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北斗導航系統(tǒng)

船載動中通天線在漁船上應用

打電話、發(fā)朋友圈、刷微博、看視頻，如今的手機已經(jīng)成為我們生活習慣的一部分。但在沒有網(wǎng)絡(luò)信號的大海上，這些看似平常的生活習慣，卻是一種奢侈。

漁民出海打漁，只能靠海事衛(wèi)星電話與陸地上的親人聯(lián)系，高額的話費讓漁民消費不起，手機也成了“擺設(shè)”。

不過如今浙江舟山的漁民們卻很幸福，他們只需要在船上裝上一個銀白相間、外形似“鍋”的產(chǎn)品，當漁船在海上航行時，通信終端就可以接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號，將其轉(zhuǎn)化為WiFi信號，之后就可以直接暢享互聯(lián)網(wǎng)，觀看視頻直播，使用微信，而且費用還很低。

“這個‘鍋’叫船載動中通天線。”項目負責人、北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開發(fā)有限公司總經(jīng)理徐燁烽告訴記者，動中通天線能夠?qū)崿F(xiàn)實時、高寬帶、無間斷地傳遞圖像、視頻、語音等多媒體信息，是應急通信、機動通信、邊遠地區(qū)通信的最優(yōu)選擇。

近年來，由徐燁烽、張仲毅等技術(shù)人才帶領(lǐng)的研發(fā)團隊，依托自身在北斗和慣性等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，獨立自主研制開發(fā)了基于慣性/北斗的動中通天線跟蹤指向系統(tǒng)，突破了動中通天線自動尋星技術(shù)、低成本慣性測姿技術(shù)、動中通天線穩(wěn)定跟蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了產(chǎn)品性能，并大幅降低了使用成本，推動了移動衛(wèi)星通信天線的產(chǎn)業(yè)化應用。在2017年度北京市科學技術(shù)獎評選中，該項目榮獲二等獎。

研制高性價比的伺服跟蹤系統(tǒng)

“您所撥叫的用戶不在服務區(qū)”。在生活中，由于沒有通信信號我們偶爾會遇到這樣的情況，但在衛(wèi)星通信面前，這都不是事。

“所謂站得高，才能看得遠”，區(qū)別于地面移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，衛(wèi)星通信不受地面環(huán)境影響，無論您身處哪里都可以自由地與外界進行無障礙通信。

尤其是當發(fā)生地震、洪水、臺風等自然災害時，常規(guī)的地面通信可能遭到破壞，常常導致通信擁擠、堵塞、中斷、癱瘓等不同程度的通信障礙，災情信息無法快速準確獲取，在一定程度上制約了應急指揮、決策。因此，建設(shè)機動靈活、安全可靠、規(guī)模適度的搶險應急動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)就十分必要。

動中通天線是利用地球同步衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，在我們?nèi)粘Ｋ姷囊苿虞d體平臺(如運動中的車、船、飛機等)上依然能夠?qū)崟r精確對準天上的衛(wèi)星，從而實現(xiàn)高可靠性、高帶寬的通信。據(jù)了解，目前動中通天線已經(jīng)成為移動衛(wèi)星通信終端中不可或缺的關(guān)鍵產(chǎn)品。

“天上衛(wèi)星資源短缺和地面通信終端價格貴、可靠性差等因素，一定程度上制約了寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展。”徐燁烽說。

據(jù)悉，寬帶衛(wèi)星通信的前提是地面的衛(wèi)星天線始終精確對準天上的通信衛(wèi)星，但在地面載體移動過程中，由于其姿態(tài)和地理位置發(fā)生變化，會引起原對準衛(wèi)星天線偏離衛(wèi)星，使通信中斷，因此必須對載體的這些變化進行隔離，使天線不受影響并始終對準衛(wèi)星。

“移動載體需要不間斷地跟蹤對準衛(wèi)星，這非常難，就好比針尖對麥芒。”徐燁烽說。

另外，高昂的成本也限制了衛(wèi)星通信的發(fā)展。其中，伺服跟蹤系統(tǒng)是技術(shù)關(guān)鍵，也是成本最高的地方。徐燁烽告訴記者，一般伺服跟蹤系統(tǒng)有兩種解決方案。途徑一是高精度光纖慣性導航，雖然測量精度很高，但成本極高，一般用戶很難承受，漁民更是只能望洋興嘆;途徑二是采用低成本MEMS陀螺加衛(wèi)星信標信號，通過信標信號修正提升系統(tǒng)精度，使得系統(tǒng)在確保跟蹤性能的情況下整體成本大幅度降低。

“其中定位測姿系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)約占動中通天線總成本的70%。我們的研發(fā)思路就是要研制高性價比的伺服跟蹤系統(tǒng)。”徐燁烽介紹道。

創(chuàng)新的尋星算法

傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線主要依靠高精度慣性導航系統(tǒng)給出的位置及姿態(tài)角信息來計算天線的尋星指令角，以此控制天線對準衛(wèi)星。

