天線與伺服控制技術(shù)在衛(wèi)星通信中的能耗優(yōu)化研究

唐魏興

（石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛(wèi)星通信方式主要是使用中低軌道的衛(wèi)星作為連接站，接收周邊地區(qū)的語(yǔ)音信息，然后將這些信息傳送給相應(yīng)的接收者。隨著衛(wèi)星通信的持續(xù)進(jìn)步，衛(wèi)星不僅具備基本的語(yǔ)音通信功能，且具備全球性的通信功能。此外，由此產(chǎn)生的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）已成為人們?nèi)粘Ｉ詈透鱾€(gè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，尤其在軍事、工業(yè)和交通等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響[1]。伺服控制系統(tǒng)是機(jī)載衛(wèi)星運(yùn)作中的關(guān)鍵部分，可以確保地面目標(biāo)和機(jī)載衛(wèi)星的實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)，對(duì)該系統(tǒng)的研究有助于推動(dòng)衛(wèi)星通信的進(jìn)步。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常包括通信衛(wèi)星、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)、監(jiān)督管理分系統(tǒng)。

1.1.1 通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星主要包含通信設(shè)備、遠(yuǎn)程操縱設(shè)備、管理設(shè)備以及電源設(shè)備（如太陽(yáng)能電池和蓄電池）。其中，通信設(shè)備是通信衛(wèi)星的核心，由1 個(gè)或更多的傳輸設(shè)備組成。這些設(shè)備可以同步接收并傳輸來(lái)自不同地理位置的信息，起到傳輸站的作用。

1.1.2 通信地球站分系統(tǒng)

在通信地球站分系統(tǒng)中，微波無(wú)線電收發(fā)信站的作用是讓用戶能夠連接到衛(wèi)星線路，從而實(shí)現(xiàn)通信。

1.1.3 跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)

遙測(cè)跟蹤和指令分系統(tǒng)的主要職責(zé)是追蹤測(cè)量衛(wèi)星，以確保其精確地進(jìn)入靜止軌道的預(yù)定位置。在衛(wèi)星正常運(yùn)作后，需要定期對(duì)其進(jìn)行軌道位置的調(diào)整和姿態(tài)的維持。

1.1.4 監(jiān)控管理分系統(tǒng)

監(jiān)督管理部門(mén)的職責(zé)是在業(yè)務(wù)啟動(dòng)之初和業(yè)務(wù)啟動(dòng)之后，評(píng)估并調(diào)整特定衛(wèi)星的通信效果。例如，審查衛(wèi)星轉(zhuǎn)換器的功率、衛(wèi)星的天線增益，以及每個(gè)地面站的發(fā)射功率、射頻的頻率、帶寬等關(guān)鍵通信指標(biāo)，從而確保其能夠正常通信[2]。

1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

衛(wèi)星通信具有以下4 個(gè)特點(diǎn)：第一，覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)。1 顆地球同步衛(wèi)星就能覆蓋整個(gè)地球的1/3，因此只需3 顆合適的地球同步衛(wèi)星，就能完成全球范圍內(nèi)除兩極之外的通信。第二，具有多址連接功能。所有衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站都能通過(guò)同一衛(wèi)星進(jìn)行互相連接，即多址連接。此外，地球站的建立并不受地理環(huán)境限制，可以在偏遠(yuǎn)的地方、島嶼、汽車、飛機(jī)及艦艇上建立。第三，頻段寬、容量大。微波頻段被用于衛(wèi)星通信，每個(gè)衛(wèi)星都可以配備多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，因此其通信容量非常大。第四，質(zhì)量好、可靠性高。衛(wèi)星通信的電磁波大部分是在無(wú)人區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，其噪聲較低且通信品質(zhì)優(yōu)秀。從穩(wěn)定性的角度來(lái)看，衛(wèi)星通信的穩(wěn)定工作頻率超過(guò)99.8%。

2 衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

伺服控制系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)算法程序來(lái)執(zhí)行自動(dòng)化操作，屬于非線性系統(tǒng)。其內(nèi)部關(guān)系極為復(fù)雜，需要多個(gè)變量協(xié)同工作，并采用強(qiáng)耦合的方法來(lái)構(gòu)建線性關(guān)系。因此，在創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中，必須深度剖析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況，并將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)則與算法的變量建立線性關(guān)系。同時(shí)，了解伺服系統(tǒng)的全面動(dòng)態(tài)模型和相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建相關(guān)的函數(shù)關(guān)系和數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[3]。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

