動中通圓錐掃描自動跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化設計

動中通圓錐掃描自動跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化設計

1多媒體信息傳輸船舶“移動通信”是一個可以在移動中連續(xù)通信的船舶基站。該系統(tǒng)工作在ku段，并使用了同步軌道（geo）衛(wèi)星。信息種類豐富，能力強，動態(tài)靈活，覆蓋范圍大。它可以傳輸聲音、數(shù)據(jù)、圖像和其他媒體信息。它適用于軍事和民用通信中的應急通信和應急指揮通信，以及在發(fā)生緊急情況的地方的指揮通信。如圖1所示,“動中通”天線具有方位、俯仰、橫搖等3個旋轉自由度,在驅動器的控制下旋轉相應的角度,對準衛(wèi)星。在移動過程中,由于姿態(tài)和位置發(fā)生變化,會引起原對準衛(wèi)星的天線偏離衛(wèi)星,使通信中斷,而且由于天線的波束很窄(通常半功率波束寬度在0.6°～1°之間),因此天線必須保持對衛(wèi)星的高精度跟蹤才能保證與衛(wèi)星的可靠通信。實踐表明,采用圓錐掃描體制,構成天線伺服位置閉環(huán)系統(tǒng),是實現(xiàn)天線姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤的有效方法。2旋轉波束補差器圓錐掃描自動跟蹤系統(tǒng)的結構原理如圖2所示。它采用偏焦且高速旋轉的饋源(其旋轉部分為副反射面),使天線具有一個略為偏離軸線的旋轉波束。若目標偏離軸線,反射信號強度受旋轉頻率調制,被調信號經歸一化后,在解調器中進行正交解調,獲得方位和俯仰角誤差信息,并以此誤差信息控制馬達驅動天線對準衛(wèi)星,構成位置閉環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)天線姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。一般應用情況下,反射面、喇叭、副反射面三者的軸線是重合的,在實際應用中,由于極化調整的需要,副反射面、喇叭及饋線系統(tǒng)通過發(fā)泡材料裝配成一體,在直流電機驅動下以轉速ω2旋轉到相應角度。但在圓錐掃描系統(tǒng)中,副反射面頂點位于喇叭軸線上,其軸線與喇叭軸線存在微小夾角θ,并獨自按較高的轉速ω1旋轉(其大小取決于控制系統(tǒng)的響應速度),從而形成一個略為偏離軸線的旋轉波束。圓錐掃描系統(tǒng)還要求:喇叭與饋線依然具有極化調整功能,通過電位器感知極化角度;安裝速度傳感器感知副反射面旋轉速度;質量輕,振動小,要絕對避免共振;各零件具有較高的安裝定位精度;安裝維護方便。3基于濕地線網(wǎng)的拾遺補償原理圓錐掃描系統(tǒng)結構設計的困難在于:反射面正面除喇叭口以下附近的較小區(qū)域外,應盡量避免出現(xiàn)障礙物(如導線、支撐桿等),以免影響天線增益,這一點對于“動中通“這樣的小型天線顯得尤為重要,因此,副反射面旋轉的動力裝置與極化調整一樣,安裝在反射面的背面。然而,反射面背面還要安裝饋線等微波器件,反射面做俯仰、橫搖運動時不能出現(xiàn)構件干涉現(xiàn)象,這些要求使得設計空間非常小。在設計過程中采用了三維參數(shù)化設計技術,以求最大限度地尋找設計空間,設計結果如圖3所示。圓錐掃描系統(tǒng)主要由軸承座、波導、副面軸、喇叭、副反射面、傳動元件、轉速傳感器以及殼體等組成。波導、副面軸通過軸承安裝在軸承座內,形成同軸雙回轉結構。副面通過螺紋連接在副面軸端。為了防止副面松脫,螺紋旋向與副面軸轉動方向相反。軸承座的下端安裝在一個由殼體、安裝板構成的開式箱形結構上,箱形結構內安裝有圓錐掃描驅動裝置、極化調整驅動裝置、電位器以及轉速傳感器等。極化調整運動速度較低,只在“動中通”通信起始階段初始化時根據(jù)地理位置、收發(fā)極化方式不同做適當調整,待饋線轉至適當角度(通過電位器感知)時即停止運動,因此極化調整使用大速比減速電機通過開式齒輪傳動實現(xiàn)。