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 антенн 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”.
Схема четырехосной морской антенны
Для каждой из антенн была разработана программа управления, предусматривающая работу в следующих режимах:
- Ожидание команды начала работы с пульта управления;
- Поиск концевых датчиков по каждой из осей;
- Установка осей условное нулевое положение (для осей крена и угла места – горизонтальное);
- Сброс инерциального модуля и ожидание его инициализации;
- Непосредственное управление положением осей антенны;
- Наведение по заданному азимуту и углу места в режиме стабилизации;
- Автоматический поиск и удержание спутника на заданном возвышении или по его долготе;
- Аварийный режим;
- 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 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.
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:
- Водные испытания на мобильном носителе (катер);
- 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:
- Инициализация осей антенны и ожидание инициализации ГКВ-11 (режимы 1-4);
- Поиск сигнала транспондера выбранного спутника в диапазоне азимута ±180° (режим 7);
- Переход ГКВ-11 в связанную с севером систему координат после нахождения сигнала транспондера (режим 7);
- Удержание сигнала транспондера спутника с коррекцией при понижении уровня сигнала (режим 7).
Антенна 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.
Антенна SOTM, установленная на крыше автомобиля
Трек тест на месте проведения испытаний (данные GPS)
Автор статьи: Александр Галкин info@mp-lab.ru
Антенны предоставлены нашим партнером: ООО “Технологии Радиосвязи”