船载卫星电视天线论文

船载卫星电视天线论文（精选6篇）

船载卫星电视天线论文 篇1

1 引言

船载卫星电视接收天线是一种能够满足船舶在海上系泊或航行时可适时收看卫星电视的特种天线。船舶在海上系泊或航行时因船舶自身的摇摆而对天线产生冲击, 为了降低冲击对天线损害, 天线伺服机构中的减震垫可靠性设计显得格外重要。

2 原天线伺服机构的减震垫结构

图1所示为某型号船载卫星电视接收天线伺服机构中的十字交叉水平梁, 它主要由支架、水平梁、水平轴和左右两个减震垫等组成, 其左右摇摆的角度范围为±34°。十字交叉水平梁的作用是:当船身因风浪产生摇摆使水平梁产生倾斜, 系统通过水平传感器的信号来控制水平梁按图1中所示的方向反方向转动使水平梁适时保持水平姿态, 使天线处于正常工作状态。

当船身倾斜大于±34°时, 减震垫与支架的A面接触并碰撞, 碰撞瞬时如图2所示。减震垫与支架接触于过B点且垂直于纸面的直线上的一个很窄的表面上, 因为面积较小, 所以压强较大。在正压力F的频繁作用下, 碰撞很容易造成减震垫疲劳破坏。

减震垫损坏形式一般如图3所示。

3 减震垫的改进设计

通常讲改善零部件的受力情况是提高零部件寿命的可行方法, 根据这一理论, 通过增加受力面积来降低压强可改善减震垫受力情况。具体改进措施为: (1) 增加减震垫受力面积, 使减震垫碰撞瞬时大面积受压; (2) 改变减震垫的结构形式。

图4为减震垫改进后的设计, 减震部分主要由减震垫、不锈钢板和两个套等组成, 减震垫材料为橡胶板, 不锈钢板的面积和减震垫的面积同样大小且有一定的厚度。当减震垫与A面碰撞瞬时, 作用于过B点且垂直于纸面的直线上的力F通过不锈钢板均匀地作用于减震垫上, 使减震垫的受力面积变大。因压强和受力面积成反比, 所以改善了减震垫的受力情况, 从而延长了减震垫的寿命, 提高了整个设备的可靠性。

图5和图6分别为减震垫改进设计前后F=10N时的受力分析, 改进设计后减震垫的受力情况得到较大的改善。

船载卫星电视接收天线伺服机构中的减震应用较多, 因天线的工作环境较恶劣, 如何设计减震直接影响到天线的使用寿命。根据实际使用情况, 本文对天线中十字交叉水平梁的减震进行了改进设计, 不仅应用后收到良好效果, 并且为将来类似的减震设计提供了参考。

参考文献

[1]成大先, 机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2004.

船载卫星电视天线论文 篇2

摘 要近年来，随着科学信息技术的发展，在广播电视行业中广播电视技术得到了广泛的应用，并在具体的实践活动中推动了我国广播电视行业的迅猛发展。就其基本构成来看，广播电视发射天线技术是极为重要的因素和环节，以有效实现广播电视信号在接收环节的优化和提升，并且为广电工程在天线参数设置和具体的设计环节提供科学、合理的依据，使其在广播电视行业中得到推广和应用。

关键词 广播电视技术；发射天线技术；应用

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）165-0098-01

在具体的生活实践中，无线电视和广播是人们进行信息资源获取的常用途径。而这个进行信息获取的过程通常涉及到信号的接收问题，但通常无线信号的接收一般是通过电视天线来完成的，就我国的当前实际来看，广播电视发射天线技术在具体的应用中所采取的是一种全新科学设计的发射装置，同传统性的发射天线相较而言，在科学技术的推动和升级改造下，能够在具体的应用中实现高质量、低消耗、少问题的建设目的。在这样的设备应用中，标志着广播发射技术也随着信息技术的发展迈入数字化的建设时代，使得广播电视发射天线技术成为全新型的传播技术。广播电视发射天线工作原理

广播与电视机构的发射端以电磁波的形式进行信号发射之后，接收端通过接收装置对相关信号进行系统性的处理和转换，再通过不同的接收设备来接收不同的、清晰优秀的图像和声音。这样的过程就是广播电视的具体工作过程[1]。在一个完整的工作过程创设中，进行信号电磁波的发射是天线的主要功能，通过先进化设备的支持，在相对简单的处理过程中实现对信号的转换和传播。由此可见，天线的工作原理体现在将接收环节的短信号波转换为电磁波的形式并通过介质的支持实现有效的传播。广播电视发射技术

2.1 广播发射技术

就我国当前的基本应用来看，立体声调频是在调频广播机构的发射端所较常使用的发射装置，在具体应用中，其发射装置具有多样性的发射功能。通过有效的立体声实现相应的调频管理，并且能够在单声道立体的调频应用中实现对多种节目的管理，使得在具体的应用中能够使有广播机构发射端发射的信号更加稳定，并且在具体的应用中功率更高且应用噪音更小[2]。