但是，這種方案對慣導系統(tǒng)的要求較高，為了確保天線能夠鎖定最大的衛(wèi)星信號，慣導系統(tǒng)的自主尋北精度必須達到0.1°以上，而如此高精度的慣導系統(tǒng)的成本已遠遠超過移動衛(wèi)星通信天線本身的成本，這是大多數(shù)研制單位和用戶無法承受的。

“為了有效地降低成本，必須選用低精度的慣導系統(tǒng)，而低精度慣導無法自主尋北輸出正確的航向，因此，天線無法得到準確的對星指令角。”徐燁烽說。

為了解決基于低精度慣導的移動衛(wèi)星通信天線初始化問題，目前大多數(shù)研制單位均采用天線方位軸0°—360°掃描加衛(wèi)星信標信號峰值識別技術(shù)來實現(xiàn)天線尋星，但不能很好地解決動中通天線如何利用尋星的輔助信息在不同姿態(tài)下，計算慣導系統(tǒng)初始航向的難題。

“目前已有方法主要采用平面解算算法，估計得到的慣導航向誤差較大，從而使得移動衛(wèi)星通信天線的跟蹤性能大大降低。”徐燁烽說。

針對上述技術(shù)問題，研發(fā)團隊提出一種移動衛(wèi)星通信天線的初始化方法，該方法利用天線方位軸0°—360°掃描來尋找衛(wèi)星，再通過完整的三維坐標轉(zhuǎn)換加迭代遞進的算法來估計低精度慣導系統(tǒng)的初始航向角。由于這種方法具有較好的環(huán)境適應性，可適用于載體在任意姿態(tài)角下的初始尋星過程，初始化結(jié)束后，利用尋星輔助信息推算得到的慣導系統(tǒng)的初始航向精度可達到0.1°以上。

“相比現(xiàn)有的基于平面坐標推算的初始化算法，本項目提出的方法可以在任意姿態(tài)環(huán)境中精確地估計載體慣導系統(tǒng)的初始航向，從而確保天線在初始化結(jié)束后可以精確地跟蹤衛(wèi)星。”徐燁烽說。

同時，項目團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了一種北斗/慣性組合導航和伺服穩(wěn)定跟蹤一體化方法，提高系統(tǒng)集成度和控制精度。傳統(tǒng)的組合導航系統(tǒng)一般作為獨立部件通過外購方式來解決，姿態(tài)測量與伺服控制作為兩個分系統(tǒng)各自獨立運行。這樣便會帶來伺服系統(tǒng)延遲大、同步性差、開環(huán)控制誤差發(fā)散等缺陷，在高動態(tài)情況下系統(tǒng)控制精度無法提高等問題。

針對該問題，研發(fā)團隊使用單CPU實現(xiàn)導航算法與控制算法的一體化運行，減少了導航系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的延遲，大大提升了控制系統(tǒng)帶寬，解決了高動態(tài)環(huán)境跟蹤精度難以提高的難題。

系統(tǒng)性能比肩國際領(lǐng)先產(chǎn)品

“這套系統(tǒng)性能在一次國家級的公開招標測試中名列第一，系統(tǒng)性能比肩國際領(lǐng)先產(chǎn)品。”徐燁烽自豪地說。

據(jù)了解，北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開發(fā)有限公司已研發(fā)了近十款不同型號的新型產(chǎn)品，面向海上漁船等新興市場，取得了良好的市場占有率。

“我們的產(chǎn)品已經(jīng)用于多個行業(yè)和單位。”徐燁烽說，“在2013年發(fā)生的四川蘆山地震中，我們的‘動中通’衛(wèi)星通信車能夠在地面通信系統(tǒng)癱瘓的情況下實時地將現(xiàn)場的圖像、語音、數(shù)據(jù)傳送到地面指揮中心。”

同時，高精度的北斗導航系統(tǒng)為動中通、便攜站等各類移動衛(wèi)星通信設(shè)備提供了高精度的定位導航信息，與衛(wèi)星信標及慣性導航技術(shù)融合實現(xiàn)了高精度的衛(wèi)星跟蹤和伺服穩(wěn)定性能。縮短了初始對星時間，提高了跟蹤精度，完全擺脫了對GPS及其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴。

北斗導航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融合應用，為推動高精度北斗導航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應用創(chuàng)造了一條新的途徑。實現(xiàn)了高精度北斗導航系統(tǒng)在高附加值、高技術(shù)含量的產(chǎn)業(yè)化項目中的批量應用。

近年來，北京市在市場準入、要素供給、降低成本、產(chǎn)權(quán)保護、公共服務等方面實施了一系列支持政策，鼓勵、支持和引導民營經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。以北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開發(fā)有限公司為代表的一批民營科技企業(yè)迎來了重要的發(fā)展機遇期，并展現(xiàn)出實力強、活力足、業(yè)態(tài)新、貢獻大、輻射廣等突出特點，成為了推動首都高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。(記者 申 明)