北斗導(dǎo)航系統(tǒng)
船載動(dòng)中通天線在漁船上應(yīng)用
打電話、發(fā)朋友圈、刷微博、看視頻,如今的手機(jī)已經(jīng)成為我們生活習(xí)慣的一部分。但在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的大海上,這些看似平常的生活習(xí)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(fèi)讓漁民消費(fèi)不起,手機(jī)也成了“擺設(shè)”。
不過(guò)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(gè)銀白相間、外形似“鍋”的產(chǎn)品,當(dāng)漁船在海上航行時(shí),通信終端就可以接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),將其轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào),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(fèi)用還很低。
“這個(gè)‘鍋’叫船載動(dòng)中通天線。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開(kāi)發(fā)有限公司總經(jīng)理徐燁烽告訴記者,動(dòng)中通天線能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、高寬帶、無(wú)間斷地傳遞圖像、視頻、語(yǔ)音等多媒體信息,是應(yīng)急通信、機(jī)動(dòng)通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)通信的最優(yōu)選擇。
近年來(lái),由徐燁烽、張仲毅等技術(shù)人才帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì),依托自身在北斗和慣性等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì),獨(dú)立自主研制開(kāi)發(fā)了基于慣性/北斗的動(dòng)中通天線跟蹤指向系統(tǒng),突破了動(dòng)中通天線自動(dòng)尋星技術(shù)、低成本慣性測(cè)姿技術(shù)、動(dòng)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(dòng)了移動(dòng)衛(wèi)星通信天線的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中,該項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)。
研制高性價(jià)比的伺服跟蹤系統(tǒng)
“您所撥叫的用戶不在服務(wù)區(qū)”。在生活中,由于沒(méi)有通信信號(hào)我們偶爾會(huì)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(yuǎn)”,區(qū)別于地面移動(dòng)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(wú)論您身處哪里都可以自由地與外界進(jìn)行無(wú)障礙通信。
尤其是當(dāng)發(fā)生地震、洪水、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí),常規(guī)的地面通信可能遭到破壞,常常導(dǎo)致通信擁擠、堵塞、中斷、癱瘓等不同程度的通信障礙,災(zāi)情信息無(wú)法快速準(zhǔn)確獲取,在一定程度上制約了應(yīng)急指揮、決策。因此,建設(shè)機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠、規(guī)模適度的搶險(xiǎn)應(yīng)急動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)就十分必要。
動(dòng)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?jiàn)的移動(dòng)載體平臺(tái)(如運(yùn)動(dòng)中的車(chē)、船、飛機(jī)等)上依然能夠?qū)崟r(shí)精確對(duì)準(zhǔn)天上的衛(wèi)星,從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高帶寬的通信。據(jù)了解,目前動(dòng)中通天線已經(jīng)成為移動(dòng)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(jià)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(shuō)。
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(duì)準(zhǔn)天上的通信衛(wèi)星,但在地面載體移動(dòng)過(guò)程中,由于其姿態(tài)和地理位置發(fā)生變化,會(huì)引起原對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星天線偏離衛(wèi)星,使通信中斷,因此必須對(duì)載體的這些變化進(jìn)行隔離,使天線不受影響并始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。
“移動(dòng)載體需要不間斷地跟蹤對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,這非常難,就好比針尖對(duì)麥芒。”徐燁烽說(shuō)。
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(dǎo)航,雖然測(cè)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(biāo)信號(hào),通過(guò)信標(biāo)信號(hào)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(cè)姿系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)約占動(dòng)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(jià)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(dǎo)航系統(tǒng)給出的位置及姿態(tài)角信息來(lái)計(jì)算天線的尋星指令角,以此控制天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。
但是,這種方案對(duì)慣導(dǎo)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(hào),慣導(dǎo)系統(tǒng)的自主尋北精度必須達(dá)到0.1°以上,而如此高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)的成本已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)移動(dòng)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(wú)法承受的。
