關(guān)于便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的探討

賀曉文 何建東

【摘 要】當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，在救援過程中，往往是利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)來完成災(zāi)區(qū)信號(hào)的傳輸。便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)可隨身攜帶，方便信號(hào)傳輸工作的開展，目前已經(jīng)在很多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文作者將針對(duì)便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題展開探討。

【關(guān)鍵詞】便攜式衛(wèi)星通信；天線；信號(hào)；設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】 P185.18【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0013-02

一、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成及其中各模塊主要設(shè)計(jì)和功能如下：

1、測(cè)量與信號(hào)調(diào)理模塊用于測(cè)量天線姿態(tài)和位置。本系統(tǒng)采用GPS、三軸電子羅HMR3300 和信標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)天線位置和姿態(tài)測(cè)量：GPS用于測(cè)量通信系統(tǒng)所在地的地理位置，HMR3300用于測(cè)量天線的方位、俯仰姿態(tài)信息，信標(biāo)機(jī)則通過輸出A G C電平檢測(cè)天線的對(duì)星精度；G P S和HMR3300均通過串口輸出數(shù)據(jù)，而信標(biāo)機(jī)的AGC電平模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、 放大。

2、天線控制器模塊和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)天線的衛(wèi)星跟蹤和指向?qū)?zhǔn)。 對(duì)于控制器，考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和快速性要求較高，選用了低功耗和高性能的TMS320F2812 作為系統(tǒng)的主控芯片；為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用MT57STH52-3008A混合步進(jìn)電機(jī)。

3、液晶顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示天線的方位、俯仰指向和信標(biāo)接收機(jī)輸出的電平值等信息。

4、無線監(jiān)控模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，向控制系統(tǒng)發(fā)送指令，同時(shí)接收控制系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并將其顯示在上位機(jī)上，一方面便于用戶掌握天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，另一方面可切換為天線遙操作。

二、控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的天線對(duì)星性能決定了系統(tǒng)通信質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)高精度、快速對(duì)星， 本系統(tǒng)采用粗精對(duì)準(zhǔn)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的快速搜索與高精度指向：系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)搜索是一個(gè)粗對(duì)準(zhǔn)的過程，通過程序跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)；天線的高精度指向是一個(gè)精對(duì)準(zhǔn)的過程，通過步進(jìn)跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)。

1、天線搜索與控制

（1）方位角、俯仰角計(jì)算。天線對(duì)星指向角的計(jì)算需同時(shí)知道地球站所在地的經(jīng)度、緯度和靜止衛(wèi)星的在軌經(jīng)度。靜止衛(wèi)星S與地球站A之間的幾何關(guān)系如圖1所示。圖中，A 表示地球站，S表示靜止衛(wèi)星，B為地球站A的經(jīng)線與赤道的交點(diǎn)，O與S的連線在地球表面上的交點(diǎn)C稱為星下點(diǎn)，地球表面上通過A點(diǎn)和C點(diǎn)的弧線AC稱為方位線，AN為AC的切線，AM為AB的切線，面OAS為方位面，D為切線AM與赤道平面的交點(diǎn)，E為切線AN與赤道平面的交點(diǎn)。地球站與靜止衛(wèi)星的連線稱為直視線，直視線在地面上的投影，即地球站與星下點(diǎn)間的弧線稱為地球站對(duì)靜止衛(wèi)星的方位線，方位線與直視線確定的平面稱為方位面。方位角是指地球站所在經(jīng)線的正南方向按順時(shí)針方向與方位面所構(gòu)成的夾角，用∠MAN 表示，俯仰角是指地球站的方位線與直視線的夾角。

設(shè)地球站A的經(jīng)度和緯度分別為φ和θ1，靜止衛(wèi)星經(jīng)度為φ2，經(jīng)度差△φ=φ1-φ2，以下具體給出地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角φa和俯仰角φe的推導(dǎo)過程。對(duì)于方位角，由圖可得：

AD=ODsinθ1 ①

tanφa=DE/AD ②

tan△φ=DE/OD ③

由以上三式可以得出天線方位角：

tanφa=tan△φ/sinθ1 ④

由于利用上式求出的方位角是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)求得的，故實(shí)際的方位角可用下述方法求出：

方法一：地面站位于北半球：一是衛(wèi)星位于地面站東南方向：方位角=180°-φa；二是衛(wèi)星位于地面站西南方向：方位角=180°+φa。

方法二：地面站位于南半球：一是衛(wèi)星位于地面站東北方向：方位角=φa；二是衛(wèi)星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。

如果計(jì)算出的方位角是正值，則天線向正南偏東轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，則天線向正南偏西轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于俯仰角，同樣計(jì)算可得。

