動中通天線：“針尖對麥芒”的連線
北斗導航系統
船載動中通天線在漁船上應用
打電話、發朋友圈、刷微博、看視訊，如今的手機已經成為我們生活習慣的一部分。但在沒有網路訊號的大海上，這些看似平常的生活習慣，卻是一種奢侈。
漁民出海打漁，只能靠海事衛星電話與陸地上的親人聯絡，高額的話費讓漁民消費不起，手機也成了“擺設”。
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”的產品，當漁船在海上航行時，通訊終端就可以接收到衛星發射的訊號，將其轉化為WiFi訊號，之後就可以直接暢享網際網路，觀看視訊直播，使用微信，而且費用還很低。
“這個‘鍋’叫船載動中通天線。”專案負責人、北京星網衛通科技開發有限公司總經理徐燁烽告訴記者，動中通天線能夠實現實時、高寬頻、無間斷地傳遞影象、視訊、語音等多媒體資訊，是應急通訊、機動通訊、邊遠地區通訊的最優選擇。
近年來，由徐燁烽、張仲毅等技術人才帶領的研發團隊，依託自身在北斗和慣性等領域的技術優勢，獨立自主研製開發了基於慣性/北斗的動中通天線跟蹤指向系統，突破了動中通天線自動尋星技術、低成本慣性測姿技術、動中通天線穩定跟蹤技術等關鍵技術，有效提升了產品效能，並大幅降低了使用成本，推動了移動衛星通訊天線的產業化應用。在2017年度北京市科學技術獎評選中，該專案榮獲二等獎。
研製高性價比的伺服跟蹤系統
“您所撥叫的使用者不在服務區”。在生活中，由於沒有通訊訊號我們偶爾會遇到這樣的情況，但在衛星通訊面前，這都不是事。
“所謂站得高，才能看得遠”，區別於地面行動通訊網路覆蓋方式，衛星通訊不受地面環境影響，無論您身處哪裡都可以自由地與外界進行無障礙通訊。
尤其是當發生地震、洪水、颱風等自然災害時，常規的地面通訊可能遭到破壞，常常導致通訊擁擠、堵塞、中斷、癱瘓等不同程度的通訊障礙，災情資訊無法快速準確獲取，在一定程度上制約了應急指揮、決策。因此，建設機動靈活、安全可靠、規模適度的搶險應急動中通衛星通訊系統就十分必要。
動中通天線是利用地球同步衛星作為中轉站，在我們日常所見的移動載體平臺（如運動中的車、船、飛機等）上依然能夠實時精確對準天上的衛星，從而實現高可靠性、高頻寬的通訊。據瞭解，目前動中通天線已經成為移動衛星通訊終端中不可或缺的關鍵產品。
“天上衛星資源短缺和地面通訊終端價格貴、可靠性差等因素，一定程度上制約了寬頻衛星通訊的發展。”徐燁烽說。
據悉，寬頻衛星通訊的前提是地面的衛星天線始終精確對準天上的通訊衛星，但在地面載體移動過程中，由於其姿態和地理位置發生變化，會引起原對準衛星天線偏離衛星，使通訊中斷，因此必須對載體的這些變化進行隔離，使天線不受影響並始終對準衛星。
“移動載體需要不間斷地跟蹤對準衛星，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星通訊的發展。其中，伺服跟蹤系統是技術關鍵，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，一般使用者很難承受，漁民更是隻能望洋興嘆；途徑二是採用低成本MEMS陀螺加衛星信標訊號，通過信標訊號修正提升系統精度，使得系統在確保跟蹤效能的情況下整體成本大幅度降低。
“其中定位測姿系統、機械傳動系統、穩定跟蹤系統約佔動中通天線總成本的70%。我們的研發思路就是要研製高性價比的伺服跟蹤系統。”徐燁烽介紹道。
創新的尋星演算法
傳統的衛星天線主要依靠高精度慣性導航系統給出的位置及姿態角資訊來計算天線的尋星指令角，以此控制天線對準衛星。
