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動中通天線:“針尖對麥芒”的連接

時間:2018-12-13 10:03:14 來源:科技日報

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船載動中通天線在漁船上應用
  打電話、發朋友圈、刷微博、看視頻,如今的手機已經成為我們生活習慣的一部分。但在沒有網絡信號的大海上,這些看似平常的生活習慣,卻是一種奢侈。
  漁民出海打漁,只能靠海事衛星電話與陸地上的親人聯系,高額的話費讓漁民消費不起,手機也成了“擺設”。
  不過如今浙江舟山的漁民們卻很幸福,他們只需要在船上裝上一個銀白相間、外形似“鍋”的產品,當漁船在海上航行時,通信終端就可以接收到衛星發射的信號,將其轉化為WiFi信號,之后就可以直接暢享互聯網,觀看視頻直播,使用微信,而且費用還很低。
  “這個‘鍋’叫船載動中通天線。”項目負責人、北京星網衛通科技開發有限公司總經理徐燁烽告訴記者,動中通天線能夠實現實時、高寬帶、無間斷地傳遞圖像、視頻、語音等多媒體信息,是應急通信、機動通信、邊遠地區通信的最優選擇。
  近年來,由徐燁烽、張仲毅等技術人才帶領的研發團隊,依托自身在北斗和慣性等領域的技術優勢,獨立自主研制開發了基于慣性/北斗的動中通天線跟蹤指向系統,突破了動中通天線自動尋星技術、低成本慣性測姿技術、動中通天線穩定跟蹤技術等關鍵技術,有效提升了產品性能,并大幅降低了使用成本,推動了移動衛星通信天線的產業化應用。在2017年度北京市科學技術獎評選中,該項目榮獲二等獎。
 研制高性價比的伺服跟蹤系統
  “您所撥叫的用戶不在服務區”。在生活中,由于沒有通信信號我們偶爾會遇到這樣的情況,但在衛星通信面前,這都不是事。
  “所謂站得高,才能看得遠”,區別于地面移動通信網絡覆蓋方式,衛星通信不受地面環境影響,無論您身處哪里都可以自由地與外界進行無障礙通信。
  尤其是當發生地震、洪水、臺風等自然災害時,常規的地面通信可能遭到破壞,常常導致通信擁擠、堵塞、中斷、癱瘓等不同程度的通信障礙,災情信息無法快速準確獲取,在一定程度上制約了應急指揮、決策。因此,建設機動靈活、安全可靠、規模適度的搶險應急動中通衛星通信系統就十分必要。
  動中通天線是利用地球同步衛星作為中轉站,在我們日常所見的移動載體平臺(如運動中的車、船、飛機等)上依然能夠實時精確對準天上的衛星,從而實現高可靠性、高帶寬的通信。據了解,目前動中通天線已經成為移動衛星通信終端中不可或缺的關鍵產品。
  “天上衛星資源短缺和地面通信終端價格貴、可靠性差等因素,一定程度上制約了寬帶衛星通信的發展。”徐燁烽說。
  據悉,寬帶衛星通信的前提是地面的衛星天線始終精確對準天上的通信衛星,但在地面載體移動過程中,由于其姿態和地理位置發生變化,會引起原對準衛星天線偏離衛星,使通信中斷,因此必須對載體的這些變化進行隔離,使天線不受影響并始終對準衛星。
  “移動載體需要不間斷地跟蹤對準衛星,這非常難,就好比針尖對麥芒。”徐燁烽說。
  另外,高昂的成本也限制了衛星通信的發展。其中,伺服跟蹤系統是技術關鍵,也是成本最高的地方。徐燁烽告訴記者,一般伺服跟蹤系統有兩種解決方案。途徑一是高精度光纖慣性導航,雖然測量精度很高,但成本極高,一般用戶很難承受,漁民更是只能望洋興嘆;途徑二是采用低成本MEMS陀螺加衛星信標信號,通過信標信號修正提升系統精度,使得系統在確保跟蹤性能的情況下整體成本大幅度降低。
  “其中定位測姿系統、機械傳動系統、穩定跟蹤系統約占動中通天線總成本的70%。我們的研發思路就是要研制高性價比的伺服跟蹤系統。”徐燁烽介紹道。
