天線伺服系統(tǒng)的冗余設(shè)計

董旭鋒，張志彪

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，地面站天線的波束要精確指向衛(wèi)星才能保證通信質(zhì)量，尤其是對于漂移角度較大的衛(wèi)星更需要通過及時跟蹤來調(diào)整天線的指向，保證接收信號處于最強(qiáng)狀態(tài)。因此在衛(wèi)星通信地面站中，天線伺服系統(tǒng)是不可或缺的重要組成部分，通過伺服系統(tǒng)的跟蹤控制使天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星以保證通信鏈路的暢通。對桁架結(jié)構(gòu)的天線來說，伺服系統(tǒng)由天線控制單元、天線驅(qū)動單元、軸角傳感器和交流電機(jī)等多個電氣部件組成［6］，伺服系統(tǒng)的可靠性直接影響通信系統(tǒng)的整體性能。國內(nèi)對通信可靠性要求較高的衛(wèi)星地面站通常采用進(jìn)口伺服設(shè)備來控制天線跟蹤。雖然進(jìn)口伺服設(shè)備工作穩(wěn)定，但也面臨隨機(jī)性的電子設(shè)備故障帶來的停機(jī)隱患。針對上述問題，設(shè)計了冗余的天線伺服系統(tǒng)，提高了可靠性。

1 可靠性分析

在可靠性工程中，平均無故障時間(MTBF)和平均修復(fù)時間(MTTR)是用來衡量系統(tǒng)可靠性的2個重要指標(biāo)［1］。平均無故障時間是指系統(tǒng)在2次故障之間的平均工作時間，MTBF越長表明系統(tǒng)越可靠。平均修復(fù)時間是指從出現(xiàn)故障到恢復(fù)正常的這段時間，MTTR短表明系統(tǒng)恢復(fù)得快。系統(tǒng)的可用度A由下式定義:

由式(1)可知提高系統(tǒng)的可靠性可以通過增加MTBF或減少M(fèi)TTR來實現(xiàn)，在工程設(shè)計中元器件降額使用、簡化電路、使用標(biāo)準(zhǔn)化模塊和電路以及增強(qiáng)軟件的容錯性等都是為了增加MTBR。當(dāng)故障的產(chǎn)生難以預(yù)測和消除時，如何降低MTTR成為重點(diǎn)考慮的對象，冗余設(shè)計是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。冗余設(shè)計可以得到多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且每個系統(tǒng)的可靠性及性能、價格等方面各具特色，在實際工程應(yīng)用中綜合考慮系統(tǒng)成本、復(fù)雜度以及設(shè)計的難度，通常使用1∶1冗余。1∶1冗余系統(tǒng)的可用度Ar表示為:

根據(jù)式(2)的計算，假設(shè)單系統(tǒng)的可用度為0.9，冗余后的可用度為0.99，系統(tǒng)的可靠性大大增加。

冗余設(shè)計提高系統(tǒng)可靠性的同時需要增加監(jiān)測/切換部件用于監(jiān)測主、備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時切換到備用系統(tǒng)，一般監(jiān)測/切換部件的可靠性等級要高于要備份的單系統(tǒng)。

2 冗余設(shè)計

冗余天線伺服系統(tǒng)的組成如圖1所示，天線控制單元是控制核心，由工控機(jī)和各種數(shù)據(jù)采集板卡組成，它提供人機(jī)界面、采集角度傳感器提供的天線位置信息和接收機(jī)模擬電壓輸出，根據(jù)控制算法產(chǎn)生目標(biāo)角度。天線控制單元將轉(zhuǎn)動指令發(fā)送給天線驅(qū)動單元，天線驅(qū)動單元由內(nèi)部邏輯電路控制功率器件驅(qū)動交流電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)帶動天線轉(zhuǎn)動。天線驅(qū)動單元采集限位開關(guān)信息，如果發(fā)生限位則停止驅(qū)動電機(jī)。交流電機(jī)是驅(qū)動部件，角度傳感器和限位開關(guān)是測量部件，三者都和天線直接連接，而且隨著技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)非常可靠，不能也不必?zé)醾浞荨Ｌ炀€控制單元和天線驅(qū)動單元內(nèi)部電子元器件眾多，發(fā)生故障的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)、限位開關(guān)和角度傳感器，因此冗余天線伺服系統(tǒng)主要是解決雙套天線控制單元、雙套天線驅(qū)動單元協(xié)調(diào)工作的問題。

圖1 冗余天線伺服系統(tǒng)組成

在冗余系統(tǒng)中，切換單元用來監(jiān)測/切換2套天線控制單元和2套天線驅(qū)動單元的工作狀態(tài)。切換單元由可靠性較高的單片機(jī)配合成熟的外圍電路實現(xiàn)，通過串口和2臺天線控制單元通信，根據(jù)串口通信狀態(tài)向天線控制單元發(fā)送主、備設(shè)置指令。單片機(jī)I/O口通過中間繼電器控制驅(qū)動單元的上電接觸器。當(dāng)天線控制單元A作為主機(jī)工作時，如果A套系統(tǒng)檢測有故障或者與切換單元的通信中斷，切換單元切斷驅(qū)動單元A的驅(qū)動電源并向B套系統(tǒng)發(fā)送主備切換指令，天線控制單元B作為主機(jī)馬上開始工作，保證通信業(yè)務(wù)不中斷。

