船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郎杰 陸正文

（桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541001）

隨著我國(guó)遠(yuǎn)洋船舶的迅速發(fā)展，船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備已成為民用和商用船舶的常規(guī)配置。衛(wèi)星電視基于無(wú)線傳輸電視節(jié)目、自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星，不受船舶航行、搖晃影響，船舶距離遠(yuǎn)、信號(hào)覆蓋廣等因素，目前越來(lái)越受到重視[1]。本文介紹了一種先進(jìn)實(shí)用的船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)，利用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤伺服系統(tǒng)自動(dòng)尋星和跟蹤衛(wèi)星，克服了艦船橫搖、縱搖和艏搖的影響，保證電視接收信號(hào)的穩(wěn)定連續(xù)性。

1 總體方案

船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)主要由天線伺服控制單元和伺服傳動(dòng)單元兩部分組成，組成框圖如圖1所示。

天線伺服控制單元主要由主控處理器、陀螺儀、傾角傳感器、北斗定位模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)檢波模塊、調(diào)諧器等組成。伺服傳動(dòng)單元主要由電機(jī)、同步帶減速器等組成。天線終端控制與天線伺服控制采用單軸同軸線連接。同軸線傳輸DC 24V，伺服控制數(shù)據(jù)及高頻衛(wèi)星電視信號(hào)。系統(tǒng)開機(jī)后，天線伺服控制依次完成天線初始化、搜星和跟蹤過程。同時(shí)，伺服控制需完成與終端數(shù)據(jù)交互換星功能。

2 主要單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 控制處理器及驅(qū)動(dòng)

控制芯片采用32為DSP處理器，其整合了DSP和微控制器的最佳特性，其具有豐富的數(shù)字輸入輸出口、通信口、專用電機(jī)控制PWM輸出口等。該DSP提供的外設(shè)資源（如事件管理器，AD轉(zhuǎn)換器等）主要針對(duì)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)，因此，采用該DSP實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制能充分發(fā)揮其特性。伺服電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)芯片選用集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片64細(xì)分可實(shí)現(xiàn)伺服的精細(xì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 調(diào)諧器(信標(biāo)機(jī))

每個(gè)地球同步衛(wèi)星都有自己固定的信標(biāo)頻率與信標(biāo)強(qiáng)度，用于區(qū)分不同的衛(wèi)星。通常，信標(biāo)機(jī)是一個(gè)由下變頻器、鎖相環(huán)路以及自動(dòng)增益控制電路所組成的鎖相式接收機(jī)，它能夠消除因信標(biāo)頻率漂移而引起解調(diào)后信標(biāo)電平的起伏，從而使信標(biāo)接收機(jī)的輸出直流電壓（AGC）真實(shí)地反映衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度。伺服控制單元通過檢測(cè)AGC的電平變化，實(shí)時(shí)控制天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

2.3 陀螺儀

艦船衛(wèi)星電視接收控制系統(tǒng)的方位、俯仰和橫滾系統(tǒng)的控制回路中，采用的主要傳感器都是陀螺儀。陀螺儀用以感測(cè)天線運(yùn)動(dòng)角速度，進(jìn)而控制所天線的姿態(tài)，它輸出的是角速度值，再進(jìn)行時(shí)間上的積分就是角度值了。本系統(tǒng)采用的陀螺儀為微機(jī)械原理陀螺儀，內(nèi)部的硅素超微精密環(huán)型傳感技術(shù)使其具有高性能、防水、抗振動(dòng)、質(zhì)量輕、防電磁干擾等特性，不間斷機(jī)內(nèi)自檢技術(shù)、濾波算法解決

圖1：伺服分系統(tǒng)組成框圖

了陀螺儀由于周圍噪聲或震動(dòng)干擾源對(duì)其數(shù)據(jù)的影響。

2.4 北斗定位

在艦船移動(dòng)衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中，定位設(shè)備用來(lái)確定初始對(duì)星時(shí)載體的當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)（經(jīng)度、緯度），設(shè)計(jì)中選用北斗兼容模塊芯片，外置接收天線。伺服控制單元實(shí)時(shí)接收定位信息，通過衛(wèi)星天線當(dāng)前經(jīng)緯信息及需跟蹤星衛(wèi)星經(jīng)度，實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和極化角，發(fā)生變化實(shí)時(shí)調(diào)整，保證艦船航行過程中衛(wèi)星天線不丟星及接收到的信號(hào)質(zhì)量(極化角影響信號(hào)質(zhì)量)不減弱。

2.5 傾角傳感器

傾角傳感器在系統(tǒng)中的作用主要有兩個(gè)，一是對(duì)俯仰角和橫滾角進(jìn)行水平初始化，二是定時(shí)補(bǔ)償陀螺儀的溫漂。數(shù)字雙軸傾角傳感器作為水平敏感元件，其內(nèi)部是通過測(cè)量靜態(tài)重力加速度變化，轉(zhuǎn)換成傾角變化，測(cè)量輸出傳感器相對(duì)水平面的傾斜和俯仰角度。

2.6 數(shù)據(jù)檢波模塊

數(shù)據(jù)檢波模塊完成將單根同軸線上直流電源、RF信號(hào)及22kHz載波信號(hào)分離，從22kHz載波上分離控制指令，同時(shí)將反饋數(shù)據(jù)載波到22kHz上對(duì)外傳輸。傳輸協(xié)議遵守DiSEqC 2.0規(guī)范。電源、數(shù)據(jù)及RF信號(hào)三者之間互不干擾。