構(gòu)建伺服系統(tǒng)的操作框架，為伺服電機(jī)的連接提供可能。該系統(tǒng)的核心構(gòu)造包括伺服控制器、電源、軸角解碼器以及限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，這些硬件的結(jié)合有助于相應(yīng)的程序與算法在硬件中進(jìn)行準(zhǔn)確的操作。為確保伺服系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行，就必須依照具體的環(huán)境來(lái)挑選合適的控制芯片。控制芯片不僅是伺服控制器電路的關(guān)鍵部分，還是構(gòu)成整個(gè)伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備。控制芯片能夠通過(guò)其內(nèi)部的儲(chǔ)存功能和對(duì)程序的控制，來(lái)完成預(yù)設(shè)的控制任務(wù)，從而使伺服控制器能夠按照設(shè)計(jì)好的算法進(jìn)行自動(dòng)控制。位移檢測(cè)電路的職責(zé)是確保所有旋轉(zhuǎn)部分都可以在預(yù)定的區(qū)域執(zhí)行操作，因此必須在伺服系統(tǒng)中安排一些位移開(kāi)關(guān)。位移開(kāi)關(guān)的狀況直接決定位移檢測(cè)電路的計(jì)算，能夠利用軟件來(lái)執(zhí)行全系統(tǒng)的位移操作。

在構(gòu)建電源電路的過(guò)程中，需要配備適當(dāng)?shù)乃欧姍C(jī)來(lái)提供電力，確保電機(jī)的電流和電壓處于系統(tǒng)能承受的范圍之內(nèi)，同時(shí)借助適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器來(lái)確保電源電路的電流和電壓供應(yīng)充分穩(wěn)定。系統(tǒng)的電壓和電流在實(shí)際運(yùn)行中的數(shù)值會(huì)有所差異，因此需要使用穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流和電壓。在電源電路中，穩(wěn)壓器的輸出精度必須足夠高，且能夠?qū)ο到y(tǒng)提供保護(hù)，確保電源的正常供應(yīng)[4]。此外，需要利用差分放大器來(lái)管理電壓信號(hào)。當(dāng)電源電路輸出正電壓時(shí)，電機(jī)會(huì)向正方向旋轉(zhuǎn)；如果電壓信號(hào)的絕對(duì)值較大，電機(jī)就會(huì)向反方向旋轉(zhuǎn)。采用一種具有高效率的內(nèi)部補(bǔ)償運(yùn)算放大器，可以通過(guò)降低功耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電路的補(bǔ)償，且能夠迅速斷開(kāi)保護(hù)電源電路。

2.3 主程序的設(shè)計(jì)流程

為確保伺服系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要通過(guò)精密的算法來(lái)進(jìn)行控制，即對(duì)主程序進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程。這樣才能確保系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)功能和各個(gè)部分能夠協(xié)同工作，保證衛(wèi)星系統(tǒng)的特定任務(wù)能夠順利完成。輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和調(diào)整，并依據(jù)需求選擇最適合的頻段，以便在不同的需求下找到最優(yōu)的工作路徑。同時(shí)，系統(tǒng)需要通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)清除伺服控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，及時(shí)歸零衛(wèi)星天線的位置和參數(shù)。在修改和儲(chǔ)存待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，使用其他算法來(lái)生成相應(yīng)的指令，并根據(jù)這些指令決定是否執(zhí)行下一步操作。一旦確定下一步操作需要執(zhí)行，就要根據(jù)數(shù)據(jù)和頻段重新載入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算預(yù)設(shè)的角度，并根據(jù)這個(gè)角度來(lái)設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。在獲取相應(yīng)的參數(shù)后，伺服系統(tǒng)會(huì)根據(jù)角度調(diào)整電路的輸出狀態(tài)。伺服電機(jī)的直流狀態(tài)能夠產(chǎn)生正負(fù)電壓，以確保能夠執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，常見(jiàn)的電壓狀態(tài)包括+3.3 V 和±15 V 等。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中天線與伺服控制技術(shù)的能耗分析

3.1 天線與伺服控制技術(shù)的能耗分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線是接收和發(fā)送信號(hào)的主要設(shè)備之一，但能耗較高。因此，如何降低天線的能耗已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重要方向。在實(shí)際應(yīng)用中，天線的能耗主要來(lái)自2 個(gè)方面：一是發(fā)射功率的影響；二是天線本身的設(shè)計(jì)和制造工藝對(duì)能耗的影響。其中，發(fā)射功率是最為顯著的因素之一。當(dāng)天線需要向遠(yuǎn)距離的目標(biāo)發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射功率會(huì)隨著距離的增加而增大。同時(shí)，天線自身的設(shè)計(jì)會(huì)影響其能耗。例如，采用低質(zhì)量材料制作的天線通常會(huì)產(chǎn)生較大的損耗率，從而導(dǎo)致更高的能耗。因此，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，必須采取有效的措施來(lái)減少天線的能耗。