但是，這種方案對慣導系統的要求較高，為了確保天線能夠鎖定最大的衛星訊號，慣導系統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的成本已遠遠超過移動衛星通訊天線本身的成本，這是大多數研製單位和使用者無法承受的。
“為了有效地降低成本，必須選用低精度的慣導系統，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。
為了解決基於低精度慣導的移動衛星通訊天線初始化問題，目前大多數研製單位均採用天線方位軸0°—360°掃描加衛星信標訊號峰值識別技術來實現天線尋星，但不能很好地解決動中通天線如何利用尋星的輔助資訊在不同姿態下，計算慣導系統初始航向的難題。
“目前已有方法主要採用平面解算演算法，估計得到的慣導航向誤差較大，從而使得移動衛星通訊天線的跟蹤效能大大降低。”徐燁烽說。
針對上述技術問題，研發團隊提出一種移動衛星通訊天線的初始化方法，該方法利用天線方位軸0°—360°掃描來尋找衛星，再通過完整的三維座標轉換加迭代遞進的演算法來估計低精度慣導系統的初始航向角。由於這種方法具有較好的環境適應性，可適用於載體在任意姿態角下的初始尋星過程，初始化結束後，利用尋星輔助資訊推算得到的慣導系統的初始航向精度可達到0.1°以上。
“相比現有的基於平面座標推算的初始化演算法，本專案提出的方法可以在任意姿態環境中精確地估計載體慣導系統的初始航向，從而確保天線在初始化結束後可以精確地跟蹤衛星。”徐燁烽說。
同時，專案團隊創新性地設計了一種北斗/慣性組合導航和伺服穩定跟蹤一體化方法，提高系統整合度和控制精度。傳統的組合導航系統一般作為獨立部件通過外購方式來解決，姿態測量與伺服控制作為兩個分系統各自獨立執行。這樣便會帶來伺服系統延遲大、同步性差、開環控制誤差發散等缺陷，在高動態情況下系統控制精度無法提高等問題。
針對該問題，研發團隊使用單CPU實現導航演算法與控制演算法的一體化執行，減少了導航系統與控制系統之間資料互動的延遲，大大提升了控制系統頻寬，解決了高動態環境跟蹤精度難以提高的難題。
系統性能比肩國際領先產品
“這套系統性能在一次國家級的公開招標測試中名列第一，系統性能比肩國際領先產品。”徐燁烽自豪地說。
據瞭解，北京星網衛通科技開發有限公司已研發了近十款不同型號的新型產品，面向海上漁船等新興市場，取得了良好的市場佔有率。
“我們的產品已經用於多個行業和單位。”徐燁烽說，“在2013年發生的四川蘆山地震中，我們的‘動中通’衛星通訊車能夠在地面通訊系統癱瘓的情況下實時地將現場的影象、語音、資料傳送到地面指揮中心。”
同時，高精度的北斗導航系統為動中通、便攜站等各類移動衛星通訊裝置提供了高精度的定位導航資訊，與衛星信標及慣性導航技術融合實現了高精度的衛星跟蹤和伺服穩定效能。縮短了初始對星時間，提高了跟蹤精度，完全擺脫了對GPS及其它衛星導航系統的依賴。
北斗導航系統與衛星通訊系統的融合應用，為推動高精度北斗導航系統的產業化應用創造了一條新的途徑。實現了高精度北斗導航系統在高附加值、高技術含量的產業化專案中的批量應用。
近年來，北京市在市場準入、要素供給、降低成本、產權保護、公共服務等方面實施了一系列支援政策，鼓勵、支援和引導民營經濟持續健康發展。以北京星網衛通科技開發有限公司為代表的一批民營科技企業迎來了重要的發展機遇期，並展現出實力強、活力足、業態新、貢獻大、輻射廣等突出特點，成為了推動首都高質量發展的重要力量。（記者 申 明）