齊曉娜++常雅麗

【摘 要】為減輕系統(tǒng)重量，便于攜帶，同時(shí)降低操作復(fù)雜程度，論文設(shè)計(jì)了一種便攜站天線伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用了大量一體化設(shè)計(jì)理念，使得成品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕。程序中采用了多項(xiàng)軟件算法使得對(duì)星過(guò)程簡(jiǎn)單高效。便攜站天線可單人背負(fù)，可實(shí)現(xiàn)一鍵對(duì)星，應(yīng)用于抗震救災(zāi)、應(yīng)急通信等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

【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(guān)鍵詞】一體化設(shè)計(jì)；角度標(biāo)校；航向校正

【Keywords】integrated design； angle calibration； heading correction

【中圖分類號(hào)】TN927 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）06-0195-02

1 引言

在應(yīng)急通信中便攜式衛(wèi)星站作為聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)和后方指揮中心的紐帶，可以將后方指揮中心搬移到現(xiàn)場(chǎng)來(lái)，從而在現(xiàn)場(chǎng)搭建現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援的最高指揮場(chǎng)所。為此我們進(jìn)行了便攜站天線的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)理念：一體化設(shè)計(jì)以便于攜帶、智能化設(shè)計(jì)以便于操作簡(jiǎn)單。

天線在結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計(jì)，重量輕，外形美觀。伺服和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，伺服盡量選用體積小，重量輕的元器件，并且驅(qū)動(dòng)與電機(jī)采用—體化設(shè)計(jì)；伺服控制跟蹤盒安裝在天線底箱里，這樣無(wú)需單獨(dú)的伺服控制機(jī)箱以及相應(yīng)的控制電纜，整個(gè)天線外形簡(jiǎn)潔美觀。整體外觀圖見圖1。

2 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，此系統(tǒng)可分為主控模塊，驅(qū)動(dòng)模塊、跟蹤接收機(jī)模塊、羅盤和GPS模塊，各模塊的功能如下：

主控模塊，主要實(shí)現(xiàn)信息采集，衛(wèi)星位置算法實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到衛(wèi)星理論角度，然后控制電機(jī)轉(zhuǎn)向理論角度，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。

驅(qū)動(dòng)模塊，主要是利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及獲得電機(jī)軸的位置反饋。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)停轉(zhuǎn)，保護(hù)系統(tǒng)不會(huì)造成更大的損失。

跟蹤接收機(jī)模塊主要為信標(biāo)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)天線大致對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星后的精確跟蹤，是系統(tǒng)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(tǒng)利用GPS實(shí)現(xiàn)得到準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度的信息，利用羅盤實(shí)現(xiàn)便攜天線的定向姿態(tài)信息。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控板設(shè)計(jì)

主控板采用高速單片計(jì)算機(jī)作為控制核心，主控板是伺服控制跟蹤系統(tǒng)的核心，采用功能模塊化和一體化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)采集羅盤、GPS、軸角、接收信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等功能。

3.2 CAN總線技術(shù)

由于本系統(tǒng)中使用了大量具有CAN總線接口的模塊，例如電機(jī)、跟蹤接收機(jī)等。如果使用傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式則會(huì)帶來(lái)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(tǒng)的通信。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

天線驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)，考慮到體積小型化、控制簡(jiǎn)單可靠、功耗情況和供電形式選用小型一體化步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)采用整體設(shè)計(jì)，帶12位碼盤反饋。具有CAN總線接口，與主控板全數(shù)字交互數(shù)據(jù)，有效提高了控制精度，簡(jiǎn)化了控制電路。

3.4 電子羅盤和GPS的選取

目前，市場(chǎng)上定向定位產(chǎn)品基本為慣導(dǎo)、尋北儀、電子羅盤、GPS /北斗等產(chǎn)品[1]，他們各有市場(chǎng)需求，對(duì)于本項(xiàng)目我們選取了電子羅盤加GPS方式，理由如下：

慣導(dǎo)、尋北儀定向精度高，不受天氣、晝夜、地磁場(chǎng)和場(chǎng)地通視條件的影響，但是價(jià)位高、體積大，不適用于便攜站天線系統(tǒng)中。

