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动中通天线:“针尖对麦芒”的连接
2018-11-27 09:21:57 来源: 科技日报
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北斗导航系统  

船载动中通天线在渔船上应用

  打电话、发朋友圈、刷微博、看视频,如今的手机已经成为我们生活习惯的一部分。但在没有网络信号的大海上,这些看似平常的生活习惯,却是一种奢侈。

  渔民出海打渔,只能靠海事卫星电话与陆地上的亲人联系,高额的话费让渔民消费不起,手机也成了“摆设”。

  不过如今浙江舟山的渔民们却很幸福,他们只需要在船上装上一个银白相间、外形似“锅”的产品,当渔船在海上航行时,通信终端就可以接收到卫星发射的信号,将其转化为WiFi信号,之后就可以直接畅享互联网,观看视频直播,使用微信,而且费用还很低。

  “这个‘锅’叫船载动中通天线。”项目负责人、北京星网卫通科技开发有限公司总经理徐烨烽告诉记者,动中通天线能够实现实时、高宽带、无间断地传递图像、视频、语音等多媒体信息,是应急通信、机动通信、边远地区通信的最优选择。

  近年来,由徐烨烽、张仲毅等技术人才带领的研发团队,依托自身在北斗和惯性等领域的技术优势,独立自主研制开发了基于惯性/北斗的动中通天线跟踪指向系统,突破了动中通天线自动寻星技术、低成本惯性测姿技术、动中通天线稳定跟踪技术等关键技术,有效提升了产品性能,并大幅降低了使用成本,推动了移动卫星通信天线的产业化应用。在2017年度北京市科学技术奖评选中,该项目荣获二等奖。

  研制高性价比的伺服跟踪系统

  “您所拨叫的用户不在服务区”。在生活中,由于没有通信信号我们偶尔会遇到这样的情况,但在卫星通信面前,这都不是事。

  “所谓站得高,才能看得远”,区别于地面移动通信网络覆盖方式,卫星通信不受地面环境影响,无论您身处哪里都可以自由地与外界进行无障碍通信。

  尤其是当发生地震、洪水、台风等自然灾害时,常规的地面通信可能遭到破坏,常常导致通信拥挤、堵塞、中断、瘫痪等不同程度的通信障碍,灾情信息无法快速准确获取,在一定程度上制约了应急指挥、决策。因此,建设机动灵活、安全可靠、规模适度的抢险应急动中通卫星通信系统就十分必要。

  动中通天线是利用地球同步卫星作为中转站,在我们日常所见的移动载体平台(如运动中的车、船、飞机等)上依然能够实时精确对准天上的卫星,从而实现高可靠性、高带宽的通信。据了解,目前动中通天线已经成为移动卫星通信终端中不可或缺的关键产品。

  “天上卫星资源短缺和地面通信终端价格贵、可靠性差等因素,一定程度上制约了宽带卫星通信的发展。”徐烨烽说。

  据悉,宽带卫星通信的前提是地面的卫星天线始终精确对准天上的通信卫星,但在地面载体移动过程中,由于其姿态和地理位置发生变化,会引起原对准卫星天线偏离卫星,使通信中断,因此必须对载体的这些变化进行隔离,使天线不受影响并始终对准卫星。

  “移动载体需要不间断地跟踪对准卫星,这非常难,就好比针尖对麦芒。”徐烨烽说。

  另外,高昂的成本也限制了卫星通信的发展。其中,伺服跟踪系统是技术关键,也是成本最高的地方。徐烨烽告诉记者,一般伺服跟踪系统有两种解决方案。途径一是高精度光纤惯性导航,虽然测量精度很高,但成本极高,一般用户很难承受,渔民更是只能望洋兴叹;途径二是采用低成本MEMS陀螺加卫星信标信号,通过信标信号修正提升系统精度,使得系统在确保跟踪性能的情况下整体成本大幅度降低。

