孫鐘阜，郭 健，范利娟

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表，上海 201108；2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊、地理復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生且縣、鄉(xiāng)兩級(jí)的通信保障非常薄弱，當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)難時(shí)，由于常規(guī)通信手段中斷、交通不便等原因常常導(dǎo)致衛(wèi)星應(yīng)急通訊車無(wú)法到達(dá)災(zāi)害地點(diǎn)。因此開發(fā)適用于應(yīng)急通信、便于救災(zāi)人員隨身帶入災(zāi)區(qū)以快速進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信和現(xiàn)場(chǎng)視頻轉(zhuǎn)播等業(yè)務(wù)的便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為重要需求[1,2]。

便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過(guò)與地球同步軌道衛(wèi)星鏈路形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信和現(xiàn)場(chǎng)視頻轉(zhuǎn)播等業(yè)務(wù)的良好手段。被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、新聞采訪、科考探險(xiǎn)、公安、軍事等應(yīng)急和特殊通信領(lǐng)域[3～9]。

便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中于兩方面：便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)和高性能天線控制系統(tǒng)。本文主要研究并設(shè)計(jì)天線控制系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的便攜式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)裝置和支撐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置構(gòu)成，用方位軸支撐天線的方位部分轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰軸支撐俯仰部分轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

1.2 控制結(jié)構(gòu)

便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中各模塊主要設(shè)計(jì)和功能如下：

（1）測(cè)量與信號(hào)調(diào)理模塊用于測(cè)量天線姿態(tài)和位置。本系統(tǒng)采用GPS、三軸電子羅盤HMR3300和信標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)天線位置和姿態(tài)測(cè)量：GPS用于測(cè)量通信系統(tǒng)所在地的地理位置，HMR3300用于測(cè)量天線的方位、俯仰姿態(tài)信息，信標(biāo)機(jī)則通過(guò)輸出AGC電平檢測(cè)天線的對(duì)星精度；GPS和HMR3300均通過(guò)串口輸出數(shù)據(jù)，而信標(biāo)機(jī)的AGC電平模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、放大。

（2）天線控制器模塊和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)天線的衛(wèi)星跟蹤和指向?qū)?zhǔn)。對(duì)于控制器，考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(tǒng)的主控芯片；為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用MT57STH52-3008A混合步進(jìn)電機(jī)。

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

（4）無(wú)線監(jiān)控模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，向控制系統(tǒng)發(fā)送指令，同時(shí)接收控制系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并將其顯示在上位機(jī)（如PC機(jī)）上，一方面便于用戶掌握天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，另一方面可切換為天線遙操作。

2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的天線對(duì)星性能決定了系統(tǒng)通信質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)高精度、快速對(duì)星，本系統(tǒng)采用粗精對(duì)準(zhǔn)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的快速搜索與高精度指向：系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)搜索是一個(gè)粗對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程，通過(guò)程序跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)；天線的高精度指向是一個(gè)精對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程，通過(guò)步進(jìn)跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)。

2.1 天線搜索與控制

衛(wèi)星信號(hào)的搜索即粗對(duì)準(zhǔn)采用程序跟蹤的方法。

（1）方位角、俯仰角計(jì)算。天線對(duì)星指向角的計(jì)算需同時(shí)知道地球站所在地的經(jīng)度、緯度和靜止衛(wèi)星的在軌經(jīng)度。靜止衛(wèi)星S與地球站A之間的幾何關(guān)系如圖3所示。

圖中，A表示地球站，S表示靜止衛(wèi)星，B為地球站A的經(jīng)線與赤道的交點(diǎn)，O與S的連線在地球表面上的交點(diǎn)C稱為星下點(diǎn)，地球表面上通過(guò)A點(diǎn)和C點(diǎn)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(diǎn)，E為切線AN與赤道平面的交點(diǎn)。

地球站與靜止衛(wèi)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(diǎn)間的弧線稱為地球站對(duì)靜止衛(wèi)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(jīng)線的正南方向按順時(shí)針?lè)较蚺c方位面所構(gòu)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(shè)地球站A的經(jīng)度和緯度分別為φ和θ1，靜止衛(wèi)星經(jīng)度為φ2，經(jīng)度差△φ=φ1-φ2，以下具體給出地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角φa和俯仰角φe的推導(dǎo)過(guò)程。對(duì)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?yàn)榛鶞?zhǔn)求得的，故實(shí)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(wèi)星位于地面站東南方向：方位角=180°-φa；二是衛(wèi)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(wèi)星位于地面站東北方向：方位角=φa；二是衛(wèi)星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。如果計(jì)算出的方位角是正值，則天線向正南偏東轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，則天線向正南偏西轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于俯仰角，同樣計(jì)算可得：

（2）基于分區(qū)PID的天線控制算法。得到方位角和俯仰角度后，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)其又快又好地到達(dá)期望的位置。

常規(guī)的PID控制器采用固定的控制參數(shù)，難以兼顧快速性和平穩(wěn)性的控制要求。為實(shí)現(xiàn)天線快速、平穩(wěn)控制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于分區(qū)PID的控制算法，即根據(jù)誤差將系統(tǒng)分為若干區(qū)，不同的分區(qū)采用不同的PID控制策略,引導(dǎo)系統(tǒng)又快又好地到達(dá)指令位置。為簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)，對(duì)誤差分區(qū)時(shí)采用對(duì)稱分區(qū)。具體原理和設(shè)計(jì)如圖4所示。

