淺談一種便攜站天線伺服系統設計

齊曉娜++常雅麗

【摘 要】為減輕系統重量，便于攜帶，同時降低操作復雜程度，論文設計了一種便攜站天線伺服系統。系統中采用了大量一體化設計理念，使得成品結構簡單，體積小、重量輕。程序中采用了多項軟件算法使得對星過程簡單高效。便攜站天線可單人背負，可實現一鍵對星，應用于抗震救災、應急通信等方面具有較大優勢。

【Abstract】In order to reduce weight， easy to carry and operate， a portable station antenna servo system is designed in this paper. The system uses a large number of integrated design concept， so that the finished product structure is simple， small size， light weight. The program uses a number of software algorithm makes the satellite simple and efficient .It has great advantages in earthquake relief， emergency communication and so on.

【關鍵詞】一體化設計；角度標校；航向校正

【Keywords】integrated design； angle calibration； heading correction

【中圖分類號】TN927 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）06-0195-02

1 引言

在應急通信中便攜式衛星站作為聯系現場和后方指揮中心的紐帶，可以將后方指揮中心搬移到現場來，從而在現場搭建現場應急救援的最高指揮場所。為此我們進行了便攜站天線的設計，設計理念：一體化設計以便于攜帶、智能化設計以便于操作簡單。

天線在結構上采用一體化設計，重量輕，外形美觀。伺服和結構一體化設計，伺服盡量選用體積小，重量輕的元器件，并且驅動與電機采用—體化設計；伺服控制跟蹤盒安裝在天線底箱里，這樣無需單獨的伺服控制機箱以及相應的控制電纜，整個天線外形簡潔美觀。整體外觀圖見圖1。

2 設計原理

系統設計如圖2所示，此系統可分為主控模塊，驅動模塊、跟蹤接收機模塊、羅盤和GPS模塊，各模塊的功能如下：

主控模塊，主要實現信息采集，衛星位置算法實現和驅動電機轉動的功能，是整個系統的核心。通過數學運算得到衛星理論角度，然后控制電機轉向理論角度，實現位置閉環。

驅動模塊，主要是利用步進電機實現兩個軸向的轉動，以及獲得電機軸的位置反饋。當電機出現故障時能夠及時停轉，保護系統不會造成更大的損失。

跟蹤接收機模塊主要為信標接收機，實現天線大致對準衛星后的精確跟蹤，是系統不可或缺的一部分。

羅盤和GPS模塊，主要由羅盤和GPS天線組成，系統利用GPS實現得到準確的當地經緯度的信息，利用羅盤實現便攜天線的定向姿態信息。

3 硬件設計

3.1 主控板設計

主控板采用高速單片計算機作為控制核心，主控板是伺服控制跟蹤系統的核心，采用功能模塊化和一體化的設計方法，實現采集羅盤、GPS、軸角、接收信號以及驅動電機等功能。

3.2 CAN總線技術

由于本系統中使用了大量具有CAN總線接口的模塊，例如電機、跟蹤接收機等。如果使用傳統點對點連接方式則會帶來大量的電纜，而使用CAN總線的連接方式，模塊之間只需要使用4根連接線即可完成系統的通信。

3.3 步進電機驅動控制

天線驅動采用步進電機，考慮到體積小型化、控制簡單可靠、功耗情況和供電形式選用小型一體化步進電機。驅動器與電機采用整體設計，帶12位碼盤反饋。具有CAN總線接口，與主控板全數字交互數據，有效提高了控制精度，簡化了控制電路。

3.4 電子羅盤和GPS的選取

目前，市場上定向定位產品基本為慣導、尋北儀、電子羅盤、GPS /北斗等產品[1]，他們各有市場需求，對于本項目我們選取了電子羅盤加GPS方式，理由如下：

慣導、尋北儀定向精度高，不受天氣、晝夜、地磁場和場地通視條件的影響，但是價位高、體積大，不適用于便攜站天線系統中。

電子羅盤是利用地磁場來定北極的一種方法，成本低、體積小、定向精度較高（0.5度）。但是受地磁環境以外產生的磁場影響較大嗎，只能獲取大致航向，再通過伺服系統扇掃來鎖定目標。

GPS/北斗是通過衛星定位，GPS與北斗信號可自由切換，其體積小、重量輕、功耗低，所以本系統采用GPS+電子羅盤的形式來定位定向。

3.5 跟蹤接收機模塊

跟蹤接收機主要的功能是衛星信號進行處理，解調出AGC電壓，提供給主控板，使天線準確對準衛星，跟蹤接收機同樣具有CAN總線接口，便于系統連接。

4 軟件設計

4.1 軟件流程

伺服控制軟件運行在主控板上，系統上電后，首先初始化，然后自動采集限位、定位定向以及故障等信息；等待系統命令。一旦收到一鍵尋星命令，系統進行星位計算，馬上驅動天線轉到理論位置，然后進入快速扇掃步驟，跟蹤接收機鎖定后自動運行旁瓣識別程序，確認主瓣后進入跟蹤程序，直到跟蹤到信號最強，對星完成。

4.2 關鍵技術

4.2.1 角度標效技術

本系統中使用的12位碼盤反饋為增量式。為防止角度有誤，每次上電需要將角度校準。系統中安裝標效開關，或者限位開關也可當作標效開關使用。系統出廠前置入標校開關角度信息，系統上電后，自動標效角度。標校步驟如下：

①系統開機，輕觸對星按鈕；

②俯仰軸自動高速上轉，尋找俯仰校正開關或限位開關；

③轉動過程中實時檢測開關信號，如有信號返回立即停止轉動；

④俯仰以低速下轉，緩慢脫開開關；

⑤脫開后繼續低速上轉，直至再次碰到開關；

⑥將此開關角度信息作為目標值，反向計算俯仰校正數值。

至此俯仰角度標校完成，同樣原理，方位也可以使用此種方法標校。

4.2.2 航向校正技術

電子羅盤容易受磁場影響，為了避免該問題，伺服控制軟件中采用了衛星標校法來校正天線角度[2]。

在進行天線標校時，首先對準一顆穩定的同步衛星，由于所對衛星的經度以及當地經緯度信息是確定的，故可以計算出該衛星的理論方位、俯仰角。

根據計算所獲得的方位、俯仰角與天線當前實際對星角度相減，即可獲得羅盤的航向偏差。使用該技術實現了對星的準確性，提高了對星速度。

5 結語

本文設計了一種便攜站天線伺服系統，該系統采用一體化、智能化設計。在系統中應用了大量整體—體化設計理念使得整個系統體積小、重量輕。同時伺服控制軟件采用多項技術，降低了系統使用難度。隨著衛星通信的發展，以及國家應急通信的需求日益增加，便攜天線將會在各個領域中發揮更大的作用。

【參考文獻】

【1】魏英杰.動中通地面站衛星天線伺服控制系統[J].無線電通信技術， 2007，33（3） ：30-32.

【2】梁志杰，鄭帥，黃國帥，等.基于多頻段中繼衛星的無塔快速標校技術[J].現代電子技術，2015（8）：35-36.