论文部分内容阅读
【摘要】本文提出一种基于DSP的静中通天线自动伺服控制系统的设计方案。本方案根据静中通天线的位置信息和卫星信息，通过解算软件，获得天线的相对位置，从而驱动天线指向卫星，同时通过卫星信标修正技术，使天线在车辆轻微晃动时也能始终保持对准卫星。
【关键词】静中通天线卫星通信电子罗盘
5.12汶川地震发生后，灾区的常规通信网络因通信设施（如光缆、电缆、无线基站、交换设备、机房）的损坏以及电力供应的中断而瘫痪，导致在一段时间内灾区与外界失去联系，救援力量无法了解灾区的情况。这种情况下卫星通信设施进入灾区后才得到改善。卫星通信设施利用其通信距离远，不依赖地面网络的优势建立了灾区和救援后方的通信联系，给救援提供了通信保障，体现了卫星通信的重要性。
本文研究的基于DSP的静中通天线系统，该系统工作于Ku频段，采用1.2～1.8米小口径天线，天线控制系统选用高性能DSP为系统核心处理器，提高了系统处理速度，同时采用卫星信标自动跟踪机制，构成了天线位置反馈闭环系统，使天线的中心轴始终对准卫星，从而保证车辆在摇动时实现可靠的卫星通信。
1系统组成
静中通卫星天线系统由可收放的车载静中通天线子系统、转台子系统、伺服控制子系统、姿态采集子系统与信号载波接收系统组成。其中，天馈子系统主要包括单偏置天线及馈源系统；转台子系统主要包括方位、俯仰、极化三轴转台系统；伺服控制子系统主要包括天线控制器、天线驱动单元等；姿态采集子系统主要包括数字罗盘、GPS接收机；信号载波接收系统主要包括信标接收机（或DVB接收卡）。
2原理
通过GPS天线得到静中通卫星天线所在地理位置的经纬度，靠数字罗盘来找北，敏感天线载体的初始姿态，在操作者输入所要对的卫星后（不选择则默认为上次工作所用卫星），通过计算机解算控制天线对准所用卫星，最后通过卫星信标信号、DVB-S载波信号或通信载波信号修正找到最大值。
电路接口原理图如下：
控制系统原理图
具体工作如下：
通过GPS接收机获得当前的地理位置信息，通过倾斜仪测量出天线反射面的初始俯仰角，天线控制软件根据这些数据和所用的通信卫星的定位经度，计算出天线所需的方位角和天线俯仰角及极化角，具体计算公式如下：
其中，AZ为方位角，EL为俯仰角，POL为极化角
Station：地球站纬度
Station_latitude：地球站纬度
sat_longitude：卫星经度
station_longitude：地球站经度
3天线控制分系统
天线控制分系统由天线控制器及一系列传感器组成，并采用基于混沌理论的模糊智能跟踪控制算法。系统采用的传感器为数字罗盘和GPS接收机（获取天线地理位置信息）等，能实时反馈天线的工作状态。控制软件根据目标卫星的指向参数、天线接收信号的强度和传感器的实时数据，使得天线从加电搜索到最佳位置的时间最优化。同时采用卫星信标跟踪接收机和卫星大信号接收机作为天线接收信号指示器的设计，系统根据不同的卫星和使用情况，分析、比较采用何种接收机更有利，然后，自动切换到较有利的接收机。这种设计排除了系统的误跟踪，极大地提高了系统的搜星效率，可靠性高。
4接收机分系统
接收机分系统是天线跟踪的关键部件，用于接收卫星跟踪信号，并将其电平变换成相对应的直流电压，并提供给控制系统用以完成天线系统的开环搜索和闭环自动跟踪。
由于卫星的信标信号本身是一个窄带信号，且存在频率飘移，如果预置的中频接收带宽太宽，虽然系统可以正常工作，但是会降低接收机的接收信噪比，导致接收系统的灵敏度下降。如果预置的中频接收带宽太窄，又会丢失信标信号。所以，对信标信号频点的实时跟踪显得尤为重要。
