某衛(wèi)星通信天線(xiàn)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

章百寶　陳濤

摘 要： 為實(shí)現(xiàn)車(chē)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)對(duì)星的快速性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一套以DSP+FPGA架構(gòu)為控制核心的衛(wèi)星通信天線(xiàn)伺服系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成、工作原理及硬件原理框圖，并對(duì)電機(jī)選型參數(shù)做了詳細(xì)計(jì)算，對(duì)天線(xiàn)尋星過(guò)程和伺服控制算法做了詳細(xì)描述和設(shè)計(jì)。該伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本、提高衛(wèi)星通信天線(xiàn)對(duì)星的快速性和準(zhǔn)確性具有一定的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 伺服控制； 粗對(duì)準(zhǔn)； 精對(duì)準(zhǔn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN828.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0059?03

Abstract： To realize the rapidity and veracity of aligning with the satellite for vehicle?mounted satellite communication antenna， a satellite communication antenna servo system with DSP+FPGA as its control core was designed. The composition， working principle and hardware block diagram for the system are described. The parameters of motor are calculated particularly. The process of the antenna′s satellite founding and servo control algorithm are elaborated and designed. The implementation of the servo system is helpful to cost reduction of satellite communication system， and the rapidity and veracity improvement of aligning with the satellite.

Keywords： satellite communication system； servo control； coarse alignment； refined alignment

0 引 言

近年來(lái)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其不受自然條件和地域限制、機(jī)動(dòng)靈活、通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如戰(zhàn)場(chǎng)軍事通信、反恐應(yīng)急通信、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、衛(wèi)星電視廣播和天氣氣象的遙測(cè)遙感等。如何快速準(zhǔn)確地對(duì)星是衡量車(chē)載衛(wèi)星站應(yīng)用性能的重要指標(biāo)，為此研制了一套車(chē)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)伺服系統(tǒng)，能夠快速完成準(zhǔn)確對(duì)星工作。該衛(wèi)星通信天線(xiàn)伺服系統(tǒng)自動(dòng)捕獲衛(wèi)星時(shí)間≤3 min，定位精度≤0.2°，抗風(fēng)能力[≥20 ]m/s，系統(tǒng)儲(chǔ)存量可達(dá)1 MB，并具備可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、電磁兼容性?xún)?yōu)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由伺服控制單元、天線(xiàn)單元、電機(jī)、GPS、傾角傳感器、信標(biāo)接收機(jī)、系統(tǒng)安全保護(hù)單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、角度編碼單元、系統(tǒng)限位開(kāi)關(guān)等組成，如圖1所示。

系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)上電后，根據(jù)使用者輸入的對(duì)星需求信息，自動(dòng)采集對(duì)星需要的諸如天線(xiàn)姿態(tài)、天線(xiàn)地理位置、系統(tǒng)限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息，計(jì)算出天線(xiàn)的預(yù)置方位角、俯仰角和極化角，控制并驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)直到信標(biāo)接收機(jī)中輸出的AGC（直流電壓）電平信號(hào)大于預(yù)設(shè)電平門(mén)限值，從而完成對(duì)星的粗對(duì)準(zhǔn)；粗對(duì)準(zhǔn)工作完成后，系統(tǒng)又會(huì)在粗對(duì)準(zhǔn)后的位置附近結(jié)合信標(biāo)接收機(jī)的輸出電平AGC的大小變化做微動(dòng)精確跟蹤，最終找到信號(hào)最強(qiáng)（AGC電平值最大）的位置作為對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的目標(biāo)位置，并儲(chǔ)存該位置以便為下次尋星作參考。圖2為系統(tǒng)的工作原理框圖。

2 伺服控制單元設(shè)計(jì)

本天線(xiàn)伺服系統(tǒng)采用高性能DSP + FPGA架構(gòu)作為系統(tǒng)控制核心，因DSP具備指令周期短、運(yùn)算精度高等特點(diǎn)，因此選用高性能DSP芯片TMS320F28335 完成天線(xiàn)控制與位置解算功能，從而滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的時(shí)效性和精確性；又因FPGA具備邏輯單元豐富、集成度高以及工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，因此選用XC2S300E?6PQG208I型FPGA實(shí)現(xiàn)DSP外設(shè)接口的擴(kuò)展，即在單片XC2S300E?6PQG208I上完成操控輸入及顯示、數(shù)據(jù)采集、濾波及控制算法處理， 并輸出PWM 信號(hào)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，從而滿(mǎn)足天線(xiàn)伺服系統(tǒng)中多電機(jī)、多編碼器、多通信接口以及系統(tǒng)操控界面接口的需要。伺服控制單元框圖如圖3所示。

