一种用于船载低轨卫星VSAT天线的异型座架

摘要

本发明涉及一种用于船载低轨卫星VSAT天线的新型座架，本座架为改进后的A‑C‑E异型座架，将方位轴缩短演变为横滚梁滑轨；横滚梁上仰与方位转盘平面成60‑80°角。本座架包括方位轴、横滚轴和俯仰轴：天线主反射面沿俯仰轴做俯仰转动，俯仰轴一侧设俯仰电机组合，远离俯仰电机组合的另一侧设航姿电机及航向姿态参考单元；俯仰转轴两端连接横滚梁，横滚梁由横滚电机驱动带动俯仰轴及天线反射面围绕横滚轴沿滑轨做横滚运动；横滚梁滑轨下方固连于方位转盘；方位转盘中部设有射频旋转关节及信号滑环，方位转盘由方位电机驱动带动整个天线绕方位轴做方位转动。本发明的优点是：天线电轴俯仰运动范围接近180°，结构重量轻，功耗低。

说明书

技术领域

本发明属于卫星移动跟踪通信技术领域，具体涉及一种用于船载低轨卫星VSAT天线的异型座架。

背景技术

未来的卫星通信主要力量就在于低轨道通信，远离陆地的舰船都必须装备低轨道卫星通信终端。国内外低轨道卫星正在加紧布局，地面终端跟踪低轨卫星面对无信标、过境快、频繁切换等主要挑战，需要终端快速捕获、跟踪及卫星过顶环境等关键技术研究。

对于低轨通信卫星，不可避免地要有低角度卫星捕获跟踪及卫星相对船载天线过顶运动的现象。

对于A-E双轴结构的转台，存在A轴和E轴跟踪运动时相互耦合的影响，过顶跟踪时，方位角速度趋向无穷大，实际使用存在顶部跟踪盲区。

解决过顶跟踪的方法，传统为四种，使用X-Y转台、A-E座架加第三轴A-E-C座架或A-C-E座架、程序过顶、天线立柱方位轴倾斜。四种方案基本是针对地面静止安装使用的天线提出，地面站天线中能够过顶跟踪的X-Y型转台，有着俯仰低角度跟踪盲区，没有低仰角盲区的A-E座架有过顶跟踪盲区，都不能简单地照搬到舰船上使用。

现在使用的船载站天线也不能直接用于低轨道卫星通信使用，或者需要附加使用条件。现有适用于船载的A-C-E天线转台，俯仰范围最大在-11°到+120°，不能适应跟踪低轨卫星近似于180°的需要，也不适应卫星过顶时的跟踪需要。

上述几种天线座架转台不能简单地整合，必须在结构上具备达到运动范围和运动速度的需求，又有一套适用的控制系统，能够满足使用环境的需要。

技术难点包括：由结构形式、驱动系统、伺服控制共同组成的座架响应带宽及运动范围，都要达到低轨卫星无信标、过境快、频繁切换等主要挑战的需求。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于船载低轨卫星VSAT天线的结构简单、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高的异型座架。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明涉及一种用于船载低轨卫星VSAT天线的异型座架，本异型座架为改进后的A-C-E座架，将方位立柱缩短并演变为横滚梁滑轨；横滚梁平面上仰与方位转盘平面成60-80°角。本座架包括天线主反射面及其背面围绕转动的俯仰转轴，天线主反射面沿俯仰轴做俯仰转动，俯仰轴一侧设有俯仰电机组合及电机驱动器，远离俯仰电机组合及电机驱动器的另一侧设有航姿步进电机及航向姿态参考单元(AHRS)；俯仰转轴两端连接横滚梁，横滚梁由横滚电机驱动带动俯仰轴及天线反射面沿滑轨做横滚运动；横滚梁滑轨下方固连于方位转盘；方位转盘中部设有旋转关节，方位转盘由方位电机驱动带动整个天线绕方位轴做方位转动。本发明的优点是结构简单、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高的异型座架。能使在运动载体(舰船)上安装的天线系统不仅有传统的“动中通”天线的特点，而且其主反射面电轴能沿俯仰轴在180°(略小于)范围内高速转动。本座架特别适用于用于天线跟踪低空轨道的空中飞行物体，例如低轨道通信卫星。

