基于嵌入式控制器的便攜式衛星通信控制系統設計

孫鐘阜，郭 健，范利娟

（1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表，上海 201108；2.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

我國幅員遼闊、地理復雜，地質災害頻繁發生且縣、鄉兩級的通信保障非常薄弱，當發生重大災難時，由于常規通信手段中斷、交通不便等原因常常導致衛星應急通訊車無法到達災害地點。因此開發適用于應急通信、便于救災人員隨身帶入災區以快速進行遠程數據通信和現場視頻轉播等業務的便攜式衛星通信系統已成為重要需求[1,2]。

便攜式衛星通信系統，通過與地球同步軌道衛星鏈路形成衛星通信網絡，是實現遠程數據傳輸、事故現場應急通信和現場視頻轉播等業務的良好手段。被廣泛應用于交通運輸、搶險救災、新聞采訪、科考探險、公安、軍事等應急和特殊通信領域[3～9]。

便攜式衛星通信系統的關鍵技術主要集中于兩方面：便攜式衛星通信系統和高性能天線控制系統。本文主要研究并設計天線控制系統。

1 總體結構設計

1.1 機械結構

本文設計的便攜式衛星通信系統的機械結構采用立軸式俯仰-方位型天線座，如圖1所示。俯仰-方位型天線座由驅動裝置和支撐轉動裝置構成，用方位軸支撐天線的方位部分轉動，俯仰軸支撐俯仰部分轉動。

圖1 俯仰-方位型天線座架實物圖Fig.1 The base of two-axis antenna

1.2 控制結構

便攜式衛星通信控制系統整體結構如圖2所示。其中各模塊主要設計和功能如下：

（1）測量與信號調理模塊用于測量天線姿態和位置。本系統采用GPS、三軸電子羅盤HMR3300和信標機實現天線位置和姿態測量：GPS用于測量通信系統所在地的地理位置，HMR3300用于測量天線的方位、俯仰姿態信息，信標機則通過輸出AGC電平檢測天線的對星精度；GPS和HMR3300均通過串口輸出數據，而信標機的AGC電平模擬信號經過信號調理模塊進行濾波、放大。

（2）天線控制器模塊和電機及驅動模塊相結合，用于實現天線的衛星跟蹤和指向對準。對于控制器，考慮到系統實時性和快速性要求較高，選用了低功耗和高性能的TMS320F2812作為系統的主控芯片；為使系統結構緊湊，驅動電機采用MT57STH52-3008A混合步進電機。

（3）液晶顯示模塊用于實時顯示天線的方位、俯仰指向和信標接收機輸出的電平值等信息。

（4）無線監控模塊用于實現用戶對控制系統的實時監控，向控制系統發送指令，同時接收控制系統發送過來的數據并將其顯示在上位機（如PC機）上，一方面便于用戶掌握天線的實時狀態信息，另一方面可切換為天線遙操作。

2 控制系統工作原理

控制系統所能實現的天線對星性能決定了系統通信質量。為了實現高精度、快速對星，本系統采用粗精對準相結合的方法，實現衛星信號的快速搜索與高精度指向：系統的衛星信號搜索是一個粗對準的過程，通過程序跟蹤的方法實現；天線的高精度指向是一個精對準的過程，通過步進跟蹤的方法實現。

2.1 天線搜索與控制

衛星信號的搜索即粗對準采用程序跟蹤的方法。

（1）方位角、俯仰角計算。天線對星指向角的計算需同時知道地球站所在地的經度、緯度和靜止衛星的在軌經度。靜止衛星S與地球站A之間的幾何關系如圖3所示。

圖中，A表示地球站，S表示靜止衛星，B為地球站A的經線與赤道的交點，O與S的連線在地球表面上的交點C稱為星下點，地球表面上通過A點和C點的弧線AC稱為方位線，AN為AC的切線，AM為AB的切線，面OAS為方位面，D為切線AM與赤道平面的交點，E為切線AN與赤道平面的交點。

地球站與靜止衛星的連線稱為直視線，直視線在地面上的投影，即地球站與星下點間的弧線稱為地球站對靜止衛星的方位線，方位線與直視線確定的平面稱為方位面。方位角是指地球站所在經線的正南方向按順時針方向與方位面所構成的夾角，用∠MAN表示，俯仰角是指地球站的方位線與直視線的夾角。

設地球站A的經度和緯度分別為φ和θ1，靜止衛星經度為φ2，經度差△φ=φ1-φ2，以下具體給出地球站天線對準衛星所需的方位角φa和俯仰角φe的推導過程。對于方位角，由圖可得：

由以上三式可以得出天線方位角：

由于利用上式求出的方位角是以正南方向為基準求得的，故實際的方位角可用下述方法求出：

方法一：地面站位于北半球：一是衛星位于地面站東南方向：方位角=180°-φa；二是衛星位于地面站西南方向： 方位角=180°+φa。

方法二：地面站位于南半球：一是衛星位于地面站東北方向：方位角=φa；二是衛星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。如果計算出的方位角是正值，則天線向正南偏東轉動，反之，則天線向正南偏西轉動。對于俯仰角，同樣計算可得：