2.1 角度同步設(shè)計

在常規(guī)的地面站天線伺服系統(tǒng)中，一般選用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器作為天線角度傳感器［2］。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理如圖2(a)所示。在激磁電源的作用下，旋轉(zhuǎn)變壓器會輸出兩相正交的的模擬信號，模擬信號的幅值隨著轉(zhuǎn)角做正余弦變化，頻率和激磁頻率相同。模擬信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換(RDC)芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)字信號送給計算機(jī)處理。通常，軸角信息的處理由天線控制單元來完成，激磁電源也由天線控制單元提供。在使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為測角元件的伺服系統(tǒng)中要想解決2臺天線控制單元角度同步的問題，簡單的實現(xiàn)方法有2種:

①2臺天線控制單元各自獨(dú)立提供激磁電源，在切換單元中加入電源切換電路，在切換驅(qū)動單元的同時切換激磁電源;

②將激磁電源獨(dú)立出來，作為公共模塊同時為2臺天線控制單元供電。

圖2 旋變和碼盤比較

對上述2種方法進(jìn)一步分析就會發(fā)現(xiàn)不足，作為冗余系統(tǒng)發(fā)揮高可靠性的關(guān)鍵部件，希望切換單元工作穩(wěn)定可靠，電路盡量簡單。第1種方法會增加切換單元的復(fù)雜度，降低可靠性，而第2種方法會使2套伺服系統(tǒng)的獨(dú)立性降低。

在本系統(tǒng)中使用CAN總線碼盤作為測角元件來實現(xiàn)角度同步。CAN總線是一種支持分布式控制和實時控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)［5］，具有速率高、可靠性高和實時性好的特性。CAN總線是典型的半雙工串行總線結(jié)構(gòu)，采用基于數(shù)據(jù)的傳輸方式工作。消息可以在任何時候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，被所有的節(jié)點(diǎn)接收、判斷后決定是否接受這個消息。CAN總線的主要特點(diǎn):

①CAN總線傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最大到1 Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)最多到110個。

②CAN總線節(jié)點(diǎn)工作于多主方式，任何一個節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng)。

③CAN總線的報文采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息都有CRC校驗以及其他檢錯措施，平均誤碼率小于10-13，可靠性高。

④出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時，總線上的節(jié)點(diǎn)具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷本節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，使總線上的操作不受影響。

如圖2(b)所示，掛在總線上的2臺天線控制單元會同時收到碼盤送出的角度數(shù)據(jù)，不僅電路簡單、易于實現(xiàn)，而且減少了2套系統(tǒng)中的RDC芯片和激磁電源，降低了成本。

2.2 電源冗余和邏輯互鎖設(shè)計

天線驅(qū)動單元內(nèi)部的邏輯電路和天線座上的碼盤使用的24 V直流電源都由天線驅(qū)動單元中的24 V開關(guān)電源供電。如果2臺電源單獨(dú)使用，則達(dá)不到驅(qū)動單元冗余的效果，2臺電源的輸出端也不能簡單并聯(lián)，那樣會導(dǎo)致電流倒灌將電源燒毀。常規(guī)的電源冗余［3］做法是將電源輸出端連接二極管正極并聯(lián)成“或門”再輸出到電源總線上。本系統(tǒng)雙電源冗余電路如圖3所示。電路中使用大功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管，MOSFET管的控制芯片選用LINEAR公司的 LTC4357［4］。同二極管相比較，MOSFET 管導(dǎo)通內(nèi)阻小，大大降低了壓降損耗，發(fā)熱量也小，不用考慮散熱問題。

圖3 電源冗余電路

因為本系統(tǒng)中2臺驅(qū)動單元驅(qū)動一臺電機(jī)，必須要設(shè)計邏輯互鎖電路實現(xiàn)某一時刻只能由一臺驅(qū)動單元驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。在天線驅(qū)動單元的電機(jī)驅(qū)動輸出端加上交流接觸器，接觸器線包上用邏輯互鎖電路保證對電機(jī)的驅(qū)動不沖突。

2.3 數(shù)據(jù)同步設(shè)計

天線控制單元在跟蹤過程中不斷記錄天線指向角度作為記憶跟蹤的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該在主備機(jī)之間實時同步，確保天線控制單元切換平滑，業(yè)務(wù)不受影響。天線控制單元A、B通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置共享文件來交換數(shù)據(jù)，并且用心跳程序向?qū)Ψ桨l(fā)送本機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。處于主控狀態(tài)的主機(jī)在寫本機(jī)文件的同時向備機(jī)的共享文件夾寫入跟蹤數(shù)據(jù)，由于通過切換單元統(tǒng)籌控制不會出現(xiàn)同時主控的情況，可以避免寫文件的沖突，數(shù)據(jù)通信流程如圖4所示。

3 結(jié)束語

天線伺服系統(tǒng)通過冗余設(shè)計，在切換單元的可靠性足夠高的前提下能夠縮短MTTR，提高系統(tǒng)的可靠性。冗余天線伺服系統(tǒng)并非2套伺服系統(tǒng)的簡單并聯(lián)，不僅要在硬件電路和軟件上實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、電源冗余和邏輯互鎖等功能，而且單套系統(tǒng)本身的工作流程要相應(yīng)地修改，使得整體的復(fù)雜度大大提高。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，天線伺服系統(tǒng)需要更長時間地穩(wěn)定工作，在軟、硬件可靠性設(shè)計無法進(jìn)一步提升的情況下，冗余設(shè)計是一種有效手段并且成效顯著。

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