由圖3可以看出，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的控制功能比較復(fù)雜， 主要體現(xiàn)在： 天線(xiàn)姿態(tài)、天線(xiàn)地理位置的解算，主天線(xiàn)方位、俯仰角度的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，饋源極化角度的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，衛(wèi)星位置的存儲(chǔ)，系統(tǒng)限位開(kāi)關(guān)的采集與安全保護(hù)單元的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，顯示接口與界面的設(shè)計(jì)，操控面板的設(shè)計(jì)等。

由圖3還可以看出，系統(tǒng)所有外設(shè)接口均通過(guò)FPGA進(jìn)行擴(kuò)展，并采用了光隔，確?？刂茊卧\(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3 電機(jī)的選型及計(jì)算

3.1 主天線(xiàn)電機(jī)選型及計(jì)算

3.1.1 天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)加/減速時(shí)所需要的力矩

4 衛(wèi)星通信伺服控制算法

為了實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)高精度指向衛(wèi)星，本天線(xiàn)伺服系統(tǒng)采用了粗精對(duì)準(zhǔn)相結(jié)合的方式進(jìn)行對(duì)星，即先利用預(yù)設(shè)的衛(wèi)星位置計(jì)算出天線(xiàn)理論指向角，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的粗對(duì)準(zhǔn)；再通過(guò)監(jiān)測(cè)信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的精對(duì)準(zhǔn)。

4.1 天線(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)控制算法

天線(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)控制算法即天線(xiàn)理論指向角的計(jì)算，這包括天線(xiàn)俯仰角[E、]天線(xiàn)方位角[A]和饋源極化角[P]的計(jì)算。

在天線(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，將目標(biāo)衛(wèi)星的軌道信息（衛(wèi)星的在軌經(jīng)度）輸入伺服控制單元，利用GPS接收機(jī)測(cè)得天線(xiàn)所在地的經(jīng)緯度信息。伺服控制單元進(jìn)行姿態(tài)解算后得到天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角，然后驅(qū)動(dòng)各電機(jī)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的搜索。在對(duì)星的過(guò)程中同時(shí)要利用姿態(tài)傳感器不斷檢測(cè)天線(xiàn)波束的實(shí)際指向信息，得出天線(xiàn)實(shí)際角度和理論角度的差值，伺服控制單元根據(jù)這些差值驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)的方位、俯仰和極化方向的電機(jī)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)不斷地比較，驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)最終指向衛(wèi)星。在天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還要不斷采集信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平值的大小，該值也作為一個(gè)反饋信號(hào)反饋至伺服控制單元，判斷該值與預(yù)設(shè)電平門(mén)限值的大小。當(dāng)采樣的電平值大于該門(mén)限值后，結(jié)束粗對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，進(jìn)入精對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)；否則，則需繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

4.2 天線(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)控制算法

天線(xiàn)完成了粗對(duì)準(zhǔn)后，天線(xiàn)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差。為了使信號(hào)接收效果達(dá)到最佳，需進(jìn)行天線(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)。在這一階段，需在粗對(duì)準(zhǔn)后的位置附近結(jié)合信標(biāo)接收機(jī)的輸出電平AGC的大小變化做微動(dòng)精確跟蹤，最終找到信號(hào)最強(qiáng)（AGC電平值最大）的位置作為對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的目標(biāo)位置。天線(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)控制算法圖如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者詳述了采用DSP+FPGA架構(gòu)為控制核心的車(chē)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)伺服系統(tǒng)利用雙軸傾角傳感器和GPS測(cè)得的數(shù)據(jù)為參數(shù)來(lái)對(duì)星的控制算法，并利用信標(biāo)接收機(jī)接收到的AGC電平值大小作為是否準(zhǔn)確對(duì)星的關(guān)鍵，這對(duì)降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本、提高衛(wèi)星通信天線(xiàn)對(duì)星的快速性和準(zhǔn)確性具有一定的工程參考價(jià)值。

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