基于DSP的靜中通控制系統(tǒng)設計

【摘要】本文提出一種基于DSP的靜中通天線自動伺服控制系統(tǒng)的設計方案。本方案根據(jù)靜中通天線的位置信息和衛(wèi)星信息，通過解算軟件，獲得天線的相對位置，從而驅動天線指向衛(wèi)星，同時通過衛(wèi)星信標修正技術，使天線在車輛輕微晃動時也能始終保持對準衛(wèi)星。

【關鍵詞】靜中通天線衛(wèi)星通信電子羅盤

5.12汶川地震發(fā)生后，災區(qū)的常規(guī)通信網(wǎng)絡因通信設施（如光纜、電纜、無線基站、交換設備、機房）的損壞以及電力供應的中斷而癱瘓，導致在一段時間內災區(qū)與外界失去聯(lián)系，救援力量無法了解災區(qū)的情況。這種情況下衛(wèi)星通信設施進入災區(qū)后才得到改善。衛(wèi)星通信設施利用其通信距離遠，不依賴地面網(wǎng)絡的優(yōu)勢建立了災區(qū)和救援后方的通信聯(lián)系，給救援提供了通信保障，體現(xiàn)了衛(wèi)星通信的重要性。

本文研究的基于DSP的靜中通天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作于Ku頻段，采用1.2～1.8米小口徑天線，天線控制系統(tǒng)選用高性能DSP為系統(tǒng)核心處理器，提高了系統(tǒng)處理速度，同時采用衛(wèi)星信標自動跟蹤機制，構成了天線位置反饋閉環(huán)系統(tǒng)，使天線的中心軸始終對準衛(wèi)星，從而保證車輛在搖動時實現(xiàn)可靠的衛(wèi)星通信。

1系統(tǒng)組成

靜中通衛(wèi)星天線系統(tǒng)由可收放的車載靜中通天線子系統(tǒng)、轉臺子系統(tǒng)、伺服控制子系統(tǒng)、姿態(tài)采集子系統(tǒng)與信號載波接收系統(tǒng)組成。其中，天饋子系統(tǒng)主要包括單偏置天線及饋源系統(tǒng)；轉臺子系統(tǒng)主要包括方位、俯仰、極化三軸轉臺系統(tǒng)；伺服控制子系統(tǒng)主要包括天線控制器、天線驅動單元等；姿態(tài)采集子系統(tǒng)主要包括數(shù)字羅盤、GPS接收機；信號載波接收系統(tǒng)主要包括信標接收機（或DVB接收卡）。

2原理

通過GPS天線得到靜中通衛(wèi)星天線所在地理位置的經(jīng)緯度，靠數(shù)字羅盤來找北，敏感天線載體的初始姿態(tài)，在操作者輸入所要對的衛(wèi)星后（不選擇則默認為上次工作所用衛(wèi)星），通過計算機解算控制天線對準所用衛(wèi)星，最后通過衛(wèi)星信標信號、DVB-S載波信號或通信載波信號修正找到最大值。

電路接口原理圖如下：

控制系統(tǒng)原理圖

具體工作如下：

通過GPS接收機獲得當前的地理位置信息，通過傾斜儀測量出天線反射面的初始俯仰角，天線控制軟件根據(jù)這些數(shù)據(jù)和所用的通信衛(wèi)星的定位經(jīng)度，計算出天線所需的方位角和天線俯仰角及極化角，具體計算公式如下：

其中，AZ為方位角，EL為俯仰角，POL為極化角

Station：地球站緯度

Station_latitude：地球站緯度

sat_longitude：衛(wèi)星經(jīng)度

station_longitude：地球站經(jīng)度

3天線控制分系統(tǒng)

