Computationally Fast Dynamical Model of a SATCOM Antenna Suitable for Extensive Optimization Tasks

Modelo dinámico computacionalmente rápido de una antena SATCOM adecuada para extensas tareas de optimización

El desarrollo de nuevas antenas SATCOM (comunicaciones por satélite) y sus sistemas de control es un problema complejo, en el que se deben cumplir los estrictos requisitos para el diseño mecánico, las unidades, los sensores y la velocidad y precisión generales del algoritmo de control. Por lo tanto, un modelo de simulación a menudo se usa en diferentes etapas de desarrollo, lo que acelera enormemente el proceso de diseño y optimización de todo el sistema. La parte computacionalmente más exigente de la simulación es el modelo dinámico de antena. Este artículo propone un enfoque alternativo para la creación dinámica de modelos, y los resultados se comparan con un modelo creado mediante el uso de un entorno universal de simulación multicuerpo. Se muestra que el nuevo enfoque propuesto ofrece resultados casi de la misma calidad y es varias veces más rápido computacionalmente.

1. Introducción

Asegurar una comunicación fiable es una tarea importante, no sólo en el sector civil, sino especialmente en las aplicaciones militares [1]. La colocación de la antena de comunicación en un vehículo en movimiento (terrestre o marítimo), junto con los estrictos requisitos de precisión en el seguimiento de los satélites [2], impone grandes exigencias al sistema mecatrónico de la antena: diseño mecánico, accionamientos, sensores, fusión de datos y algoritmos de control [3, 4].

La elección apropiada de los sensores, la topología del sistema de control y el procesamiento de datos no es un problema resuelto y el desarrollo técnico y la investigación siguen en curso [5].

Este artículo trata sobre el diseño de un modelo simplificado de dinámica de antenas para la desregulación y el dimensionamiento de la construcción mecánica de un sistema de antenas real. El modelo también sirve para las pruebas de los sensores y del sistema de control con el uso del Diseño Basado en el Modelo [6, 7]. Las pruebas de los algoritmos de control [8] y de procesamiento de señales, las unidades de medición inercial integradas [9-12], las salidas de otros sensores MEMS (sistemas microelectro-mecánicos), así como los cálculos de optimización del diseño mecánico, pueden acelerarse en gran medida mediante la ejecución de simulaciones en el modelo de la antena y los sensores. Los requisitos esenciales para el modelo del sistema de antenas creado son una precisión suficiente, parámetros mínimos y especialmente una baja complejidad de cálculo.

Los resultados descritos en este artículo se basan en el esfuerzo de investigación en colaboración del laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Tecnológica de Brno y PROFEN Communi- cation Technologies, Inc. [13].

1.1. Descripción del sistema

Para fijar con éxito un satélite, es necesario asegurar el movimiento de la an- tenna en dos ejes - azimut (guiñada) y elevación (cabeceo). Sin embargo, en tal configuración, puede haber problemas con una singularidad mecánica en la zona en la que el satélite rastreado está directamente encima de la antena. Por lo tanto, es preferible añadir un tercer eje - nivel transversal (Fig. 1), que proporciona un grado adicional de libertad al sistema y resuelve el problema de las singularidades mecánicas.