電子羅盤是利用地磁場(chǎng)來(lái)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(huán)境以外產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響較大嗎，只能獲取大致航向，再通過(guò)伺服系統(tǒng)扇掃來(lái)鎖定目標(biāo)。

GPS/北斗是通過(guò)衛(wèi)星定位，GPS與北斗信號(hào)可自由切換，其體積小、重量輕、功耗低，所以本系統(tǒng)采用GPS+電子羅盤的形式來(lái)定位定向。

3.5 跟蹤接收機(jī)模塊

跟蹤接收機(jī)主要的功能是衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理，解調(diào)出AGC電壓，提供給主控板，使天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，跟蹤接收機(jī)同樣具有CAN總線接口，便于系統(tǒng)連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

伺服控制軟件運(yùn)行在主控板上，系統(tǒng)上電后，首先初始化，然后自動(dòng)采集限位、定位定向以及故障等信息；等待系統(tǒng)命令。一旦收到一鍵尋星命令，系統(tǒng)進(jìn)行星位計(jì)算，馬上驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)到理論位置，然后進(jìn)入快速扇掃步驟，跟蹤接收機(jī)鎖定后自動(dòng)運(yùn)行旁瓣識(shí)別程序，確認(rèn)主瓣后進(jìn)入跟蹤程序，直到跟蹤到信號(hào)最強(qiáng)，對(duì)星完成。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 角度標(biāo)效技術(shù)

本系統(tǒng)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(zhǔn)。系統(tǒng)中安裝標(biāo)效開關(guān)，或者限位開關(guān)也可當(dāng)作標(biāo)效開關(guān)使用。系統(tǒng)出廠前置入標(biāo)校開關(guān)角度信息，系統(tǒng)上電后，自動(dòng)標(biāo)效角度。標(biāo)校步驟如下：

①系統(tǒng)開機(jī)，輕觸對(duì)星按鈕；

②俯仰軸自動(dòng)高速上轉(zhuǎn)，尋找俯仰校正開關(guān)或限位開關(guān)；

③轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)開關(guān)信號(hào)，如有信號(hào)返回立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

④俯仰以低速下轉(zhuǎn)，緩慢脫開開關(guān)；

⑤脫開后繼續(xù)低速上轉(zhuǎn)，直至再次碰到開關(guān)；

⑥將此開關(guān)角度信息作為目標(biāo)值，反向計(jì)算俯仰校正數(shù)值。

至此俯仰角度標(biāo)校完成，同樣原理，方位也可以使用此種方法標(biāo)校。

4.2.2 航向校正技術(shù)

電子羅盤容易受磁場(chǎng)影響，為了避免該問(wèn)題，伺服控制軟件中采用了衛(wèi)星標(biāo)校法來(lái)校正天線角度[2]。

在進(jìn)行天線標(biāo)校時(shí)，首先對(duì)準(zhǔn)一顆穩(wěn)定的同步衛(wèi)星，由于所對(duì)衛(wèi)星的經(jīng)度以及當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息是確定的，故可以計(jì)算出該衛(wèi)星的理論方位、俯仰角。

根據(jù)計(jì)算所獲得的方位、俯仰角與天線當(dāng)前實(shí)際對(duì)星角度相減，即可獲得羅盤的航向偏差。使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)星的準(zhǔn)確性，提高了對(duì)星速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種便攜站天線伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一體化、智能化設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中應(yīng)用了大量整體—體化設(shè)計(jì)理念使得整個(gè)系統(tǒng)體積小、重量輕。同時(shí)伺服控制軟件采用多項(xiàng)技術(shù)，降低了系統(tǒng)使用難度。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，以及國(guó)家應(yīng)急通信的需求日益增加，便攜天線將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

【參考文獻(xiàn)】

【1】魏英杰.動(dòng)中通地面站衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)[J].無(wú)線電通信技術(shù)， 2007，33（3） ：30-32.

【2】梁志杰，鄭帥，黃國(guó)帥，等.基于多頻段中繼衛(wèi)星的無(wú)塔快速標(biāo)校技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（8）：35-36.