與極化調整不同,“動中通”圓錐掃描運動具有較高的轉速(通常達到500～600r/min,其轉速越高,天線跟蹤精度越高,取決于控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度),要求轉速波動小,并且處于長時間工作狀態(tài),具有更高的可靠性和減震要求。因此圓錐掃描運動采用微型直流調速電機驅動、同步帶傳動的方式實現(xiàn)。因為同步帶傳動具有傳動比準確、效率高、張緊力小、軸承承受壓力小、瞬時速度均勻、噪聲小、無需潤滑、減震性能好、安裝容易等優(yōu)點。極化調整裝置與圓錐掃描旋轉裝置的傳動元件在徑向、軸向均錯開安裝,在極小的空間范圍內實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的功能,有效降低了系統(tǒng)質量。基于模塊化設計思路,圓錐掃描系統(tǒng)所有零件被裝配成一個緊湊可拆的、便于維護的單獨部件,安裝時只要旋下其上端的副面,就可以從反射面背面穿過安裝孔,采用螺紋聯(lián)接的方法準確可靠地安裝在反射面上。4副面的設計及優(yōu)化設計“動中通”天線被安裝在交通工具上,工作時天線始終處于運動狀態(tài),天線反射面的輕微振動就可能引起通信中斷,因此天線安裝時的減振措施非常重要。但是圓錐掃描機構在系統(tǒng)的關鍵部位引入了振動源,消除或減輕圓錐掃描運動產生的振動非常重要。圓錐掃描運動產生的振動來源于構件的質量不平衡及傳動。如前所述,使用同步帶傳動有效地降低了由于傳動帶來的振動。為了有效降低由于質量不平衡產生的振動,所有回轉結構件均被設計成質量對稱的零件。由于高速旋轉的副反射面為較長的懸臂結構,同時根據(jù)設計要求又必須采用偏心結構,從而成為減振設計的主要研究對象。圓錐掃描跟蹤系統(tǒng)要求,副面軸線與喇叭軸線存在微小夾角θ。但出于制造工藝的需要,根據(jù)等價無窮小原理,副面采用偏心安裝(偏心距為e)代替傾斜安裝。副面及副面座通過發(fā)泡材料牢固地聯(lián)接成一體,如圖4所示。為了使副面相對于喇叭軸線保持質量平衡,在副面背面專門設計了用于平衡的凸塊,其主參數(shù)為R1,如圖5所示。通過調整參數(shù)R1的大小,可實現(xiàn)副面的質量平衡。為了在設計上精確控制副面質心位置和質量,在副面設計中采用了優(yōu)化設計的方法,即尋求設計變量R1,滿足:式中:R1—副面平衡凸塊主參數(shù);Mass—副面質量函數(shù);COG--副面質心函數(shù)。副面的優(yōu)化設計是通過VB對CAD、Matlab的二次開發(fā)編程實現(xiàn)的,具體過程如下:(1)對參數(shù)R1在取值范圍進行離散化處理,獲取參數(shù)R1取不同值時的質心位置及質量,得到一個參數(shù)R1、質心位置、質量矩陣。(2)在Matlab中使用線性擬合方法得到質心位置、質量以參數(shù)R1為自變量的表達式。(3)在Matlab中使用優(yōu)化設計工具進行優(yōu)化計算。(4)將獲取的優(yōu)化設計結果代回到副面模型中,完成設計。設計結果表明,當參數(shù)R1大小為24.82時,副面質心正好落在喇叭軸線上,此時副面質量最小,僅為12.4g。上述優(yōu)化設計方法同樣可以用于多個可變參數(shù)的情形,以及結構設計的其它方面。用于聯(lián)接副面與副面座的發(fā)泡材料是一種密度很小(<0.1×103kg/m3)、具有一定硬度的松脆塑料,長時間的旋轉振動可能會導致副面從副面座上脫落,因此在設計中也設想了一種表面涂覆的新工藝方案取代現(xiàn)有的副面零件,方法是:當發(fā)泡完成后,取下副面,在發(fā)泡材料上形成副反射面曲面,在該曲面上涂覆金屬材料替代副面工作表面,這樣做可使圓錐掃描系統(tǒng)質量更輕,振動更小,工作更為可靠。該工藝方法目前正在試驗階段。前面僅討論了圓錐掃描系統(tǒng)的靜平衡設計,實際上,在系統(tǒng)裝配完成后,還必須做動平衡試驗,以期達到最好的減振目標。5動中通系統(tǒng)性能測試采用圓錐掃描系統(tǒng)的船載“動中通”于2003年在福