“為了有效地降低成本,必須選用低精度的慣導(dǎo)系統(tǒng),而低精度慣導(dǎo)無(wú)法自主尋北輸出正確的航向,因此,天線無(wú)法得到準(zhǔn)確的對(duì)星指令角。”徐燁烽說(shuō)。
為了解決基于低精度慣導(dǎo)的移動(dòng)衛(wèi)星通信天線初始化問(wèn)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(biāo)信號(hào)峰值識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線尋星,但不能很好地解決動(dòng)中通天線如何利用尋星的輔助信息在不同姿態(tài)下,計(jì)算慣導(dǎo)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(jì)得到的慣導(dǎo)航向誤差較大,從而使得移動(dòng)衛(wèi)星通信天線的跟蹤性能大大降低。”徐燁烽說(shuō)。
針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出一種移動(dòng)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(lái)尋找衛(wèi)星,再通過(guò)完整的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換加迭代遞進(jìn)的算法來(lái)估計(jì)低精度慣導(dǎo)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(yīng)性,可適用于載體在任意姿態(tài)角下的初始尋星過(guò)程,初始化結(jié)束后,利用尋星輔助信息推算得到的慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始航向精度可達(dá)到0.1°以上。
“相比現(xiàn)有的基于平面坐標(biāo)推算的初始化算法,本項(xiàng)目提出的方法可以在任意姿態(tài)環(huán)境中精確地估計(jì)載體慣導(dǎo)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(shuō)。
同時(shí),項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種北斗/慣性組合導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)一般作為獨(dú)立部件通過(guò)外購(gòu)方式來(lái)解決,姿態(tài)測(cè)量與伺服控制作為兩個(gè)分系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行。這樣便會(huì)帶來(lái)伺服系統(tǒng)延遲大、同步性差、開(kāi)環(huán)控制誤差發(fā)散等缺陷,在高動(dòng)態(tài)情況下系統(tǒng)控制精度無(wú)法提高等問(wèn)題。
針對(duì)該問(wèn)題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用單CPU實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航算法與控制算法的一體化運(yùn)行,減少了導(dǎo)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(dòng)態(tài)環(huán)境跟蹤精度難以提高的難題。
系統(tǒng)性能比肩國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品
“這套系統(tǒng)性能在一次國(guó)家級(jí)的公開(kāi)招標(biāo)測(cè)試中名列第一,系統(tǒng)性能比肩國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品。”徐燁烽自豪地說(shuō)。
據(jù)了解,北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開(kāi)發(fā)有限公司已研發(fā)了近十款不同型號(hào)的新型產(chǎn)品,面向海上漁船等新興市場(chǎng),取得了良好的市場(chǎng)占有率。
“我們的產(chǎn)品已經(jīng)用于多個(gè)行業(yè)和單位。”徐燁烽說(shuō),“在2013年發(fā)生的四川蘆山地震中,我們的‘動(dòng)中通’衛(wèi)星通信車(chē)能夠在地面通信系統(tǒng)癱瘓的情況下實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)的圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳送到地面指揮中心。”
同時(shí),高精度的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為動(dòng)中通、便攜站等各類(lèi)移動(dòng)衛(wèi)星通信設(shè)備提供了高精度的定位導(dǎo)航信息,與衛(wèi)星信標(biāo)及慣性導(dǎo)航技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)了高精度的衛(wèi)星跟蹤和伺服穩(wěn)定性能??s短了初始對(duì)星時(shí)間,提高了跟蹤精度,完全擺脫了對(duì)GPS及其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴。
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融合應(yīng)用,為推動(dòng)高精度北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造了一條新的途徑。實(shí)現(xiàn)了高精度北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在高附加值、高技術(shù)含量的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中的批量應(yīng)用。
近年來(lái),北京市在市場(chǎng)準(zhǔn)入、要素供給、降低成本、產(chǎn)權(quán)保護(hù)、公共服務(wù)等方面實(shí)施了一系列支持政策,鼓勵(lì)、支持和引導(dǎo)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。以北京星網(wǎng)衛(wèi)通科技開(kāi)發(fā)有限公司為代表的一批民營(yíng)科技企業(yè)迎來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇期,并展現(xiàn)出實(shí)力強(qiáng)、活力足、業(yè)態(tài)新、貢獻(xiàn)大、輻射廣等突出特點(diǎn),成為了推動(dòng)首都高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。(記者 申 明)
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