态性能完全能够满足低轨卫星的跟踪需求。
3 三轴天线稳定跟踪论证分析
3.1影响稳定跟踪的主要因素
在船摇条件下，要实现对低轨卫星的高精度稳定跟踪，天线系统设计需重点考虑以下因素：
a）伺服系统的动态性能；
b）三轴天线对低轨卫星的跟踪策略；
c）三轴天线船摇隔离技术及隔离度。
根据前面的分析伺服的动态性能设计满足要求，同时采用方位随动E+C轴跟踪的策略也能满足过顶跟踪要求。所以船载天线的船摇隔离技术设计是保证船载天线稳定跟踪的重要因素。
3.2船摇隔离方案设计
3.2.1闭环反馈稳定法
伺服闭环稳定法即就是将陀螺直接安装在天线座上，利用陀螺输出信号实现反馈闭环控制抑制船体摇摆。
如图2所示，将两个正交速率陀螺安装在天线俯仰叉臂上，其中一个的敏感轴平行于俯仰轴，敏感俯仰角对惯性空间的角速度。另一个的敏感轴平行于横倾轴（横倾轴与俯仰轴及天线的瞄准轴都正交），敏感横倾角对惯性空间的角速度。由船摇所产生的俯仰角速度及横倾角速度都能被陀螺所敏感[1]。将这些信息负反馈到回路中，通过闭环隔离船摇。船摇稳定结构[2]方框图见图3所示。
KaWa（S）：自跟踪位置环传递函数
KbWb（S）：速率陀螺稳定环主通道传递函数
KcWc（S）：速率陀螺反馈回路传递函数
对船摇扰动f 产生的误差传递函数可以表示为：
其中：
KdWd（S）：速率陀螺开环传递函数，
KeWe（S）：自跟踪位置环开环传递函数
根据船摇隔离度定义，可以推导出系统总隔离度为
L1：陀螺环船摇隔离度，
L2：位置跟踪环船摇隔离度，
当船摇为低频扰动时，船摇隔离度主要与船摇频率点处的陀螺开环增益、位置跟踪环开环增益有关，以船摇周期为17秒，根据前面环路设计参数，可计算得：L1>20db，L2>25db。
L=L1+L2 =20db+25db=45db，隔离度满足系统稳定跟踪需求。
3.2.2分析结果
根据三轴天线的特点、低轨卫星的工作模式，采用方位轴随动、俯仰和交叉C轴自动跟踪的策略可以实现船载天线的全空域无盲区自动跟踪。
在天线的俯仰轴上安装光纤速率陀螺进行陀螺闭环反馈稳定技术，其船摇隔离度可达到45dB以上，能够满足天线系统的稳定跟踪要求。
4.结论
根据以上分析，X频段7.3米天线采用适应船载的方位-俯仰+交叉C轴三轴天线，伺服动态性能设计易实现，具备全空域无盲区跟踪能力，并采用速率陀螺进行伺服闭环稳定法可有效提高船摇隔离度实现对低轨卫星的稳定跟踪。目前，该类型的天线已在国内某科考船上成功应用。
参考文献：
[1]李红梅.船载天线跟踪系统的船摇扰动复合补偿方案. 通信与测控.西安：中国电科39所，2010
[2]王齐祥.船用跟踪雷达的两轴稳定问题讨论. 现代雷达。西安：导航技术研究所，1996
作者简介：
[1]苗二辉 男 郑州大学电子信息工程专业，本科，中电科39所，主要从事伺服控制工程开发研究
[2]李玮 男 西安电子科技大学信息对抗技术专业，本科，中电科39所，主要从事伺服控制工程开发研究