O-A階段：此時(shí)偏差很大，系統(tǒng)遠(yuǎn)離期望位置，考慮采用控制器輸出的最大值進(jìn)行控制,即 Bangbang控制；A-C階段:此時(shí)偏差較大，但為防止系統(tǒng)上升過(guò)快導(dǎo)致較大超調(diào)，考慮采用比例控制（P控制）；C-D階段：此時(shí)偏差在一定范圍內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)控制，采用比例-微分控制（PD控制）；D-E階段：此時(shí)偏差較小，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確控制到位，采用PID控制。在天線的搜索過(guò)程中，俯仰系統(tǒng)、方位系統(tǒng)均采取分區(qū)PID控制算法。

此外，天線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)不斷采集信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平值，該值反饋至天線控制器，并與設(shè)定的搜索門限值進(jìn)行比較、判斷。當(dāng)AGC電平值大于搜索門限后，結(jié)束搜索狀態(tài)，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，否則繼續(xù)進(jìn)行天線搜索。

2.2 天線跟蹤算法

經(jīng)過(guò)粗對(duì)準(zhǔn)完成衛(wèi)星信號(hào)的搜索，天線進(jìn)入能收到信號(hào)的范圍，但是收到的信號(hào)強(qiáng)度較弱，距離信號(hào)最強(qiáng)指向還有一定的角度偏差。為了使信號(hào)接收效果達(dá)到最佳，需進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，即進(jìn)一步做天線指向的精對(duì)準(zhǔn)。在這一階段，需在利用信標(biāo)接收機(jī)的輸出電平AGC的大小變化進(jìn)行步進(jìn)跟蹤，最終找到信號(hào)最強(qiáng)（AGC電平值最大）的位置作為對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的目標(biāo)位置。

處于跟蹤狀態(tài)的天線控制系統(tǒng)采用步進(jìn)跟蹤方法。方位和俯仰電機(jī)按照俯仰向上～方位向左～俯仰向下～方位向右的順序轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，在此過(guò)程中，電機(jī)每走一步，就比較此時(shí)信標(biāo)接收機(jī)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(jī)在同方向繼續(xù)走一步，反之，則改變跟蹤方向，使另一方向的電機(jī)走一步。如果在跟蹤幾圈后發(fā)現(xiàn)信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平一直大于跟蹤門限電平，則認(rèn)為天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，此時(shí)天線在這狀態(tài)，開始接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行通信。

在通信過(guò)程的同時(shí)不間斷地采樣AGC電平，若由于外界干擾等因素導(dǎo)致AGC電平值又重新小于跟蹤門限電平，則退出穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)，如果AGC電平小于搜索門限電平，則進(jìn)入衛(wèi)星搜索狀態(tài)。圖5為閉環(huán)步進(jìn)跟蹤的轉(zhuǎn)動(dòng)控制算法。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

天線控制系統(tǒng)軟件的任務(wù)就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊功能，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三大塊：DSP與天線姿態(tài)的初始化、衛(wèi)星信號(hào)的搜索、衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤。DSP和天線姿態(tài)初始化兩個(gè)模塊為系統(tǒng)尋星做準(zhǔn)備，在進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)搜索和跟蹤階段后，系統(tǒng)要不斷地完成與HMR3300、GPS的通信和采樣信標(biāo)接收機(jī)AGC電平，并將這些信息通過(guò)LCD顯示或和通過(guò)無(wú)線模塊傳輸給上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中天線姿態(tài)的初始化和衛(wèi)星信號(hào)的搜索與跟蹤均包含信號(hào)采集處理、串口通信、液晶顯示、無(wú)線監(jiān)控、電機(jī)控制五部分。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控分系統(tǒng)的主要任務(wù)有：①配置無(wú)線模塊參數(shù)和目標(biāo)衛(wèi)星經(jīng)度；②發(fā)送目標(biāo)衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)給下位機(jī)控制器，控制器則根據(jù)此數(shù)據(jù)和GPS接收機(jī)發(fā)送的天線當(dāng)前所在地的經(jīng)緯度信息計(jì)算天線的方位、俯仰角；③與控制系統(tǒng)通信，通過(guò)數(shù)據(jù)和圖形方式顯示下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的天線的理論方位、俯仰角以及當(dāng)前方位、俯仰指向，并通過(guò)方位、俯仰指向的波形來(lái)實(shí)時(shí)顯示控制效果；④發(fā)送指令給控制器，遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；⑤復(fù)位系統(tǒng)。主要工作流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程Fig.6 Working process of monitoring and control system

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為便于對(duì)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，選用亞洲2號(hào)廣播電視衛(wèi)星為目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)控結(jié)果表明天線較好地實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星指向控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以便攜式天線衛(wèi)星通信地球站的研制為背景，研究和設(shè)計(jì)了基于嵌入式控制器的便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了粗精對(duì)準(zhǔn)和分區(qū)PID控制算法，較好地實(shí)現(xiàn)了天線對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的自動(dòng)搜索與跟蹤，保證天線高精度指向衛(wèi)星以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。

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