2.2 电视发射技术

电视发射端进行系统性的装置应用中最为频繁的是电视发射机，此外，还包含着具体应用中的检测调节设备和控制设备等。其基本的工作原理是电视发电机在整体性的处于低电平的状态下，将电视装置设备调制到中频状态，并通过变频器的应用将大功率的射频信号波进行挑选，并将这些信号通过馈线的传输作用发送至电视接收天线，由天线的作用之后进行一定程度的接收和转换，最后以电磁波的方式传输到信号传播的制定规划区域，然后在区域内的接收装置设置，有效的通过音频和图像的方式通过电视媒体的介质得以呈现。广播电视发射天线技术的应用

随着人们生活水平的不断提高，在日常的生活应用中，电视和广播已经是我们进行信息获取的有效渠道，所以，在不断的发展进步中，人们对于具体应用环节的广播电视发射技术也有了更高的要求，以满足人们对于信息获取的要求。

3.1 应用现状分析

在相关部门在对广播电视行业内的调查数据显示，在我国当前社会发展中的大中型城市应用中，在具体的生活建设中，广播电视发射天线技术得到了广泛且大量的应用，并在社会经济和科学技术以及行业的发展建设中朝着小城市的方向发展和蔓延，并不断的推广和应用。于广播电视技术的发展而言，科学技术的发展推广和具体应用使得其在应用范围中的建设不断的拓展和增强，并且在全新技术的发展和应用下，实现了传统发展技术和信号传输方式的变革和推广，并对相关的接收信号进行合理的优化处理，以确保整体运行中信号的接收质量和传输画面的质量高效性[3]。

在基本的应用发展中，在整体运行和发展环境推动下，技术革命和材料革命的有效开展使得广播电视发射天线技术的应用和推广得到了更加有效的支持和管理，使得在具体信号传输中的频道传输更加的广泛，进而也确保了整体通讯容量的拓展性，并且在基本的传输建设过程中，使得信号间的信号干扰不断减少，这也就确保了信号传输过程中的抗干扰能力，保证最后传输的整体质量。

3.2 缝隙天线

在具体应用表现方面，缝隙天线有广泛的应用，在基本的应用中，缝隙天线是通过导体体面的分裂而形成，所以，在一般情况下又称为开槽天线。就具体的表现来看，矩形状是缝隙天线最常见的表现状态和形式，其长度一般为整体波长的1/2。跨接形式是缝隙天线的有效传播方式，能够在窄边馈电的方式下实现信号的合理有效传播，在微波波段的通信雷达和电子对抗以及导航设备，甚至是高速运行的飞行器设计方面实现有效的应用。另外，因为缝隙天线在基本构造方面相对简单化，所以在对一些口径场的具体分布的控制也相对方便快捷，使其在实际生活中得到广泛的应用。

3.3 蝙蝠翼天线

通常而言，蝙蝠翼天线又称为正交振子天线，是具体应用中相当普遍的形式，主要通过两个正交对称却又无差别的半波进行振子对的构成和组合，同理而言，可以实现对电流的激励控制。蝙蝠翼天线在具体的平面处理工作中，通过圆极化同法线的整体方向相一致，而线极化在一般情况下则处于辐射场之外。在具体的应用中，处于水平对称状态的振子会因为对称面的面积偏大，能够保证整体过程中同步频道状态下信号的优良匹配性。这样的基本工作运行原理确保了电波在通过电视的介质传播时对电视的屏幕画面不会出现重影的现象，进而使得广播和电视信号在接收过程和具体展现时的效果更加的理想和有效[4]。

在具体的应用中，蝙蝠翼体现在整体表现上有驻波系数较小而同频带宽较大的特点，所以，在具体的应用中，没有实现具体介质的绝缘子保护，也能有效确保振子和整体天线之间信号传输和应用的可靠性和稳定性。所以，在现今社会发展和人们对于广播电视的需求而言，蝙蝠翼的应用在不断的推广和完善。结论

在社会经济和科学技术的发展和推动下，广播电视发射天线技术在网络化和信息化的推广变革下实现了具体发展中的机遇建设，并在新技术和新材料的更新换代下推动着广播电视发射天线技术的更新和前进，实现行业内的整体完善和提升，以及各个层面的进步。近年来，随着社会经济的发展和推动，人们对于广播电视的质量要求也在不断提升和强化，使得具体应用技术也在更新和完善，以确保信号在通过介质的传播之后确保播放环节的稳定性和质量性，以更好地满足人们对于具体生活实际的服务有效性，确保服务质量的合理有效性。

参考文献

船载卫星天线风载特性数值分析 篇3

船载卫星天线工作时,利用电机驱动天线运动来隔离船摇,使其对准目标,当风吹在天线上时,在天线上形成较大的风载[1],这样就要求电机输出更大功来平衡风载。因此,风载对船载天线的正常运行影响很大。由此可见,开展对船载卫星天线风载的研究很有必要。