进一步的，所述异型座架为改进后的A-C-E座架，将方位立柱缩短并演变为横滚梁滑轨，固连在方位转盘上。

进一步的，所述横滚梁为圆弧型滑轨结构。

进一步的，所述异型座架在方位、横滚和俯仰三个方向转动，且在所有运动姿态下，方位、俯仰、横滚三轴及极化轴两两相交，且保持垂直。

进一步的，天线电轴俯仰角在顶部上空的运动范围为0°～180°(略小于)，方位角的运动范围为0°～360°。

作为优选，所述异型座架的框架均为轻质铝合金材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明异型座架针对船载“动中通”天线的需求和实际安装使用的可能，分析了现有技术中四种方式的优势和弱势，综合其原理性特点，提出了变异A-C-E座架方案。其结构能适应船载的扰动环境、克服X-Y座架低仰角时X轴端盲区、利用横滚轴特点替代方位轴倾斜，在实现功能性能的前提下，具有结构简单、较轻的重量、较低的功耗、较低的成本和高可靠性的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的A-C-E座架结构示意图；

图2为本发明A-C-E座架结构示意图；

图3-4为具体实施应用本座架所构成的实施例天线系统示意图；

图中，1-天线主反射面，101-天线面支耳，2-俯仰转轴，3-馈源，4-俯仰电机，5-电机驱动器，6-圆极化器，7-LNB，8-正交模耦合器，9-BUC，10-航姿步进电机，11-AHRS，12-横滚梁，13-减震底座，14-主控单元，15-接收机，16-电源模块，17-偏置桥，18-射频旋转关节及信号滑环，19-方位电机，20-接口板，21-横滚电机，22-横滚驱动单元，23-方位驱动单元，24-方位轴，25-方位转盘，26-横滚梁滑轨，27-横滚轴。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图3-4所示的一种用船载低轨卫星VSAT天线的异型座架构成的天线示例系统，包括天线主反射面1及其背面围绕转动的俯仰转轴2，所述天线主反射面1正面设有馈源3，所述俯仰转轴2中部从前至后依次设有圆极化器6、OMT8、LNB7及BUC9，所述俯仰转轴2一侧设有俯仰电机4及电机驱动器5，远离俯仰电机4及电机驱动器5的另一侧设有航姿步进电机10及AHRS11；所述俯仰转轴2两端连接横滚梁12，所述横滚梁12下方为横滚梁滑轨26，横滚梁滑轨26固连在方位转盘25上，所述方位转盘25上设有主控单元14、多模接收机15、电源模块16、偏置桥17、方位电机19、横滚电机21、横滚驱动单元22、方位驱动单元23。所述横滚驱动单元22及方位驱动单元23设于横滚电机21后方，所述方位驱动单元23远离横滚驱动单元22的一侧依次设主控单元14及电源模块16，所述电源模块16上方设接收机15，后方设偏置桥17；所述减震底座13上设有若干接口板20，所述减震底座13通过弹簧减震。所述方位转盘25中部设有旋转关节，方位转盘25上固连方位电机19。

本发明为结构上的异型A-C-E座架。

低轨卫星通信常用Ka频段，其抛物面天线的波瓣极窄，约在1°左右，必须保证全范围、全速度运动过程中方位、横滚、俯仰三轴精确地运动，以使天线电轴实时精确指向被跟踪目标卫星。在本发明设计的结构中，要将以往传统的A-E、X-Y、A-C-E、A-E-C、A-X-Y座架优势集合在一起，避免各自的弱点。

本座架则针对船载“动中通”天线的需求和实际安装使用的可能，分析了上述四种座架的优势和弱势，综合其原理性特点，提出了变异A-C-E座架方案。力图能适应船载的扰动环境、克服X-Y座架低仰角时X轴端盲区、利用横滚轴27特点替代方位轴倾斜，在实现功能性能的前提下，有着结构简单、较轻的重量和功耗、较低的成本、高可靠性。

本方案提出的变异A-C-E座架，基于A-E座架增加C轴具备过顶功能，但是传统的A-C-E座架(见附图1)俯仰角上仰角受限于结构约束，只能到达120°左右。改进后的座架仅将横滚梁抬起至垂直，C轴旋转轴心及工作机理不变，A、C、E三轴交于电轴末端一点，使得天线电轴俯仰角能在顶部上空近似于180°范围内运动。

