Skip links

Стабилизация антенн

Применение ГКВ-10

Система стабилизации и наведения спутниковой антенны

Одним из направлений работы Лаборатории Микроприборов является интеграция наших инерциальных модулей серии ГКВ в различные системы стабилизации и наведения. В частности, нами выполнена разработка алгоритма наведения спутниковых антенн, установленных на подвижных носителях. Данный алгоритм подразумевает работу в двух системах координат – системе координат инерциального модуля и системе координат энкодеров антенны. 

Вычислив свою ориентацию на базе инерциальных сенсоров, а также собрав данные о текущем положении энкодеров антенны и положения спутника на небосклоне, модуль вычисляет требуемое положение энкодеров антенны для наведения на спутник. По уровню сигнала спутника в процессе стабилизации производится коррекция дрейфа нуля инерциального модуля в процессе работы.

Данное решение позволяет упростить процесс разработки ПО для систем стабилизации, поскольку инерциальный модуль уже дает требуемые углы осей антенны и освобождает вычислитель антенны от перевода систем координат и решения проблемы ухода нуля инерциального модуля.

Смотреть ГКВ-11

Тестирование и отладка с инерциальным модулем

Отладка и тестирование производились на двух мобильных спутниковых антеннах различных типов: четырехосной корабельной антенне, а также двухосной антенной решетке, предназначенной для установки на наземных мобильных носителях. Антенны предоставлены ООО «Технологии Радиосвязи».

ИНС с 4х осной антенной

Схема четырехосной морской антенны

Для каждой из антенн была разработана программа управления, предусматривающая работу в следующих режимах: 

  1. Ожидание команды начала работы с пульта управления;
  2. Поиск концевых датчиков по каждой из осей;
  3. Установка осей условное нулевое положение (для осей крена и угла места – горизонтальное);
  4. Сброс инерциального модуля и ожидание его инициализации;
  5. Непосредственное управление положением осей антенны;
  6. Наведение по заданному азимуту и углу места в режиме стабилизации;
  7. Автоматический поиск и удержание спутника на заданном возвышении или по его долготе;
  8. Аварийный режим;
  9. Режим сброса.

 

Пульт управления антенной

Для удобства управления каждой из этих систем был разработан программный пульт управления антенной для ПК. 

Пульт предусматривал управление антенной в каждом из режимов, настройку параметров маяка спутника и ПИД-регуляторов приводов осей, а также вывод текущего состояния антенны в виде графиков.

пульт управления антенной

Пульт управления наведением

Определение азимута и угол-места с помощью ИНС

Однозначное направление на спутник может быть задано с помощью двух углов – азимута и угла места. Для стабилизации по направлению всегда используются две оси. То есть при значениях угла места близких к горизонту, для наведения антенны правильным будет  использовать оси азимута и угла места. 

Однако при значениях близких к зениту использование этих осей будет затруднительным, поскольку при качке по крену для сохранения направления необходимо будет вращать ось азимута  в диапазоне близком к 180°. Таким образом, в области зенита целесообразно использовать оси угла места и крена.

При промежуточных значениях необходимо было осуществить плавный переход между двумя этими режимами, причем границы зоны перехода режимов upmarg и dnmarg должны были находиться в пределах работы механических осей.

Для решения задачи наведения необходимы: текущее значение энкодера азимута антенны (поскольку инерциальная система устанавливалась на ней), значения азимута и угла места направления спутник в глобальной системе координат, а также текущая ориентация основания антенны. На выходе модели должны быть новые углы энкодеров осей, требуемые для задания направления на спутник.

алгоритм наведения ГКВ-10

Общий алгоритм наведения


Таким образом, для вычисления новых углов направления антенны на спутник на вход алгоритма подаются:

  • данные о положении спутника на небосводе в глобальной СК (углы Sat_yaw – азимут спутника и Sat_pitch – угол места спутника);
  • углы ориентации ИНС-100А от алгоритма вычисления ориентации (IMU_yaw, IMU_pitch, IMU_roll);
  • текущий энкодер положения оси азимута (Enc_yaw);
  • границы работы режимов алгоритма (upmarg  и dnmarg).