一般情况下,天线在设计时通过风洞实验[2]或采用风洞实验[3,4]得到的结构阻力系数来计算风载,由于受模型和试验条件的限制,所得到的结果不能全面反应天线在各种风速和角度下的风载情况[5]。随着计算流体动力学理论的深入研究和方法的不断改进,对天线风载进行数值计算已成为一种新的有效方法。目前,对天线风载的数值计算主要集中在相控阵雷达等平面天线,对于抛物面天线涉及较少[6]。本文采用计算流体力学数值模拟方法计算了0°风向角下天线的风压,分析了船载卫星天线表面风压分布特性,进而求得了天线风载阻力系数。在此基础上,分析了采用不同湍流模型对天线风载的影响,并阐述了风速与风载、风载系数之间的关系,并得到一些有用的结论。

1 数值计算方法

在湍流流动中,任意物理量φ*(x,t)均可分解成一个平均量φ(x,t)与一个脉冲动量φ′(x,t)的和。所谓的湍流模拟,就是直接计算平均量,而脉动量对平均量的影响通过简单模型进行近似模拟,定义雷诺平均[7,8]:

$\phi (x,t)=\overline{\phi }{}^{*}=\frac{1}{\text{Δ}t}{\displaystyle {\int }_{-\frac{\text{Δ}t}{2}}^{\frac{\text{Δ}t}{2}}\phi }{}^{*}(x,t+t^{\prime })\text{d}{t}^{\prime }(1)$

式中Δt为某时间周期,与速度的脉动周期相比足够大,与流动的宏观时间尺度相比足够小。

在湍流的数值模拟中目前出现的方法有3类[9],分别是:

(1) 使用湍流模型(Turbulence Model)的平均N-S方程组;

(2) 大尺度涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)加小涡模型;

(3) 湍流直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)。

本文对湍流的模拟主要采用的是第一类方法,即使用湍流模型的平均N-S方程组。为了导出适用于高雷诺数湍流的守恒型方程,比较通行的做法是将N-S方程中的瞬时量分解成时均量和脉动量两部分,然后进行平均,这个概念称为雷诺平均技术。对N-S方程Favre平均后,可以用约定求和的形式简要地给出如下形式方程:

$\begin{array}{l}\frac{\partial \overline{\rho }}{\partial t}+\frac{\partial \overline{\rho }\tilde{u}{}_j}{\partial x{}_j}=0(2)\\ \frac{\partial }{\partial t}(\overline{\rho }\tilde{u}{}_i)+\frac{\partial }{\partial x{}_j}(\overline{\rho }\tilde{u}{}_i\tilde{u}{}_j+\overline{p}\delta {}_{ij})=\frac{\partial }{\partial x{}_j}(\overline{\tau }{}_{ij}-\overline{\rho u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_j})(3)\end{array}$

式中:

$\begin{array}{l}\overline{\tau }{}_{ij}=\overline{\mu (\frac{\partial u{}_i}{\partial x{}_j}+\frac{\partial u{}_j}{\partial x{}_i})}+\overline{\lambda \frac{\partial u{}_k}{\partial x{}_k}}\delta {}_{ij}\\ \overline{q}{}_j=-\overline{a\frac{\partial {\rm T}}{\partial x{}_j}}\end{array}(4)$

时均化N-S方程在形式上多出了人们称为雷诺应力的项$-\overline{\rho u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_j}$。因此要对上述方程进行计算,还须补充相关方程。

Boussinesq[10]是第一个用涡粘性概念来寻求解决雷诺应力的人,他假定湍流应力象粘性应力一样作用,这就意味着湍流应力正比于速度梯度,相关比例系数称为“涡粘性”,经修改后,可以写成:

$-\overline{\rho u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_j}=\mu {}_t(\frac{\partial \tilde{u}{}_i}{\partial x{}_j}+\frac{\partial \tilde{u}{}_j}{\partial x{}_i}-\frac{2}{3}\frac{\partial \tilde{u}{}_k}{\partial x{}_k}\delta {}_{ij})-\frac{2}{3}\overline{\rho }k\delta {}_{ij}(5)$

式中湍能$k=\frac{1}{2\overline{\rho }}\overline{\rho u^{\prime }{}_i{u}^{\prime }{}_i}$。

对于不可压缩流体,标准k-ω模型输运方程为:

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}(\rho k)+\frac{\partial }{\partial x{}_i}(\rho ku{}_i)=\frac{\partial }{\partial x{}_j}(\Gamma {}_k\frac{\partial k}{\partial x{}_j})+G{}_k-Y{}_k+S{}_k(6)\\ \frac{\partial }{\partial t}(\rho \omega )+\frac{\partial }{\partial x{}_i}(\rho \omega u{}_i)=\frac{\partial }{\partial x{}_j}(\Gamma {}_{\omega }\frac{\partial \omega }{\partial x{}_j})+G{}_{\omega }-Y{}_{\omega }+S{}_{\omega }(7)\end{array}$

式中:Gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gω是由ω方程产生的;Γk和Γω表明了k和ω的扩散率;Yk和Yω是由于扩散而产生的湍流。

