1 引言
目前市场上动中通产品应用越来越普遍，产品形式也越来越丰富，按照其应用场景，可以分为车载动中通、机载动中通、船载动中通等。其主要功能是实现地面上或近地空间内飞机与卫星的不间断通信。为适应市场竞争需要，满足产品低成本设计要求，降低动中通系统成本迫在眉睫。目前市场上现有动中通产品中，激光惯导/光纤惯导占据很大一部分成本，随着MEMS IMU技术不断发展，MEMS惯导已逐渐能够满足控制动中通天线的要求，通过研制MEMS 惯导控制的动中通可以降低成本。
2 系统组成与特点
低成本动中通系统由动中通伺服系统、天线、卫通设备、MEMS IMU、GPS构成。与传统产品相比，主要是采用了成本较低的MEMS IMU，以降低产品成本。
动中通伺服系统采用0.8m*0.6m切边抛物面天线，卫通设备采用万康的编解码调制解调一体机，GPS采用市场采购的GPS模块，IMU采用星网宇达的XW-5251型MEMS IMU。低成本动中通采用的MEMS IMU与高精度激光/光纤惯导的参数对比详见表1。
表1 各类惯导/IMU的主要技术指标
从表1可以看出，MEMS惯性器件的精度远低于激光/光纤惯导。
传统动中通产品是基于高精度激光、光纤惯导控制方案的产品，这种方案的特点是依靠激光/光纤惯导较高的姿态精度，精确测量载体姿态，控制天线始终对准卫星。这种方案是一种开环控制，没有引入信标信号实时反馈，因此天线控制精度很大程度上依赖于惯导精度，随着惯导误差累积，天线控制品质将逐渐下降。另外，激光/光纤惯导较高的成本也给动中通的市场推广带来障碍。
3 低成本动中通基本原理及方法
基于MEMS惯导的低成本动中通的基本原理是用MEMS INS/GPS/信标组合导航技术精确测量天线载体的姿态、位置变化，利用圆锥扫描信标梯度技术修正天线跟踪误差和MEMS惯导的航向误差，控制卫星天线始终对准通信卫星。
动中通采用低成本MEMS IMU、GNSS系统、卫星信标构成组合导航系统，融合了动中通天线双四元数控制方法、动态下陀螺零偏渐进式补偿方法、伪导航系下基于卡尔曼滤波的海泊动态搜星方法、动中通控制系统动态滞后补偿模型、圆锥扫描的8象限信标梯度计算方法、行进中对星、对星信标强度门限的动态设定方法等创新技术，用成本极低的MEMS IMU实现了动中通天线的精确跟踪控制、误差自动修正、海泊态对星、行进中对星、遮挡后重新捕获等功能。
4 设计方案
4.1 硬件设计
低成本动中通硬件部分由导航控制计算机、MEMS IMU、GNSS、伺服系统与天线、信标模块、调制解调器与编解码器、功放等设备组成。
基于ARM/DSP/FPGA的控制电路，ARM负责解析编码器、IMU、GPS、上位机的数据协议和 AD采样。DSP负责执行导航与控制算法。FPGA负责完成DSP和ARM之间的通信和电机控制脉冲发送等功能。如图1所示。
图1 低成本动中通硬件框图
4.2 软件设计
低成本动中通软件部分由惯性导航算法、基于卡尔曼滤波的组合导航算法、导航误差修正算法、天线惯性跟踪算法、天线跟踪误差修正算法等组成。如图2所示。
图2 低成本动中通算法框图
5 控制算法
控制算法基于MEMS INS/GPS/信标组合导航技术，由INS/GPS/信标组合导航算法修正MEMS惯导导航误差，天线跟踪误差采用十字扫描方式修正，实现了天线在跟踪卫星过程中对跟踪误差的自动修正。该算法只支持静态对星，但可实现MEMS IMU/GPS/信标组合导航算法对惯导误差的修正。如图3所示。
将十字扫描方式改为圆锥扫描方式，大大提高了扫描效率，提高可控制的平顺性和可靠性。在纯静态对星的基础上，对停泊态（摇摆态）对星算法、行进中对星算法、丢星后重新寻回卫星的算法进行优化，能很好的实现静态对星、摇摆态对星、行进中对星、跟踪卫星、遮挡后重新寻回等难题。在控制算法中，采用“动中通天线双四元数控制方法”、 “动态下陀螺零偏渐进式补偿方法”、“伪导航系下基于卡尔曼滤波的海泊动态搜星方法”等创新技术算法，可实现动中通天线的精确跟踪控制、误差自动修正、海泊态对星、行进中对星、遮挡后重新捕获等功能。
图3控制算法框图
6 测试结果
为进一步验证本文提出的基于MEMS惯导的低成本动中通的基本原理及方法可行性，对设计方案进行了跑车验证。跑车试验环境为城市街道，在跑车过程中，动中通天线系统经过街道的红绿灯、掉头转向、加速减速，颠簸路面，穿越高架桥等复杂路面环境进行跑车测试。跑车测试天线系统的信标值（AGC值）变化详见图4。
图4 跑车测试天线系统信标值变化曲线
从图4中可以看出，在连续1小时的实际跑车测试过程中，动中通天线系统始终能稳定跟踪卫星。卫星信号被数个高架桥、路线标识牌、路灯等障碍物遮挡，卫星信号强度出现瞬间大幅下降的情况。在遮挡消失后，动中通天线系统能快速重新捕获并稳定跟踪卫星，保持与卫星的可靠通信，但未发生卫星信号丢失。
7 结论
低成本动中通天线系统在搭建车载系统（接入卫星通信设备和应用终端，安装于测试车辆上）进行全功能测试，经过大量跑车实验测试，基于MEMS惯导的动中通天线系统能快速、可靠地完成行进中对星。在遮挡消失后能快速重新捕获卫星。基于MEMS惯导动中通天线系统测试结果满足现有市场需求，并大幅降低成本，各项功能可靠、稳定，可应用于市场推广。
参考文献
[1] 秦永元.惯性导航.北京：科学出版社，2006
[2] 秦永元,张洪钺，汪淑华.卡尔曼滤波与组合导航原理（第2版）.西安：西北工业大学出版社.2012
[3] 张英，戚红向，李德强，王世会，叶茂.MEMS航天惯导产品及技术发展简介.航天标准化.2010
[4] 阮小刚，汪宏武.“动中通”卫星天线技术及产品的应用.技术与应用.2006