改变后的结构外观上很类似A-X-Y结构，即将X-Y转台置于方位转盘(见附图2)。但是，本方案的工作机理不完全相同于A-X-Y结构，主要表现在非过顶空域跟踪时，和传统A-C-E转台功能完全相同，C轴的作用是保证E轴始终平行于水平面，从而为天线俯仰角调整提供良好的水平基准，隔离了方位运动对俯仰角的耦合干扰，避免了X-Y转台控制机理上繁琐的计算和苛刻的传感器精度要求。但在过顶跟踪时，却类似于具有方位旋转A轴的X-Y座架，俯仰E轴即Y轴，方位轴和俯仰轴之间的交叉(横滚)C轴则起到X轴的作用。E轴和C轴形成X-Y坐标系中的两轴，C轴被当作X-Y坐标系中X轴使用，从而类似X-Y转台一样实现过顶功能。

本方案座架包括异型A-C-E结构座架(转台)和配套伺服控制系统。方案外观及组成部件如图3所示。

本发明所说A-C-E异型座架，是指在在A-C-E型座架基础上的改进。是船载“动中通”国内外市场产品中传统的方位-交叉(横滚)-俯仰轴(A-C-E)型天线座架的异化形式。将常用的A-C-E转台座架的方位立柱(见附图2)缩短到只保留方位轴承安装所需高度、外观演变为横滚梁滑轨，将横滚梁12中部降低，并改为圆弧状，此方案保持了A-C-E座架的特点，且具有良好的过顶跟踪能力，特别适合于低轨卫星跟踪。

此方式将降低的横滚梁12设计成在圆弧型滑轨上移动，可以使天线罩具有最小的外径。

整个系统框架均为轻质铝合金材料表面防腐蚀处理，降低自身重量，减轻驱动系统负载。

结构设计首先考虑到各轴转动惯量给系统伺服运动带宽带来的影响，以及各轴摆动间隙，保证跟踪性能；还考虑到海上使用环境的影响，采取相应的结构材料和防盐雾腐蚀处理。

各个部件均为外场可更换部件，以及随着寿命到期的同步带更换，做到了更换方便，不需拆除其它部件。

充分利用了罩内空间，将所有部件(可更换单元)集成在天线座内，使得整套系统结构合理紧凑，缩短了电缆长度，提高了系统的集成度水平。

本发明研制出的天线座架(转台)，该座架具有方位、横滚和俯仰三个方向的转动能力，保证天线在载体为舰船条件下跟踪低轨道通信卫星。跟踪范围为方位360°、俯仰0°至180°(略小于)，跟踪速度60°/s。既没有低仰角盲区、也没有过顶盲区。

本方案采用的A-C-E座架避免了A-E座架两轴调整时相互耦合干扰问题，只需按照上面计算的大地坐标系下的天线方位角和俯仰角分别进行调整即可。俯仰角的调整，以本系统经伺服隔离环境扰动后的天线惯性传感器组成的姿态水平平台面为基准，实时调整天线电轴俯仰角，不受方位角变动影响。方位角调整，依据双北斗/GPS天线测向系统给出的电轴北向方位角控制座架方位转台转动天线面对准卫星到方位偏差范围内，再依据双模(信标)接收机采集的卫星发射的有效信息强度进行微调，从而实现卫星的精对准，调整过程与俯仰角无关。

本座架能达到的技术指标：

运动特性：

适应船体运功范围

本发明的关键点和保护点：

1)精密的结构设计

弧形横滚轴27运动必须流畅、无跳跃点，在所有运动姿态下，方位、俯仰、横滚三轴及极化轴必须两两相交、且保持垂直。

传动机构通过电机驱动减速器并经传动带带动相应轴转动，回程误差在1.5-2.5弧分，即0.025-0.04°，满足系统控制精度分配的误差要求，以保证天线的指向精度和跟踪精度。

2)智能化伺服控制系统

针对这种座架和低轨卫星大角度范围、大速度范围跟踪、过顶跟踪需要的伺服控制机理(传感器信号处理、驱动控制)。由于采用低横滚梁设计，天线反射面背负几千克重的BUC9部件在跟踪中不断变更天线结构的重心和负载力矩，给伺服控制系统设计带来不确定因素需要采取智能化措施排除。

说明：

本专利仅就座架技术论述，低轨卫星通信所用VSAT天线系统配套的其它设备，以及所用的捕获、跟踪、双天线切换技术等未在本专利申请范围之内，未予描述。

本方案中的英文概念解释：

LNB：低噪声下变频器

OMT：正交模耦合器

BUC：上变频功率放大器

AHRS：航向姿态参考系统

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。