对控制微分方程进行离散时,采用有限体积法将微分方程分解成一系列关于多个变量的非线性耦合代数方程组,采用一阶迎风格式离散对流项,采用具有二阶精度的中心差分格式离散扩散项,对于压力-速度耦联方程,则采用SIMPLE算法实现联立方程的求解。

2 天线风载数值计算

2.1 计算模型

为适应抛物面天线,将天线置于直径70 m,长50 m的圆柱形计算域中,如图1所示。由于抛物面天线比较薄,相比于天线直径差距很大,会对网格质量产生较大的影响。本文采用多块结构六面体网格,如图2所示。将计算域大致分成两个区域,在抛物面天线所在的圆柱区域使用较密的网格,并在天线表面加密,在其他区域使用较宽松网格,在接近天线的地方也进行加密,共得到78万个网格。

2.2 边界条件

由于天线周围可以看成是无约束流的自由边界,因此计算域进口和侧面都设置为压力远场边界条件,设定z方向风速为15 m/s,x和y方向风速均为0 m/s。天线表面为无滑移壁面条件。出口边界湍流充分发展,流场任意物理量φ在出口法向梯度均为0,即∂φ/∂n=0。

2.3 计算结果

采用FLUENT计算软件,对风向与天线反射面轴线夹角为0°(即空气流动方向与天线反射面垂直)的天线风压进行数值计算,选用K-Omiga模型,得到天线迎风面、背风面压力分布情况,如图3、图4所示。

从图3中可以看出,天线正面风压分布大致是中心高边缘低,正面压力分布大部分区域都较均匀,处于高压区,在天线边缘处迅速降低。如图4所示,天线背面风压变化较大,从天线边缘向中心风压继续迅速降低,直至最低值,然后逐步升高。除了天线边缘区域外,其他部分大致形成了周边向中心逐步升高的风压分布。天线风压最低的地方为天线边缘区域,整个天线背面都处于负压状态。

如图5所示,由于天线的阻碍,空气在接近天线时风速急剧减小,使空气向天线边缘挤压导致流速迅速增大,并在天线边缘分离,在天线后部形成尾迹区。天线背面产生负压,使天线背面空气也向天线边缘处流动,从而形成空气漩涡。由于天线为圆形,因此天线后部就形成了环形的空气漩涡,如图6所示。

3 结果分析

3.1 不同模型对计算结果的影响

如表1所示,采用不同的计算模型计算得到的风压和风阻各不相同。最大压力值中最小的是RNK_Epsilon模型,最大的是层流模型;最小压力值中最大的是K_Omiga模型,最小的是LES模型;风阻值和风阻系数最大的K_Epsilon模型,最小的K_Omiga模型。

3.2 不同风速对天线风压的影响

表2所示为采用K_Omiga模型计算得到的风速对抛物面天线风阻和风阻系数的影响。从表中可以看出,风速对风阻系数影响很小,在各种风速下,风阻系数几乎不变。风阻值随着风速的增大而增大,两者呈线性关系,如图7所示。

4 结 语

本文采用计算流体力学方法,对抛物面天线的风载进行了数值模拟,通过对计算结果的分析,得到如下结论:

(1) 天线正面风压分布大致是中心高边缘低,在天线边缘处迅速降低。天线背面风压大致为中心高,边缘低,整个天线背面都处于负压状态。

(2) 采用不同的计算模型对天线风阻计算影响较大, K_Epsilon模型计算得到的风阻最大, K_Omiga模型计算得到的风阻最小。

(3) 风速对抛物面天线风阻系数影响很小,风阻值随风速的增大而增大,成线性关系。

摘要：论述了利用计算流体动力学数值计算方法分析抛物面天线风载的原理。采用基于Reynolds时均N-S方程K-Omiga湍流模型对抛物面天线表面风压进行数值模拟,得到了天线表面风压、风速分布情况,并分析了风压、风速在天线正面和背面的分布特性。在此基础上,计算了层流、KEpsilon、RNKEpsilon和LES大涡模拟等湍流模型的数值模拟结果,分析不同湍流模型对风阻的影响,同时阐述了不同风速与风载、风载系数的关系。

广播电视发射天线技术与应用 篇4

同时广播电视天线技术的应用也为我国广播领域、电台领域起到了较强的推动作用。

因而，在当下广播、电视领域的迅速发展中，更加离不开该技术的应用。

因此，对于广播电视天线技术以及其应用的研究是十分有必要的。

船载卫星电视天线论文 篇5

天伺馈设备是航天测量船测控系统的重要组成部分,主要由天线结构、天伺馈驱动、天伺馈控制、天伺馈监控等设备组成。测量船在执行任务时,主要通过操作手手动操作天伺馈控制设备来完成对目标的捕获,因此要求操作手具有较高的业务素质。实际工作中,为减少天伺馈设备的非任务损耗和机械磨损,并不能保证经常性的实操训练,特别是许多应急演练都无法模拟,不利于操作手积累经验和提高应急能力。