（2）基于分區PID的天線控制算法。得到方位角和俯仰角度后，需要對電機進行控制，驅動其又快又好地到達期望的位置。

常規的PID控制器采用固定的控制參數，難以兼顧快速性和平穩性的控制要求。為實現天線快速、平穩控制，本系統設計了基于分區PID的控制算法，即根據誤差將系統分為若干區，不同的分區采用不同的PID控制策略,引導系統又快又好地到達指令位置。為簡化控制器設計，對誤差分區時采用對稱分區。具體原理和設計如圖4所示。

O-A階段：此時偏差很大，系統遠離期望位置，考慮采用控制器輸出的最大值進行控制,即 Bangbang控制；A-C階段:此時偏差較大，但為防止系統上升過快導致較大超調，考慮采用比例控制（P控制）；C-D階段：此時偏差在一定范圍內，為實現系統平穩控制，采用比例-微分控制（PD控制）；D-E階段：此時偏差較小，為實現系統平穩、準確控制到位，采用PID控制。在天線的搜索過程中，俯仰系統、方位系統均采取分區PID控制算法。

此外，天線轉動的同時不斷采集信標接收機輸出的AGC電平值，該值反饋至天線控制器，并與設定的搜索門限值進行比較、判斷。當AGC電平值大于搜索門限后，結束搜索狀態，進入跟蹤狀態，否則繼續進行天線搜索。

2.2 天線跟蹤算法

經過粗對準完成衛星信號的搜索，天線進入能收到信號的范圍，但是收到的信號強度較弱，距離信號最強指向還有一定的角度偏差。為了使信號接收效果達到最佳，需進入跟蹤狀態，即進一步做天線指向的精對準。在這一階段，需在利用信標接收機的輸出電平AGC的大小變化進行步進跟蹤，最終找到信號最強（AGC電平值最大）的位置作為對準衛星的目標位置。

處于跟蹤狀態的天線控制系統采用步進跟蹤方法。方位和俯仰電機按照俯仰向上～方位向左～俯仰向下～方位向右的順序轉動一圈，在此過程中，電機每走一步，就比較此時信標接收機輸出的AGC電平與之前一次輸出的AGC電平的大小，如果AGC電平變大，則電機在同方向繼續走一步，反之，則改變跟蹤方向，使另一方向的電機走一步。如果在跟蹤幾圈后發現信標接收機輸出的AGC電平一直大于跟蹤門限電平，則認為天線已經對準衛星，此時天線在這狀態，開始接收衛星信號進行通信。

在通信過程的同時不間斷地采樣AGC電平，若由于外界干擾等因素導致AGC電平值又重新小于跟蹤門限電平，則退出穩定狀態，進入衛星跟蹤狀態，如果AGC電平小于搜索門限電平，則進入衛星搜索狀態。圖5為閉環步進跟蹤的轉動控制算法。

3 系統控制軟件設計

天線控制系統軟件的任務就是設計實現系統的各模塊功能，本系統的軟件設計分為三大塊：DSP與天線姿態的初始化、衛星信號的搜索、衛星信號的跟蹤。DSP和天線姿態初始化兩個模塊為系統尋星做準備，在進入衛星信號搜索和跟蹤階段后，系統要不斷地完成與HMR3300、GPS的通信和采樣信標接收機AGC電平，并將這些信息通過LCD顯示或和通過無線模塊傳輸給上位機實時監控。其中天線姿態的初始化和衛星信號的搜索與跟蹤均包含信號采集處理、串口通信、液晶顯示、無線監控、電機控制五部分。

4 監控系統軟件設計

監控分系統的主要任務有：①配置無線模塊參數和目標衛星經度；②發送目標衛星的位置數據給下位機控制器，控制器則根據此數據和GPS接收機發送的天線當前所在地的經緯度信息計算天線的方位、俯仰角；③與控制系統通信，通過數據和圖形方式顯示下位機發送過來的天線的理論方位、俯仰角以及當前方位、俯仰指向，并通過方位、俯仰指向的波形來實時顯示控制效果；④發送指令給控制器，遠程控制步進電機轉動；⑤復位系統。主要工作流程如圖6所示。

圖6 監控系統工作流程Fig.6 Working process of monitoring and control system

5 實驗結果

為便于對控制系統性能進行實驗和測試，選用亞洲2號廣播電視衛星為目標進行試驗。系統調試結果通過上位機監控軟件實時顯示，監控結果表明天線較好地實現了衛星指向控制。

6 結束語

本文以便攜式天線衛星通信地球站的研制為背景，研究和設計了基于嵌入式控制器的便攜式衛星通信控制系統，分別設計了粗精對準和分區PID控制算法，較好地實現了天線對目標衛星的自動搜索與跟蹤，保證天線高精度指向衛星以實現衛星通信。

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