3 工作原理

3.1 天線初始化

船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)對(duì)所有外設(shè)依次自檢，同時(shí)從內(nèi)部FALSH中讀取搜星的基本參數(shù)，根據(jù)北斗給出的天線所在位置的經(jīng)緯度和需要搜索衛(wèi)星的經(jīng)度，計(jì)算出天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角。根據(jù)極化方式及極化角驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到計(jì)算出的極化角位置，伺服控制根據(jù)傾角傳感器數(shù)據(jù)將橫滾軸調(diào)平并將俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)星的俯仰角位置，隨后天線進(jìn)入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。方位、俯仰及橫滾軸根據(jù)陀螺檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)克服載體搖擺。

3.2 搜星

初始化完成后，伺服控制單元進(jìn)入搜星工作狀態(tài)。此時(shí)，伺服控制單元首先對(duì)信標(biāo)機(jī)（調(diào)諧器）中檢波頻率及符號(hào)率配置，以便可以檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度AGC。若存在羅經(jīng)數(shù)據(jù)，控制終端將羅經(jīng)數(shù)據(jù)傳給伺服控制單元，方位電機(jī)直接轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)星的方位角位置，否則方位進(jìn)行圓掃一周尋找最大AGC位置，最大AGC位置即對(duì)星的方位角位置。在對(duì)星方位角及俯仰角位置為中心，方位±3度，俯仰±3度進(jìn)行螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)尋找最強(qiáng)AGC值，然后天線轉(zhuǎn)動(dòng)到最強(qiáng)AGC值的位置。天線搜星程序流程如圖2所示。

3.3 衛(wèi)星跟蹤

天線進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，方位、俯仰及橫滾軸實(shí)時(shí)克服載體搖擺以保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，錐掃電機(jī)開始工作，根據(jù)AGC的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)天線的方位軸及俯仰軸，使AGC值一直保持最大且穩(wěn)定。若AGC值偏離門限，則結(jié)束跟蹤轉(zhuǎn)入搜星狀態(tài)。衛(wèi)星跟蹤程序流程如圖3所示。

3.4 數(shù)據(jù)交互及換星操作

天線伺服控制實(shí)時(shí)將衛(wèi)星天線運(yùn)行狀態(tài)信息傳回控制終端，控制終端完成人機(jī)交互顯示。同時(shí)在有羅經(jīng)的情況下，控制終端將羅經(jīng)角度實(shí)時(shí)傳輸給天線伺服控制。

當(dāng)有換星要求時(shí)，控制終端將所需搜索的衛(wèi)星參數(shù)（極化方式、衛(wèi)星經(jīng)度、本振、下行頻率、符號(hào)率）傳輸給天線伺服控制。伺服控制將衛(wèi)星參數(shù)保存在內(nèi)部FALSE內(nèi)，結(jié)束當(dāng)前工作狀態(tài)，隨后重新調(diào)用初始化程序。保存衛(wèi)星參數(shù)便于下次開機(jī)自動(dòng)跟蹤。

3.5 圓錐掃描原理

本系統(tǒng)采用圓錐掃描方式實(shí)現(xiàn)天線的精對(duì)準(zhǔn)。圓錐掃描是指依靠饋源喇叭繞對(duì)稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)或副反射面旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)射束。副反射面傾斜旋轉(zhuǎn)，可以使天線波束圍繞旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率（該頻率就是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率）呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。當(dāng)衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸方向時(shí)，接收信號(hào)是被波束旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制了的信號(hào)，調(diào)制的幅度和相位分別取決于衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸的大小和方向。信標(biāo)接收機(jī)檢測(cè)出該調(diào)制信號(hào)并用波束旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的正交基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)檢出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行方位、俯仰相敏解調(diào)，解調(diào)出的直流誤差信號(hào)（AGC）控制天線向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到檢測(cè)出的調(diào)制信號(hào)為最小。

3.6 平臺(tái)穩(wěn)定工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三軸框架式設(shè)計(jì)，以保證最大程序解耦，達(dá)到簡(jiǎn)化控制的目的。天線的方位、俯仰、橫滾三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩兩相互垂直，橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行于天線底座，方位轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于天線底座，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸的狀態(tài)受橫滾電機(jī)驅(qū)動(dòng)的影響。橫滾陀螺安裝在天線轉(zhuǎn)動(dòng)架上，其角速度感應(yīng)軸線平行于天線的橫滾轉(zhuǎn)動(dòng)軸；俯仰陀螺安裝在天線橫梁上，其角速度感應(yīng)軸平等于天線的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸；方位陀螺安裝在天線轉(zhuǎn)動(dòng)架上，其角速度感應(yīng)軸平行于方位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定的快速性和穩(wěn)定精度，選用了空間角速度傳感器與空間絕對(duì)位置傳感器相結(jié)合的傳感方式。依靠角速度陀螺的響應(yīng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償、利于傾角傳感器作為穩(wěn)定基準(zhǔn)克服系統(tǒng)偏差。

圖2：搜星程序流程

圖3：跟蹤程序流程

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)能穩(wěn)定高可靠的工作，不受船舶航行、搖晃影響，提高了衛(wèi)星電視接收設(shè)備的跟蹤速度，后續(xù)可對(duì)系統(tǒng)的前置反饋、閉環(huán)控制等算法進(jìn)行改進(jìn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊PID算法等提高控制精度的算法應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。