随着我国航天测控事业的发展,为满足高密度海上测控任务对操作手的需求,更有效率的训练方法的探索、更为先进的模拟训练系统的设计与研制已成为十分迫切的问题。同时计算机仿真技术已经成功地在自动控制、模拟训练、试验仿真等方面得到了广泛的应用,越来越多的仿真训练系统应运而生。有鉴于此,提出采用计算机仿真技术对天伺馈设备进行仿真的方法,并对系统的关键技术进行了分析。

1系统基本组成及工作原理

天伺馈仿真训练系统应高效稳定、具备可扩展性。系统主要由仿真计算机、视景计算机和操作台组成,其总体结构如图1所示。

为方便扩展,系统采用C/S(Client/Server)架构。仿真计算机作为服务器端,主要用于生成、存储和管理各类仿真数据。视景计算机作为客户端,通过网络从仿真计算机获取各类仿真数据,完成事件仿真、天线的三维可视化控制等。另外在客户端配备操作台,操作台作为真实天伺馈控制台的模拟,安装有两个电子手轮和一个操纵杆,主要用于给视景计算机提供雷达天线的姿态控制输入信号。两个电子手轮用来控制天线方位、俯仰转动,通过串口与视景计算机连接[1]。操纵杆用于快速转动天线,通过USB接口与视景计算机连接[2]。当用户操作操纵杆和电子手轮时,视景计算机上的天线就会实时地做出相应的姿态变化,从而使仿真系统具有高度的实时交互性。

2系统的关键技术分析

2.1仿真数据的获得

2.1.1 仿真数据的产生

测量船任务包括码头测控和海上测控两大类。其中码头测控与陆基测控类似,而海上测控是在海上动态条件下进行的,船载测控设备跟踪目标的方位基准是船的艏艉线,俯仰基准是甲板平面,站址基准是浮动的惯导三轴中心,相对于陆基测控要复杂得多。测量船进行海上测控时具有船姿船位测量、船体变形测量和测控设备的视轴稳定三大技术特点[3],并定义了专用的惯导地平坐标系、甲板坐标系、测量坐标系[4]。由于需要考虑的因素较多,系统需要生成测控目标、数字引导、模拟引导、码头环境模拟、船舶姿态、测控事件、应急事件等仿真数据。其中船舶姿态仿真数据主要通过对海上测控任务时的存盘数据修正生成,测控目标仿真数据可以通过输入轨道根数或重发任务实测数据生成,其他仿真数据可以在测控目标仿真数据基础上修改生成。

在生成测控目标仿真数据时,通过人机交互输入仿真时间、地磁参数、轨道根数、测量船位置信息(经度、纬度、航向、速度等)等信息后,就可以根据各类典型航天器动力学模型,利用专业的计算软件完成地心系中轨道数据预报。

2.1.2 坐标转换及动态修正

生成地心固联坐标系中的轨道仿真数据后,必须再经过一系列坐标转换以及船摇、船体变形、轴系误差和零值修正,才能得到准确的海上测控目标仿真数据[3,4,5,6]。具体流程如图2所示。

上述各坐标系转换关系如下[5]。

1)地心固联坐标系到惯导地平坐标系转换关系

$\left[\begin{array}{l}X{}_{\text{g}}\\ Y{}_{\text{g}}\\ {\rm Z}{}_{\text{g}}\end{array}\right]=B{}^{-1}L{}^{-1}\left[\begin{array}{l}X{}_4-X{}_{\text{g}0}\\ Y{}_4-Y{}_{\text{g}0}\\ {\rm Z}{}_4-{\rm Z}{}_{\text{g}0}\end{array}\right]$

。

其中矩阵L和B分别表示为

$L=\left[\begin{array}{ccc}-\text{s}\text{i}\text{n}L{}_{\text{c}}& \text{c}\text{o}\text{s}L{}_{\text{c}}& 0\\ \text{c}\text{o}\text{s}L{}_{\text{c}}& \text{s}\text{i}\text{n}L{}_{\text{c}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

;

$B=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \text{c}\text{o}\text{s}B{}_{\text{c}}& -\text{s}\text{i}\text{n}B{}_{\text{c}}\\ 0& \text{s}\text{i}\text{n}B{}_{\text{c}}& \text{c}\text{o}\text{s}B{}_{\text{c}}\end{array}\right]$

。

式中Lc,Bc是惯导提供的船位经度和纬度参数;Xg0,Yg0,Zg0是惯导地平坐标系原点在地心固联坐标系中的位置坐标,用下式计算得出:

$\{\begin{array}{l}X{}_{\text{g}0}=({\rm N}{}_{\text{c}}+h{}_{\text{c}})\text{c}\text{o}\text{s}B{}_{\text{c}}\text{c}\text{o}\text{s}L{}_{\text{c}}\\ Y{}_{\text{g}0}=({\rm N}{}_{\text{c}}+h{}_{\text{c}})\text{c}\text{o}\text{s}B{}_{\text{c}}\text{s}\text{i}\text{n}L{}_{\text{c}}\\ {\rm Z}{}_{\text{g}0}=[{\rm N}{}_{\text{c}}(1-e{}^2)+h{}_{\text{c}}]\text{s}\text{i}\text{n}B{}_{\text{c}}。\end{array}$