本信标接收机采用了先进的小步进锁相环技术与高稳定度参考源实现了频率的精确控制，具体工作原理是利用小步进锁相环技术对接收机将要接收的卫星信号频率点进行精确的变频，具体的扫描方式由软件进行。如果飘移超过范围则采用软件搜索捕获，本接收机主要包括小步进频率综合部分、射频滤波放大部分、混频与中频滤波、检波处理部分和控制电路。输入预选完成对带外输入射频干扰信号抑制，采用950-1750的带通滤波器；混频后形成中频信号，对其进行多次滤波后，由晶体滤波器对信号窄带滤波，最后对中频信号进行检波和对数放大，输出直流检测信号，供基带判断和处理电路使用。
5伺服分系统
伺服分系统用于驱动天线转动，以控制天线系统完成指定的动作。天线伺服分系统由方位、俯仰小型步进电机+谐波减速机及极化电机组合，在保证有效控制天线工作状态的要求下，大大降低了驱动系统的体积及重量。伺服分系统在天线控制分系统的控制下，根据控制软件的指令，将天线的方位、俯仰、极化驱动到工作位置。
天线自动控制及跟踪系统在工作时可记忆上一次跟星参数，并具备“一键通”功能，在无控制终端情况下也可以实现自动对星。
极端特殊情况下，可通过手动对星，首先把天线放在一个地面相对平坦的位置，接上寻星仪或者MODEM，设置好跟星参数，然后根据俯仰角指示盘的示数调整天线俯仰角到理论位置，转动方位，根据寻星仪或者MODEM输出确定天线是否对上卫星。
6天线监控系统
自动天线系统采用了基于Java语言、Windows操作系统的GUI监控技术，实现系统监控，完成对各类参数的设置、工作模式的选择和系统状态的监视。系统可采用PC或PDA实现有线（RJ-45、RS-232）或无线（802.11）监测和控制。
7结束语
本伺服控制系统已经应用到我单位的KU频段的静中通天线中，经过用户的使用验证，该伺服系统完全满足用户的使用需求。
【关键词】静中通天线卫星通信电子罗盘
5.12汶川地震发生后，灾区的常规通信网络因通信设施（如光缆、电缆、无线基站、交换设备、机房）的损坏以及电力供应的中断而瘫痪，导致在一段时间内灾区与外界失去联系，救援力量无法了解灾区的情况。这种情况下卫星通信设施进入灾区后才得到改善。卫星通信设施利用其通信距离远，不依赖地面网络的优势建立了灾区和救援后方的通信联系，给救援提供了通信保障，体现了卫星通信的重要性。
本文研究的基于DSP的静中通天线系统，该系统工作于Ku频段，采用1.2～1.8米小口径天线，天线控制系统选用高性能DSP为系统核心处理器，提高了系统处理速度，同时采用卫星信标自动跟踪机制，构成了天线位置反馈闭环系统，使天线的中心轴始终对准卫星，从而保证车辆在摇动时实现可靠的卫星通信。
1系统组成
静中通卫星天线系统由可收放的车载静中通天线子系统、转台子系统、伺服控制子系统、姿态采集子系统与信号载波接收系统组成。其中，天馈子系统主要包括单偏置天线及馈源系统；转台子系统主要包括方位、俯仰、极化三轴转台系统；伺服控制子系统主要包括天线控制器、天线驱动单元等；姿态采集子系统主要包括数字罗盘、GPS接收机；信号载波接收系统主要包括信标接收机（或DVB接收卡）。
2原理
通过GPS天线得到静中通卫星天线所在地理位置的经纬度，靠数字罗盘来找北，敏感天线载体的初始姿态，在操作者输入所要对的卫星后（不选择则默认为上次工作所用卫星），通过计算机解算控制天线对准所用卫星，最后通过卫星信标信号、DVB-S载波信号或通信载波信号修正找到最大值。
电路接口原理图如下：