（2）基于分區(qū) PID 的天線控制算法。

得到方位角和俯仰角度后， 需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制， 驅(qū)動(dòng)其又快又好地到達(dá)期望的位置。常規(guī)的PID控制器采用固定的控制參數(shù)，難以兼顧快速性和平穩(wěn)性的控制要求。為實(shí)現(xiàn)天線快速、平穩(wěn)控制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于分區(qū) PID 的控制算法，即根據(jù)誤差將系統(tǒng)分為若干區(qū)，不同的分區(qū)采用不同的 PID 控制策略， 引導(dǎo)系統(tǒng)又快又好地到達(dá)指令位置。 為簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)，對(duì)誤差分區(qū)時(shí)采用對(duì)稱分區(qū)。具體原理和設(shè)計(jì)如圖2所示。

O-A 階段：此時(shí)偏差很大，系統(tǒng)遠(yuǎn)離期望位置，考慮采用控制器輸出的最大值進(jìn)行控制 ， 即Bang -bang控制；A -C階段：此時(shí)偏差較大，但為防止系統(tǒng)上升過快導(dǎo)致較大超調(diào)，考慮采用比例控制；C-D階段：此時(shí)偏差在一定范圍內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)控制，采用比例-微分控制；D-E階段：此時(shí)偏差較小，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確控制到位，采用PID控制。在天線的搜索過程中，俯仰系統(tǒng)、方位系統(tǒng)均采取分區(qū) PID控制算法。

2、天線跟蹤算法

經(jīng)過粗對(duì)準(zhǔn)完成衛(wèi)星信號(hào)的搜索，天線進(jìn)入能收到信號(hào)的范圍，但是收到的信號(hào)強(qiáng)度較弱，距離信號(hào)最強(qiáng)指向還有一定的角度偏差。為了使信號(hào)接收效果達(dá)到最佳，需進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，即進(jìn)一步做天線指向的精對(duì)準(zhǔn)。在這一階段，需在利用信標(biāo)接收機(jī)的輸出電平AGC的大小變化進(jìn)行步進(jìn)跟蹤，最終找到信號(hào)最強(qiáng)的位置作為對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的目標(biāo)位置。處于跟蹤狀態(tài)的天線控制系統(tǒng)采用步進(jìn)跟蹤方法。方位和俯仰電機(jī)按照俯仰向上～方位向左～俯仰向下～方位向右的順序轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，在此過程中，電機(jī)每走一步，就比較此時(shí)信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC 電平與之前一次輸出的AGC電平的大小，如果AGC電平變大， 則電機(jī)在同方向繼續(xù)走一步， 反之，則改變跟蹤方向，使另一方向的電機(jī)走一步。如果在跟蹤幾圈后發(fā)現(xiàn)信標(biāo)接收機(jī)輸出的 AGC電平一直大于跟蹤門限電平，則認(rèn)為天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，此時(shí)天線在這狀態(tài)，開始接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行通信。在通信過程的同時(shí)不間斷地采樣 AGC 電平，若由于外界干擾等因素導(dǎo)致AGC電平值又重新小于跟蹤門限電平，則退出穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)，如果AGC 電平小于搜索門限電平，則進(jìn)入衛(wèi)星搜索狀態(tài)。

三、系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

天線控制系統(tǒng)軟件的任務(wù)就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊功能，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三大塊：DSP 與天線姿態(tài)的初始化、衛(wèi)星信號(hào)的搜索、衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤。DSP和天線姿態(tài)初始化兩個(gè)模塊為系統(tǒng)尋星做準(zhǔn)備，在進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)搜索和跟蹤階段后，系統(tǒng)要不斷地完成與HMR3300、GPS的通信和采樣信標(biāo)接收機(jī)AGC電平，并將這些信息通過LCD顯示或和通過無線模塊傳輸給上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中天線姿態(tài)的初始化和衛(wèi)星信號(hào)的搜索與跟蹤均包含信號(hào)采集處理、串口通信、液晶顯示、無線監(jiān)控、電機(jī)控制五部分。

四、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控分系統(tǒng)的主要任務(wù)有：①配置無線模塊參數(shù)和目標(biāo)衛(wèi)星經(jīng)度；②發(fā)送目標(biāo)衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)給下位機(jī)控制器， 控制器則根據(jù)此數(shù)據(jù)和 GPS接收機(jī)發(fā)送的天線當(dāng)前所在地的經(jīng)緯度信息計(jì)算天線的方位、俯仰角；③與控制系統(tǒng)通信，通過數(shù)據(jù)和圖形方式顯示下位機(jī)發(fā)送過來的天線的理論方位、俯仰角以及當(dāng)前方位、俯仰指向，并通過方位、俯仰指向的波形來實(shí)時(shí)顯示控制效果；④發(fā)送指令給控制器，遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；⑤復(fù)位系統(tǒng)。主要工作流程為：無線模塊配置-用戶輸入目標(biāo)衛(wèi)星信息-向下位機(jī)發(fā)送指令-接受下位機(jī)發(fā)送過來的天線狀態(tài)信息-通過信息發(fā)送下一步指令。

五、結(jié)束語

總的來說，便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)，能夠較好地完成天線對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的自動(dòng)搜索與跟蹤，確保天線高精度指向，從而讓衛(wèi)星通信得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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