式中hc是惯导地平坐标系原点的大地高程;Nc为测量船位置卯酉圈的曲率半径,${\rm N}{}_{\text{c}}=a/\sqrt{1-e{}^2\sin {}^{2}B{}_{\text{c}}}$;a为地球参考椭球体赤道半径;e为第一偏心率。

2)惯导地平坐标系到惯导甲板坐标系转换关系

$\left[\begin{array}{l}X{}_{\text{j}}\\ Y{}_{\text{j}}\\ {\rm Z}{}_{\text{j}}\end{array}\right]=({\rm K}\Psi \theta ){}^{-1}\left[\begin{array}{l}X{}_{\text{g}}\\ Y{}_{\text{g}}\\ {\rm Z}{}_{\text{g}}\end{array}\right]$

。

其中矩阵K、Ψ和θ分别表示为

${\rm K}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\rm K}{}_{\text{c}}& 0& -\sin {\rm K}{}_{\text{c}}\\ 0& 1& 0\\ \sin {\rm K}{}_{\text{c}}& 0& \cos {\rm K}{}_{\text{c}}\end{array}\right]$

;

$\psi =\left[\begin{array}{ccc}\cos \psi {}_{\text{c}}& -\sin \psi {}_{\text{c}}& 0\\ \sin \psi {}_{\text{c}}& \cos \psi {}_{\text{c}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

;

$\theta =\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \theta {}_{\text{c}}& -\sin \theta {}_{\text{c}}\\ 0& \sin \theta {}_{\text{c}}& \cos \theta {}_{\text{c}}\end{array}\right]$

。

式中Kc、Ψc和θc分别表示惯导输出的船摇、纵摇和横摇角测量值。

3)惯导甲板坐标系到测量坐标系转换关系

$\left[\begin{array}{l}X{}_{\text{c}}\\ Y{}_{\text{c}}\\ {\rm Z}{}_{\text{c}}\end{array}\right]=B{}^{\text{Τ}}[b]\left[\begin{array}{l}X{}_{\text{j}}-X{}_{\text{j}0}\\ Y{}_{\text{j}}-Y{}_{\text{j}0}\\ {\rm Z}{}_{\text{j}}-{\rm Z}{}_{\text{j}0}\end{array}\right]$

。

式中Xj0,Yj0,Zj0为船载测控系统测量坐标系原点在对应惯导甲板坐标系中的位置;BT[b]为变形修正的转换矩阵。

4)测量坐标系到极坐标系转换关系

$\begin{array}{l}R=(X{}_{\text{c}}^2+Y{}_{\text{c}}^2+{\rm Z}{}_{\text{c}}^2){}^{1/2}\\ E=\arctan [Y{}_{\text{c}}/(X{}_{\text{c}}^2+{\rm Z}{}_{\text{c}}^2){}^{1/2}]\end{array}$

$A=[\begin{array}{cc}\text{π}/2‚& X{}_{\text{c}}=0\\ 3\text{π}/2‚& X{}_{\text{c}}=0,\\ \arctan ({\rm Z}{}_{\text{c}}/X{}_{\text{c}})‚& X{}_{\text{c}}>0,\\ \arctan ({\rm Z}{}_{\text{c}}/X{}_{\text{c}})‚& X{}_{\text{c}}<0\\ \arctan ({\rm Z}{}_{\text{c}}/X{}_{\text{c}})‚& X{}_{\text{c}}>0,{\rm Z}{}_{\text{c}}<0。\end{array}$

R,E,A为船载测控系统的测量诸元经零值和大盘不水平修正后的值。

2.2数据库设计

天伺馈仿真训练系统利用数据库来存储和管理各类仿真数据和其他数据,管理软件采用SQL Server 2000。根据系统功能划分需要建立多个表,主要包括测控目标、数字引导、模拟引导等仿真数据表以及地磁参数、轨道根数、测量船位置信息等参数设置表。以测控目标仿真数据表为例加以说明,见表1。

创建该表格的SQL语句如下:

CREATE TABLE [dbo].[TgSim_Data] (

[ID] [int] NOT NULL,

[time] [datetime] NULL,

[TF] [float] NULL,

[tg_A] [float] NULL,

[tg_E] [float] NULL,

[tg_R] [float] NULL,

[sp_GLong] [float] NULL,

[sp_GLat] [float] NULL,

[sp_GH] [float] NULL

[vp_GLong] [float] NULL,

[vp_GLat] [float] NULL,

[vp_GH] [float] NULL

) ON [PRIMARY]

2.3硬件连接电路设计

操作台作为真实天伺馈控制台的模拟,主要给视景计算机提供控制信号,由两个电子手轮、一个操纵杆和一块转接板组成,其中转接板包括手轮连接电路和操纵杆连接电路。

2.3.1 手轮连接电路

电子手轮采用市场上常见的面板式双相脉冲发生器,工作电压为5 V,高电平为5 V,低电平为0 V,A/B两相TTL脉冲输出,两相脉冲的相位差为90°以区别转向,旋转一圈A/B两相各产生100个TTL脉冲。