  “其中定位测姿系统、机械传动系统、稳定跟踪系统约占动中通天线总成本的70%。我们的研发思路就是要研制高性价比的伺服跟踪系统。”徐烨烽介绍道。

  创新的寻星算法

  传统的卫星天线主要依靠高精度惯性导航系统给出的位置及姿态角信息来计算天线的寻星指令角,以此控制天线对准卫星。

  但是,这种方案对惯导系统的要求较高,为了确保天线能够锁定最大的卫星信号,惯导系统的自主寻北精度必须达到0.1°以上,而如此高精度的惯导系统的成本已远远超过移动卫星通信天线本身的成本,这是大多数研制单位和用户无法承受的。

  “为了有效地降低成本,必须选用低精度的惯导系统,而低精度惯导无法自主寻北输出正确的航向,因此,天线无法得到准确的对星指令角。”徐烨烽说。

  为了解决基于低精度惯导的移动卫星通信天线初始化问题,目前大多数研制单位均采用天线方位轴0°—360°扫描加卫星信标信号峰值识别技术来实现天线寻星,但不能很好地解决动中通天线如何利用寻星的辅助信息在不同姿态下,计算惯导系统初始航向的难题。

  “目前已有方法主要采用平面解算算法,估计得到的惯导航向误差较大,从而使得移动卫星通信天线的跟踪性能大大降低。”徐烨烽说。

  针对上述技术问题,研发团队提出一种移动卫星通信天线的初始化方法,该方法利用天线方位轴0°—360°扫描来寻找卫星,再通过完整的三维坐标转换加迭代递进的算法来估计低精度惯导系统的初始航向角。由于这种方法具有较好的环境适应性,可适用于载体在任意姿态角下的初始寻星过程,初始化结束后,利用寻星辅助信息推算得到的惯导系统的初始航向精度可达到0.1°以上。

  “相比现有的基于平面坐标推算的初始化算法,本项目提出的方法可以在任意姿态环境中精确地估计载体惯导系统的初始航向,从而确保天线在初始化结束后可以精确地跟踪卫星。”徐烨烽说。

  同时,项目团队创新性地设计了一种北斗/惯性组合导航和伺服稳定跟踪一体化方法,提高系统集成度和控制精度。传统的组合导航系统一般作为独立部件通过外购方式来解决,姿态测量与伺服控制作为两个分系统各自独立运行。这样便会带来伺服系统延迟大、同步性差、开环控制误差发散等缺陷,在高动态情况下系统控制精度无法提高等问题。

  针对该问题,研发团队使用单CPU实现导航算法与控制算法的一体化运行,减少了导航系统与控制系统之间数据交互的延迟,大大提升了控制系统带宽,解决了高动态环境跟踪精度难以提高的难题。

  系统性能比肩国际领先产品

  “这套系统性能在一次国家级的公开招标测试中名列第一,系统性能比肩国际领先产品。”徐烨烽自豪地说。

  据了解,北京星网卫通科技开发有限公司已研发了近十款不同型号的新型产品,面向海上渔船等新兴市场,取得了良好的市场占有率。

  “我们的产品已经用于多个行业和单位。”徐烨烽说,“在2013年发生的四川芦山地震中,我们的‘动中通’卫星通信车能够在地面通信系统瘫痪的情况下实时地将现场的图像、语音、数据传送到地面指挥中心。”

  同时,高精度的北斗导航系统为动中通、便携站等各类移动卫星通信设备提供了高精度的定位导航信息,与卫星信标及惯性导航技术融合实现了高精度的卫星跟踪和伺服稳定性能。缩短了初始对星时间,提高了跟踪精度,完全摆脱了对GPS及其它卫星导航系统的依赖。

  北斗导航系统与卫星通信系统的融合应用,为推动高精度北斗导航系统的产业化应用创造了一条新的途径。实现了高精度北斗导航系统在高附加值、高技术含量的产业化项目中的批量应用。

  近年来,北京市在市场准入、要素供给、降低成本、产权保护、公共服务等方面实施了一系列支持政策,鼓励、支持和引导民营经济持续健康发展。以北京星网卫通科技开发有限公司为代表的一批民营科技企业迎来了重要的发展机遇期,并展现出实力强、活力足、业态新、贡献大、辐射广等突出特点,成为了推动首都高质量发展的重要力量。(记者 申 明)

  

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