Тестирование инерциальной системы при качке

При проверке работы системы наведения были проведены испытания в двух видах:

  1. Водные испытания на мобильном носителе (катер);
  2. Наземные испытания на мобильном носителе (автомобиль).

Целью испытаний была проверка работы механизма инициализации инерциальной системы в условиях морской качки и наземного движения, а также проверка работы механизма коррекции системы координат инерциальной системы по данным об уровне сигнала транспондера спутника.

Для мобильных испытаний использовалась более удобная в транспортировке антенная система SOTM.

При всех испытаниях для проверки наведения использовался спутник Yamal 402 (частота используемого транспондера 12521,9 МГц).

При всех испытаниях алгоритм работы системы наведения был следующим:

  1. Инициализация осей антенны и ожидание инициализации ГКВ-11 (режимы 1-4);
  2. Поиск сигнала транспондера выбранного спутника в диапазоне азимута ±180° (режим 7);
  3. Переход ГКВ-11 в связанную с севером систему координат после нахождения сигнала транспондера (режим 7);
  4. Удержание сигнала транспондера спутника с коррекцией при понижении уровня сигнала (режим 7). 
наведение антенны на воде с помощью ИНС

Антенна на катере

тест инерциального модуля на катере

Место испытаний и трек теста на скорости 50 км/ч (данные  GPS)

Водные испытания. Стабилизация и наведение антенны

Для проверки работы инициализации алгоритма в условиях морской качки и коррекции системы координат IMU по уровню сигнала были проведены испытания на водном носителе.

Испытания заключались в наведении на спутник в условиях морской качки и движении со скоростями 10, 20 и 50 км/ч по сложным траекториям.

При движении со скоростью 10 и 20 км/ч проверялась работа механизма коррекции по уровню сигнала. Система отработала штатно при тестах с заданным СКО азимута = 1° в 71% случаев (25/35 корректировок привели к захвату сигнала).

При движении на скорости 50 км/ч коррекция по ГНСС работала штатно, однако уровень сигнала транспондера спутника был нестабилен.

При анализе собранных данных обнаружено, что нестабильность коррекции и потеря сигнала на высокой скорости вызвана расхождением осей ГКВ-11 и антенны на 0.7°, что вызывало конфликт систем коррекций по ГНСС и сигналу спутника. Кроме того, выявлено, что 1° является слишком большой величиной используемого СКО азимута, поскольку при таком отклонении происходит значительное ослабление сигнала.

По итогам испытаний на водном мобильном носителе было принято решение использовать СКО азимута равным 0.4° для данной антенны.

Наземные испытания. Коррекция ориентации

Для проверки работы алгоритма наведения в условиях движения на различных скоростях при воздействии вибрации были проведены испытания с установкой антенны на крыше автомобиля.

Испытания заключались в наведении на спутник в условиях наземного движения и проверке работы системы коррекции по уровню сигнала при движении со скоростями 10, 20 и 50 км/ч.

Коррекция ориентации ГКВ-11 по уровню сигнала проходила штатно при тестах с заданным СКО азимута = 0.4° в 100% случаев (12/12 корректировок привели к захвату сигнала).

Анализ полученных данных показал, что значительное ослабление сигнала при движении на скорости 50 км/ч вызвано запаздыванием отработки команды BLDC-приводом при резком повороте автомобиля.

В результате проведенной работы разработано программное решение задачи наведения мобильных спутниковых антенн, интегрированное в систему алгоритмов МЭМС-IMU.

Данное решение способно функционировать, как в условиях коррекции по ГНСС, так и в автономном режиме, осуществляя коррекцию случайного дрейфа нуля гироскопа по уровню сигнала спутника.

проезд антенны с ИНС

Антенна SOTM, установленная на крыше автомобиля

трек тест ИНС с антенной

Трек тест на месте проведения испытаний (данные  GPS)

Автор статьи: Александр Галкин info@mp-lab.ru

Антенны предоставлены нашим партнером: ООО «Технологии Радиосвязи»