针对手轮的特殊使用要求和现有的硬件条件,系统采用的是一种基于串口通信的手轮连接方案[1],电路连接如图3所示。

计算机串口为通用的9针RS-232口,采用负逻辑来表示信号的状态。高电平为-3 V～-15 V,实际测量为-9 V,低电平为+3 V ～ +15 V,实际测量为+ 9 V。按照各引脚功能,选择由计算机控制的第7脚(RTS),由外界控制的第1脚(CD)和第6脚(DSR)。在设计中,RTS信号线被设置为0为+ 9V,然后直接利用TTL信号控制2个PC817光耦开关的通断,使串口第1脚和第6脚电平发生变化,程序通过1、6角的电平变化来判断手轮转向。

2.3.2 操纵杆连接电路

系统对操纵杆的功能需求较高,要求操纵杆能在360°不同方位对天线进行控制,普通的游戏摇杆和飞行摇杆无法满足功能需求,因此选用的是专业的两轴型霍尔型操纵杆[2]。

操作杆手柄摇动的方向和角度不同,其X、Y轴输出的电压值也不相同,对两个电压值进行处理后,可转化为计算机能够识别的串口信号。由于两串口被手轮占用,因此操纵杆采用USB端口与视景计算机连接。串口信号还需加上一个转换芯片,才能实现操纵杆与计算机之间的USB通信。操纵杆与计算机的连接关系如图4所示。

图4中ATMEGA48V微控制器与操纵杆直接相连,把操纵杆送来的模拟电压信号转换为计算机能够识别的数字信号,同时对X、Y电压并行信号进行归类整理。再通过MAX232芯片变换成RS232输出所需的±9 V电平。最后利用USB总线转接芯片CH341把MAX232输出的串口信号转化为USB信号,从而实现操纵杆与计算机之间的USB通信[7]。

2.4三维可视化技术应用

对于雷达天线这样复杂的大型机械结构来说,需要一种较高逼真度的建模方法。因此先用3DS MAX软件构建天线结构三维模型并把模型导出为3DS文件,再利用OpenGL技术对3DS模型文件进行读取、绘制与控制[8],实现天伺馈天线结构模型的三维可视化显示与控制。这种实现方式将3DS MAX强大的建模功能与OpenGL的灵活交互相结合,充分发挥3DS MAX建立模型方便快捷的特点和OpenGL容易实现交互性的特点,能形象地显示仿真结果、模拟天伺馈控制过程,体现可视化技术的优势及强大的表现力。

2.5多线程技术应用

在系统中,视景计算机需要从仿真计算机读取仿真数据和接受操作台的控制信息,还要进行天线结构模型的三维可视化显示。由于三维图形渲染过程需要占用大量的系统资源,如果将三维图形渲染放入进程的主线程中,那么其将占用主线程大部分的时间片,从而导致主线程无法迅速响应用户的输入,无法达到用户与三维虚拟场景实时交互的效果。因此系统通过引入多线程技术来解决这个问题,在程序设计中为三维图形渲染单独创建一个线程,在合理的设定线程的优先级之后,使三维图形渲染保持足够的帧速率,同时使得主线程能够分配到足够的CPU时间片,从而及时响应用户的输入,达到实时交互效果。

3结束语

文章根据船载测控雷达天伺馈设备的特点和现实训练的需求,提出了采用计算机仿真技术对天伺馈设备进行仿真的方法,探讨了仿真训练系统的组成和工作原理,系统地研究了仿真训练系统设计与研制的关键技术,着重分析了仿真数据的获得、坐标转换、数据库设计和硬件连接电路设计等几项内容,并在系统开发过程中得到了应用。天伺馈仿真训练系统是将计算机仿真技术应用于测控系统训练的尝试,其通过系统生成的各类仿真数据来完成测控事件的仿真,并使用三维视景来实现天线转动的可视化,它使用与天伺馈控制相似的操作台,可以使操作手的训练更贴近于实际。

摘要：根据船载测控雷达天伺馈设备的特点和现实训练的需求,提出了利用计算机仿真技术对天伺馈设备进行仿真的方法,通过开发相应的仿真训练系统来丰富训练方法。首先探讨了天伺馈仿真训练系统的组成和工作原理,重点分析了包括仿真数据的获得、坐标转换、数据库设计和硬件连接电路设计等实现仿真训练系统的关键技术。实践表明,天伺馈仿真训练系统关键技术的研究成果有效指导了后续的研制工作。