創新的尋星算法
  傳統的衛星天線主要依靠高精度慣性導航系統給出的位置及姿態角信息來計算天線的尋星指令角,以此控制天線對準衛星。
  但是,這種方案對慣導系統的要求較高,為了確保天線能夠鎖定最大的衛星信號,慣導系統的自主尋北精度必須達到0.1°以上,而如此高精度的慣導系統的成本已遠遠超過移動衛星通信天線本身的成本,這是大多數研制單位和用戶無法承受的。
  “為了有效地降低成本,必須選用低精度的慣導系統,而低精度慣導無法自主尋北輸出正確的航向,因此,天線無法得到準確的對星指令角。”徐燁烽說。
  為了解決基于低精度慣導的移動衛星通信天線初始化問題,目前大多數研制單位均采用天線方位軸0°—360°掃描加衛星信標信號峰值識別技術來實現天線尋星,但不能很好地解決動中通天線如何利用尋星的輔助信息在不同姿態下,計算慣導系統初始航向的難題。
  “目前已有方法主要采用平面解算算法,估計得到的慣導航向誤差較大,從而使得移動衛星通信天線的跟蹤性能大大降低。”徐燁烽說。
  針對上述技術問題,研發團隊提出一種移動衛星通信天線的初始化方法,該方法利用天線方位軸0°—360°掃描來尋找衛星,再通過完整的三維坐標轉換加迭代遞進的算法來估計低精度慣導系統的初始航向角。由于這種方法具有較好的環境適應性,可適用于載體在任意姿態角下的初始尋星過程,初始化結束后,利用尋星輔助信息推算得到的慣導系統的初始航向精度可達到0.1°以上。
  “相比現有的基于平面坐標推算的初始化算法,本項目提出的方法可以在任意姿態環境中精確地估計載體慣導系統的初始航向,從而確保天線在初始化結束后可以精確地跟蹤衛星。”徐燁烽說。
  同時,項目團隊創新性地設計了一種北斗/慣性組合導航和伺服穩定跟蹤一體化方法,提高系統集成度和控制精度。傳統的組合導航系統一般作為獨立部件通過外購方式來解決,姿態測量與伺服控制作為兩個分系統各自獨立運行。這樣便會帶來伺服系統延遲大、同步性差、開環控制誤差發散等缺陷,在高動態情況下系統控制精度無法提高等問題。
  針對該問題,研發團隊使用單CPU實現導航算法與控制算法的一體化運行,減少了導航系統與控制系統之間數據交互的延遲,大大提升了控制系統帶寬,解決了高動態環境跟蹤精度難以提高的難題。
系統性能比肩國際領先產品
  “這套系統性能在一次國家級的公開招標測試中名列第一,系統性能比肩國際領先產品。”徐燁烽自豪地說。
  據了解,北京星網衛通科技開發有限公司已研發了近十款不同型號的新型產品,面向海上漁船等新興市場,取得了良好的市場占有率。
  “我們的產品已經用于多個行業和單位。”徐燁烽說,“在2013年發生的四川蘆山地震中,我們的‘動中通’衛星通信車能夠在地面通信系統癱瘓的情況下實時地將現場的圖像、語音、數據傳送到地面指揮中心。”
  同時,高精度的北斗導航系統為動中通、便攜站等各類移動衛星通信設備提供了高精度的定位導航信息,與衛星信標及慣性導航技術融合實現了高精度的衛星跟蹤和伺服穩定性能。縮短了初始對星時間,提高了跟蹤精度,完全擺脫了對GPS及其它衛星導航系統的依賴。
  北斗導航系統與衛星通信系統的融合應用,為推動高精度北斗導航系統的產業化應用創造了一條新的途徑。實現了高精度北斗導航系統在高附加值、高技術含量的產業化項目中的批量應用。
  近年來,北京市在市場準入、要素供給、降低成本、產權保護、公共服務等方面實施了一系列支持政策,鼓勵、支持和引導民營經濟持續健康發展。以北京星網衛通科技開發有限公司為代表的一批民營科技企業迎來了重要的發展機遇期,并展現出實力強、活力足、業態新、貢獻大、輻射廣等突出特點,成為了推動首都高質量發展的重要力量。
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