基于DSP的靜中通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】本文提出一種基于DSP的靜中通天線自動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)天線指向衛(wèi)星，同時(shí)通過衛(wèi)星信標(biāo)修正技術(shù)，使天線在車輛輕微晃動(dòng)時(shí)也能始終保持對準(zhǔn)衛(wèi)星。

【關(guān)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(zāi)區(qū)的常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)因通信設(shè)施（如光纜、電纜、無線基站、交換設(shè)備、機(jī)房）的損壞以及電力供應(yīng)的中斷而癱瘓，導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)災(zāi)區(qū)與外界失去聯(lián)系，救援力量無法了解災(zāi)區(qū)的情況。這種情況下衛(wèi)星通信設(shè)施進(jìn)入災(zāi)區(qū)后才得到改善。衛(wèi)星通信設(shè)施利用其通信距離遠(yuǎn)，不依賴地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢建立了災(zāi)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(shí)采用衛(wèi)星信標(biāo)自動(dòng)跟蹤機(jī)制，構(gòu)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(zhǔn)衛(wèi)星，從而保證車輛在搖動(dòng)時(shí)實(shí)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(zhuǎn)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?zhàn)酉到y(tǒng)主要包括單偏置天線及饋源系統(tǒng)；轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)主要包括方位、俯仰、極化三軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)；伺服控制子系統(tǒng)主要包括天線控制器、天線驅(qū)動(dòng)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(jī)；信號載波接收系統(tǒng)主要包括信標(biāo)接收機(jī)（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(rèn)為上次工作所用衛(wèi)星），通過計(jì)算機(jī)解算控制天線對準(zhǔn)所用衛(wèi)星，最后通過衛(wèi)星信標(biāo)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(jī)獲得當(dāng)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(jì)算出天線所需的方位角和天線俯仰角及極化角，具體計(jì)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(jī)（獲取天線地理位置信息）等，能實(shí)時(shí)反饋天線的工作狀態(tài)。控制軟件根據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星的指向參數(shù)、天線接收信號的強(qiáng)度和傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得天線從加電搜索到最佳位置的時(shí)間最優(yōu)化。同時(shí)采用衛(wèi)星信標(biāo)跟蹤接收機(jī)和衛(wèi)星大信號接收機(jī)作為天線接收信號指示器的設(shè)計(jì)，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(jī)更有利，然后，自動(dòng)切換到較有利的接收機(jī)。這種設(shè)計(jì)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(jī)分系統(tǒng)

接收機(jī)分系統(tǒng)是天線跟蹤的關(guān)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(yīng)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(dòng)跟蹤。

由于衛(wèi)星的信標(biāo)信號本身是一個(gè)窄帶信號，且存在頻率飄移，如果預(yù)置的中頻接收帶寬太寬，雖然系統(tǒng)可以正常工作，但是會(huì)降低接收機(jī)的接收信噪比，導(dǎo)致接收系統(tǒng)的靈敏度下降。如果預(yù)置的中頻接收帶寬太窄，又會(huì)丟失信標(biāo)信號。所以，對信標(biāo)信號頻點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤顯得尤為重要。

本信標(biāo)接收機(jī)采用了先進(jìn)的小步進(jìn)鎖相環(huán)技術(shù)與高穩(wěn)定度參考源實(shí)現(xiàn)了頻率的精確控制，具體工作原理是利用小步進(jìn)鎖相環(huán)技術(shù)對接收機(jī)將要接收的衛(wèi)星信號頻率點(diǎn)進(jìn)行精確的變頻，具體的掃描方式由軟件進(jìn)行。如果飄移超過范圍則采用軟件搜索捕獲，本接收機(jī)主要包括小步進(jìn)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(yù)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(jìn)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(jìn)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(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制天線系統(tǒng)完成指定的動(dòng)作。天線伺服分系統(tǒng)由方位、俯仰小型步進(jìn)電機(jī)+諧波減速機(jī)及極化電機(jī)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)到工作位置。

天線自動(dòng)控制及跟蹤系統(tǒng)在工作時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)對星。

極端特殊情況下，可通過手動(dòng)對星，首先把天線放在一個(gè)地面相對平坦的位置，接上尋星儀或者M(jìn)ODEM，設(shè)置好跟星參數(shù)，然后根據(jù)俯仰角指示盤的示數(shù)調(diào)整天線俯仰角到理論位置，轉(zhuǎn)動(dòng)方位，根據(jù)尋星儀或者M(jìn)ODEM輸出確定天線是否對上衛(wèi)星。

6天線監(jiān)控系統(tǒng)

自動(dòng)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(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，完成對各類參數(shù)的設(shè)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(shí)現(xiàn)有線（RJ-45、RS-232）或無線（802.11）監(jiān)測和控制。

7結(jié)束語

本伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)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(yàn)證，該伺服系統(tǒng)完全滿足用戶的使用需求。