除天線，伺服控制也是一個(gè)重要的能耗因素。伺服控制指通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)位置或速度來(lái)達(dá)到某種目的的技術(shù)手段。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，伺服控制主要用于調(diào)整天線的方向和傾角，以保證信號(hào)的質(zhì)量和覆蓋范圍。但是這種技術(shù)存在一定的能源消耗問(wèn)題，如何提高伺服控制的效率并減小其能耗成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

3.2 天線與伺服控制技術(shù)的能耗模型

傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)往往存在較大的功率損耗問(wèn)題，不利于提高系統(tǒng)的效率并降低成本。近年來(lái)出現(xiàn)許多新型的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如基于多饋源的天線和可調(diào)諧天線等。這些新的設(shè)計(jì)方法可以有效降低天線的功率損耗，從而提高系統(tǒng)的性能。同時(shí)，伺服控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)解天線和伺服控制器之間的反饋關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)更加精確的信號(hào)傳輸和更高的信噪比。但是，這種技術(shù)需要消耗一定的能量來(lái)完成工作。如何合理地利用天線和伺服控制技術(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的能耗效果成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[5]。

4 天線與伺服控制技術(shù)在衛(wèi)星通信中的能耗優(yōu)化

4.1 天線單元能耗優(yōu)化

4.1.1 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

衛(wèi)星天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，天線的承載性能就越好，信號(hào)傳輸能力越強(qiáng)。

4.1.2 照明電源的優(yōu)化

為保持天線的正常使用，應(yīng)控制照明電源的能耗。如果功耗太大，可能會(huì)對(duì)天線的工作產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮照明電源的能效問(wèn)題。

4.1.3 射頻設(shè)計(jì)的優(yōu)化

射頻安全是天線優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，應(yīng)確保射頻信號(hào)傳輸和接收的穩(wěn)定性，對(duì)天線進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。

4.1.4 天線兼容性的優(yōu)化

在設(shè)計(jì)中應(yīng)同步考慮天線的兼容性。互動(dòng)效果好的天線與衛(wèi)星之間可建立更可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，提高通信效率。

4.2 伺服控制單元能耗優(yōu)化

第一，選擇高效的伺服驅(qū)動(dòng)器。第二，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制算法。第三，使用能量回收系統(tǒng)，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)起來(lái)，以供后續(xù)使用。第四，優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)。選擇高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，如直線電機(jī)和無(wú)級(jí)變速器等，同時(shí)定期檢查和維護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)，以確保其正常運(yùn)行。第五，使用節(jié)能設(shè)備，如低功耗伺服電機(jī)、高效能耗的傳感器等。第六，定期維護(hù)和檢查伺服系統(tǒng)，確保其正常運(yùn)行。

4.3 天線單元與伺服控制單元聯(lián)合能耗優(yōu)化

4.3.1 基于聚類的能耗模型優(yōu)化方案

在構(gòu)建能源消耗模型和優(yōu)化能效的過(guò)程中，首先要選擇適當(dāng)?shù)木垲愃惴ǎ黄浯握{(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)收集數(shù)據(jù)的類別劃分；最后挑選各類別的中心，為研究基礎(chǔ)探索能效優(yōu)化的策略。在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，利用聚類技術(shù)建立能源消耗模型，其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)潔易操作，但也存在精確度不高、優(yōu)化計(jì)劃的工作量過(guò)大等問(wèn)題。

4.3.2 基于線性回歸的能耗模型優(yōu)化方案

通過(guò)構(gòu)建線性回歸模型，探索自變量和因變量的關(guān)聯(lián)性。這種模型在變量關(guān)系的分析、預(yù)測(cè)和時(shí)間序列問(wèn)題的研究等領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用。回歸分析可以劃分為線性回歸和邏輯回歸等。線性回歸技術(shù)不僅適用于構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的整體能源消費(fèi)模型，還廣泛運(yùn)用于構(gòu)造服務(wù)器、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備及其子系統(tǒng)的能源消費(fèi)模型。

與聚類技術(shù)相比，線性回歸技術(shù)能夠更精確地構(gòu)造出能源消耗模型。如果能源消耗的變量過(guò)多或數(shù)據(jù)量過(guò)大，構(gòu)造的模型就需要不斷調(diào)整，以達(dá)到性能最佳。

5 結(jié) 論

天線與伺服控制技術(shù)在衛(wèi)星通信中的能耗是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要綜合考慮多種因素才能得到最佳的優(yōu)化結(jié)果。文章介紹天線與伺服控制技術(shù)在衛(wèi)星通信中的能耗模型和能耗優(yōu)化的方法，重點(diǎn)闡述天線單元和伺服控制單元的能耗優(yōu)化方法。在未來(lái)的研究中，可以繼續(xù)深入挖掘天線與伺服控制技術(shù)在衛(wèi)星通信其他方面的潛力，不斷推動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，為用戶帶來(lái)更便捷和高效的通信體驗(yàn)。