天線控制分系統(tǒng)由天線控制器及一系列傳感器組成，并采用基于混沌理論的模糊智能跟蹤控制算法。系統(tǒng)采用的傳感器為數(shù)字羅盤和GPS接收機（獲取天線地理位置信息）等，能實時反饋天線的工作狀態(tài)。控制軟件根據(jù)目標衛(wèi)星的指向參數(shù)、天線接收信號的強度和傳感器的實時數(shù)據(jù)，使得天線從加電搜索到最佳位置的時間最優(yōu)化。同時采用衛(wèi)星信標跟蹤接收機和衛(wèi)星大信號接收機作為天線接收信號指示器的設計，系統(tǒng)根據(jù)不同的衛(wèi)星和使用情況，分析、比較采用何種接收機更有利，然后，自動切換到較有利的接收機。這種設計排除了系統(tǒng)的誤跟蹤，極大地提高了系統(tǒng)的搜星效率，可靠性高。

4接收機分系統(tǒng)

接收機分系統(tǒng)是天線跟蹤的關鍵部件，用于接收衛(wèi)星跟蹤信號，并將其電平變換成相對應的直流電壓，并提供給控制系統(tǒng)用以完成天線系統(tǒng)的開環(huán)搜索和閉環(huán)自動跟蹤。

由于衛(wèi)星的信標信號本身是一個窄帶信號，且存在頻率飄移，如果預置的中頻接收帶寬太寬，雖然系統(tǒng)可以正常工作，但是會降低接收機的接收信噪比，導致接收系統(tǒng)的靈敏度下降。如果預置的中頻接收帶寬太窄，又會丟失信標信號。所以，對信標信號頻點的實時跟蹤顯得尤為重要。

本信標接收機采用了先進的小步進鎖相環(huán)技術與高穩(wěn)定度參考源實現(xiàn)了頻率的精確控制，具體工作原理是利用小步進鎖相環(huán)技術對接收機將要接收的衛(wèi)星信號頻率點進行精確的變頻，具體的掃描方式由軟件進行。如果飄移超過范圍則采用軟件搜索捕獲，本接收機主要包括小步進頻率綜合部分、射頻濾波放大部分、混頻與中頻濾波、檢波處理部分和控制電路。輸入預選完成對帶外輸入射頻干擾信號抑制，采用950-1750的帶通濾波器；混頻后形成中頻信號，對其進行多次濾波后，由晶體濾波器對信號窄帶濾波，最后對中頻信號進行檢波和對數(shù)放大，輸出直流檢測信號，供基帶判斷和處理電路使用。

5伺服分系統(tǒng)

伺服分系統(tǒng)用于驅動天線轉動，以控制天線系統(tǒng)完成指定的動作。天線伺服分系統(tǒng)由方位、俯仰小型步進電機+諧波減速機及極化電機組合，在保證有效控制天線工作狀態(tài)的要求下，大大降低了驅動系統(tǒng)的體積及重量。伺服分系統(tǒng)在天線控制分系統(tǒng)的控制下，根據(jù)控制軟件的指令，將天線的方位、俯仰、極化驅動到工作位置。

天線自動控制及跟蹤系統(tǒng)在工作時可記憶上一次跟星參數(shù)，并具備“一鍵通”功能，在無控制終端情況下也可以實現(xiàn)自動對星。

極端特殊情況下，可通過手動對星，首先把天線放在一個地面相對平坦的位置，接上尋星儀或者MODEM，設置好跟星參數(shù)，然后根據(jù)俯仰角指示盤的示數(shù)調整天線俯仰角到理論位置，轉動方位，根據(jù)尋星儀或者MODEM輸出確定天線是否對上衛(wèi)星。

6天線監(jiān)控系統(tǒng)

自動天線系統(tǒng)采用了基于Java語言、Windows操作系統(tǒng)的GUI監(jiān)控技術，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，完成對各類參數(shù)的設置、工作模式的選擇和系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視。系統(tǒng)可采用PC或PDA實現(xiàn)有線（RJ-45、RS-232）或無線（802.11）監(jiān)測和控制。

7結束語

本伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)應用到我單位的KU頻段的靜中通天線中，經(jīng)過用戶的使用驗證，該伺服系統(tǒng)完全滿足用戶的使用需求。