关键词：测控系统,天伺馈,仿真训练系统,仿真计算机

参考文献

[1]陈华,李寅,章明众,等.一种基于串口通信的数控手轮连接方案.机电工程,2010;27(5):41—43

[2]毛德广,席泽敏,卞小林,等.某型雷达模拟器操纵杆功能设计.信息与电子工程,2010;8(3):143—148

[3]杨奕飞,谢勇.海基S频段航天测控半实物仿真系统设计.航天控制,2010;28(5):58—63

[4]江文达,陈道桂.航天测量船.北京:国防工业出版社,2002

[5]杨奕飞,谢勇.船载测控雷达空间目标轨迹仿真生成方法.电讯技术,2008;48(9):71—74

[6]康德勇,徐劲,茅永兴.海上移动站精密测轨方法.天文学报,2005;46(3):314—321

[7]李芙玲,张瑾,闫跃升.基于CH341的USB-UART的设计与实现.工矿自动化,2007(3):121—122

论船载卫星“动中通”跟踪系统 篇6

船载自动跟踪系统由稳定跟踪平台伺服传动机构、惯性测量传感器、稳定跟踪控制台 (自动跟踪天线控制器) 、及显示控制软件 (系统管理软件) 、玻璃钢天线罩、罗经接口转换器、GPS等组成。天线控器可根据系统加载的卫星数据和GPS以及罗经送来的航向数据在加电后自动跟踪卫星, 并自动记忆接收站的经纬度、指北偏差、极化角等。天线控制器都配有计算机接入接口, 可为用户和设计人员提供一个操作控制程序控制调用界面、文字、数值显示伺服电平状态参数的工作平台。

二、三轴架构的船载卫星自动跟踪系统

船载自动跟踪系统较为典型也是最为常用的是一种三轴架构体系。中海油的移动船舶上安装的自动跟踪天线系统均采用的均是这种体制。它把用于驱动天线跟踪卫星的机构和隔离船摇的伺服机构融为一体, 通过安装在PCU (支架控制单元) 中的高精度、高灵敏度的惯性测量元件敏感船摇, 通过坐标变换计算得到船摇补偿角, 利用天线本身的伺服机构改变天线指向隔离船摇, 构成一个数字跟踪平台。

系统采用X-Y的混合装架形式, 对应在方位和俯仰两个轴上, 另外还在俯仰轴上增加了一个交叉轴 (Z轴) , 它与俯仰轴垂直, 俯仰轴和交叉轴构成了一个小角度范围的X-Y装架系统, 这就构成了稳定的三轴稳定架构系统。这种组合充分利用了各自的优点, 既可实现快速响应, 又具有高的跟踪精度和高隔离比。这三个轴在三维空间中可自由运动, 当船处于摇摆、滚动状态时, 这种三轴平衡装置就会使天线处于相对静止的状态, 起到隔离载体的功能。

三、船载卫星自动跟踪系统的核心部件 (IMU)

对于卫星自动跟踪系统来说, 每个部件都会听从控制器的指令来运转, 每一个部件都非常关键, 但其核心部分是IMU (惯性测量单元) 。它主要是由霍尔传感器组成的, 其利用惯性敏感器 (霍尔元件) 、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算系统。这也可以认为是一种捷联式惯导系统, 捷联式惯性导系统是指将惯性敏感器直接安装在运载体上, 不需要稳定平台和常平架系统的惯性导航系统。

惯性导航是一种自主式的导航方法, 惯性导航系统通过精确测量载体的旋转运动角速率和直线运动加速度信息, 然后送至数字计算机中进行实时的姿态矩阵解算, 通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速度计测量到的船体沿船体纵、横轴的加速度信息, 转换到导航用的动参考坐标系轴向, 然后再进行导航计算;并从姿态矩阵的有关元素中提取船体的姿态角 (航向角、滚动角、俯仰角) 。

四、船载卫星自动跟踪系统的关键技术 (NBR)

现代高精度的船载卫星自动跟踪天线系统, 每个生产厂家的技术不尽相同。目的都只有一个:更快更精准的锁定并长期跟踪你所需要的卫星。这里将以在中海油系统应用广泛的ORBIT Ku天线为例说明这项关键技术:卫星识别技术 (NBR) 。移动载体上的动中通系统在跟踪卫星期间, 天线跟踪锁定到不正确的目标上是可能发生的, 例如: (1) 在自动跟踪天线跟踪的频率范围内, 临星产生了同样的信号; (2) 在你使用的频率范围内, 由陆地产生的电磁干扰信号; (3) 来自高大建筑物的强反射信号, 产生了宽带噪声覆盖了相关的部分频谱。

那么这个时候怎样才能锁定上真正你需要的卫星信号呢?ORBIT天线系统采用了窄带信标识别技术来实现目标跟踪、锁定。也就是通常我们所说的NBR功能, 其全称为:Narrow Band Receiver (窄带信标接收机) 。这种识别功能主要是针对Ku频段的特点, 天线尺寸小的特点开发的。由于天线尺寸相对来说非常小, (大约3.5°波束带宽) , L-Band NBR电路就可以达到锁定窄波束信号的要求, 可以避免锁定在临近卫星频率上, 可以加强步进跟踪的计算准确性。它是通过窄带接收机中产生的Go/No-go信号来对卫星信号进行监测。

五、结束语