控制系统原理图
具体工作如下：
通过GPS接收机获得当前的地理位置信息，通过倾斜仪测量出天线反射面的初始俯仰角，天线控制软件根据这些数据和所用的通信卫星的定位经度，计算出天线所需的方位角和天线俯仰角及极化角，具体计算公式如下：
其中，AZ为方位角，EL为俯仰角，POL为极化角
Station：地球站纬度
Station_latitude：地球站纬度
sat_longitude：卫星经度
station_longitude：地球站经度
3天线控制分系统
天线控制分系统由天线控制器及一系列传感器组成，并采用基于混沌理论的模糊智能跟踪控制算法。系统采用的传感器为数字罗盘和GPS接收机（获取天线地理位置信息）等，能实时反馈天线的工作状态。控制软件根据目标卫星的指向参数、天线接收信号的强度和传感器的实时数据，使得天线从加电搜索到最佳位置的时间最优化。同时采用卫星信标跟踪接收机和卫星大信号接收机作为天线接收信号指示器的设计，系统根据不同的卫星和使用情况，分析、比较采用何种接收机更有利，然后，自动切换到较有利的接收机。这种设计排除了系统的误跟踪，极大地提高了系统的搜星效率，可靠性高。
4接收机分系统
接收机分系统是天线跟踪的关键部件，用于接收卫星跟踪信号，并将其电平变换成相对应的直流电压，并提供给控制系统用以完成天线系统的开环搜索和闭环自动跟踪。
由于卫星的信标信号本身是一个窄带信号，且存在频率飘移，如果预置的中频接收带宽太宽，虽然系统可以正常工作，但是会降低接收机的接收信噪比，导致接收系统的灵敏度下降。如果预置的中频接收带宽太窄，又会丢失信标信号。所以，对信标信号频点的实时跟踪显得尤为重要。
本信标接收机采用了先进的小步进锁相环技术与高稳定度参考源实现了频率的精确控制，具体工作原理是利用小步进锁相环技术对接收机将要接收的卫星信号频率点进行精确的变频，具体的扫描方式由软件进行。如果飘移超过范围则采用软件搜索捕获，本接收机主要包括小步进频率综合部分、射频滤波放大部分、混频与中频滤波、检波处理部分和控制电路。输入预选完成对带外输入射频干扰信号抑制，采用950-1750的带通滤波器；混频后形成中频信号，对其进行多次滤波后，由晶体滤波器对信号窄带滤波，最后对中频信号进行检波和对数放大，输出直流检测信号，供基带判断和处理电路使用。
5伺服分系统
伺服分系统用于驱动天线转动，以控制天线系统完成指定的动作。天线伺服分系统由方位、俯仰小型步进电机+谐波减速机及极化电机组合，在保证有效控制天线工作状态的要求下，大大降低了驱动系统的体积及重量。伺服分系统在天线控制分系统的控制下，根据控制软件的指令，将天线的方位、俯仰、极化驱动到工作位置。
天线自动控制及跟踪系统在工作时可记忆上一次跟星参数，并具备“一键通”功能，在无控制终端情况下也可以实现自动对星。
极端特殊情况下，可通过手动对星，首先把天线放在一个地面相对平坦的位置，接上寻星仪或者MODEM，设置好跟星参数，然后根据俯仰角指示盘的示数调整天线俯仰角到理论位置，转动方位，根据寻星仪或者MODEM输出确定天线是否对上卫星。
6天线监控系统
自动天线系统采用了基于Java语言、Windows操作系统的GUI监控技术，实现系统监控，完成对各类参数的设置、工作模式的选择和系统状态的监视。系统可采用PC或PDA实现有线（RJ-45、RS-232）或无线（802.11）监测和控制。
7结束语
本伺服控制系统已经应用到我单位的KU频段的静中通天线中，经过用户的使用验证，该伺服系统完全满足用户的使用需求。