某衛星通信天線伺服系統的設計與實現

章百寶　陳濤

摘 要： 為實現車載衛星通信天線對星的快速性和準確性，設計了一套以DSP+FPGA架構為控制核心的衛星通信天線伺服系統，介紹了該系統的組成、工作原理及硬件原理框圖，并對電機選型參數做了詳細計算，對天線尋星過程和伺服控制算法做了詳細描述和設計。該伺服系統的設計與實現對降低衛星通信系統成本、提高衛星通信天線對星的快速性和準確性具有一定的工程參考價值。

關鍵詞： 衛星通信系統； 伺服控制； 粗對準； 精對準

中圖分類號： TN828.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0059?03

Abstract： To realize the rapidity and veracity of aligning with the satellite for vehicle?mounted satellite communication antenna， a satellite communication antenna servo system with DSP+FPGA as its control core was designed. The composition， working principle and hardware block diagram for the system are described. The parameters of motor are calculated particularly. The process of the antenna′s satellite founding and servo control algorithm are elaborated and designed. The implementation of the servo system is helpful to cost reduction of satellite communication system， and the rapidity and veracity improvement of aligning with the satellite.

Keywords： satellite communication system； servo control； coarse alignment； refined alignment

0 引 言

近年來，衛星通信系統以其不受自然條件和地域限制、機動靈活、通信距離遠、覆蓋面積大、通信質量高等優點，在軍用和民用領域得到越來越廣泛的應用，如戰場軍事通信、反恐應急通信、災害現場、衛星電視廣播和天氣氣象的遙測遙感等。如何快速準確地對星是衡量車載衛星站應用性能的重要指標，為此研制了一套車載衛星通信天線伺服系統，能夠快速完成準確對星工作。該衛星通信天線伺服系統自動捕獲衛星時間≤3 min，定位精度≤0.2°，抗風能力[≥20 ]m/s，系統儲存量可達1 MB，并具備可靠性高、環境適應能力強、電磁兼容性優等特點。

1 系統設計方案

本系統主要由伺服控制單元、天線單元、電機、GPS、傾角傳感器、信標接收機、系統安全保護單元、功率驅動單元、角度編碼單元、系統限位開關等組成，如圖1所示。

系統的工作原理如下：系統上電后，根據使用者輸入的對星需求信息，自動采集對星需要的諸如天線姿態、天線地理位置、系統限位開關狀態等信息，計算出天線的預置方位角、俯仰角和極化角，控制并驅動天線直到信標接收機中輸出的AGC（直流電壓）電平信號大于預設電平門限值，從而完成對星的粗對準；粗對準工作完成后，系統又會在粗對準后的位置附近結合信標接收機的輸出電平AGC的大小變化做微動精確跟蹤，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，并儲存該位置以便為下次尋星作參考。圖2為系統的工作原理框圖。

2 伺服控制單元設計

本天線伺服系統采用高性能DSP + FPGA架構作為系統控制核心，因DSP具備指令周期短、運算精度高等特點，因此選用高性能DSP芯片TMS320F28335 完成天線控制與位置解算功能，從而滿足控制系統的時效性和精確性；又因FPGA具備邏輯單元豐富、集成度高以及工作穩定可靠等特點，因此選用XC2S300E?6PQG208I型FPGA實現DSP外設接口的擴展，即在單片XC2S300E?6PQG208I上完成操控輸入及顯示、數據采集、濾波及控制算法處理， 并輸出PWM 信號進行電機調速控制，從而滿足天線伺服系統中多電機、多編碼器、多通信接口以及系統操控界面接口的需要。伺服控制單元框圖如圖3所示。

由圖3可以看出，系統要實現的控制功能比較復雜， 主要體現在： 天線姿態、天線地理位置的解算，主天線方位、俯仰角度的閉環運動控制，饋源極化角度的閉環運動控制，衛星位置的存儲，系統限位開關的采集與安全保護單元的聯鎖設計，顯示接口與界面的設計，操控面板的設計等。

由圖3還可以看出，系統所有外設接口均通過FPGA進行擴展，并采用了光隔，確?？刂茊卧\行的穩定性和可靠性。

3 電機的選型及計算

3.1 主天線電機選型及計算

3.1.1 天線轉臺加/減速時所需要的力矩

4 衛星通信伺服控制算法

為了實現天線高精度指向衛星，本天線伺服系統采用了粗精對準相結合的方式進行對星，即先利用預設的衛星位置計算出天線理論指向角，實現天線的粗對準；再通過監測信標接收機輸出的AGC電平信號強度，實現天線的精對準。

4.1 天線粗對準控制算法

天線粗對準控制算法即天線理論指向角的計算，這包括天線俯仰角[E、]天線方位角[A]和饋源極化角[P]的計算。

在天線粗對準過程中，將目標衛星的軌道信息（衛星的在軌經度）輸入伺服控制單元，利用GPS接收機測得天線所在地的經緯度信息。伺服控制單元進行姿態解算后得到天線對準目標衛星所需要的方位角、俯仰角和極化角，然后驅動各電機運動以實現對衛星的搜索。在對星的過程中同時要利用姿態傳感器不斷檢測天線波束的實際指向信息，得出天線實際角度和理論角度的差值，伺服控制單元根據這些差值驅動天線的方位、俯仰和極化方向的電機不斷轉動，通過不斷地比較，驅動天線最終指向衛星。在天線轉動的同時還要不斷采集信標接收機輸出的AGC電平值的大小，該值也作為一個反饋信號反饋至伺服控制單元，判斷該值與預設電平門限值的大小。當采樣的電平值大于該門限值后，結束粗對準狀態，進入精對準狀態；否則，則需繼續轉動天線進行對準。

4.2 天線精對準控制算法

天線完成了粗對準后，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差。為了使信號接收效果達到最佳，需進行天線精對準。在這一階段，需在粗對準后的位置附近結合信標接收機的輸出電平AGC的大小變化做微動精確跟蹤，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。天線精對準控制算法圖如圖4所示。

5 結 語

筆者詳述了采用DSP+FPGA架構為控制核心的車載衛星通信天線伺服系統利用雙軸傾角傳感器和GPS測得的數據為參數來對星的控制算法，并利用信標接收機接收到的AGC電平值大小作為是否準確對星的關鍵，這對降低衛星通信系統成本、提高衛星通信天線對星的快速性和準確性具有一定的工程參考價值。

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