基于信標(biāo)和DVB信號(hào)的對(duì)星伺服控制系統(tǒng)

劉光倫，陳 志，陳玲玲

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司第四研究所，四川 綿陽(yáng) 621000）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是集天線與微波技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)等多學(xué)科和多項(xiàng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。高精度天線跟蹤控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量衛(wèi)星通信的前提。最初的對(duì)星方式均是由人手動(dòng)對(duì)星，后來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了依靠自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)星。目前無(wú)論是便攜站還是固定站的衛(wèi)星對(duì)星技術(shù)均基于衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的方式，手段比較單一，在遇到衛(wèi)星上信標(biāo)信號(hào)比較弱或是沒有信標(biāo)信號(hào)時(shí)，基于信標(biāo)的跟蹤方式就無(wú)能為力了。本文討論的系統(tǒng)不僅可以用衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)星，也能用衛(wèi)星上DVB電視信號(hào)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)星，這樣控制系統(tǒng)就能應(yīng)用在沒有信標(biāo)信號(hào)或是衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)比較差（受干擾）的衛(wèi)星上。這種采用雙信號(hào)跟蹤的方式，解決了目前單一依靠信標(biāo)信號(hào)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)星的問(wèn)題，使對(duì)星方式更加靈活，不僅系統(tǒng)的可靠性更高，而且應(yīng)用的范圍也更廣。

1 控制部分原理設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，伺服控制部分有著至關(guān)重要的作用，天線控制系統(tǒng)必須保證天線波束主軸準(zhǔn)確指向衛(wèi)星而且對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的下行發(fā)射波束，通信系統(tǒng)才能夠正常工作。為達(dá)到這一目標(biāo)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器選擇、硬件設(shè)計(jì)方面應(yīng)充分考慮可能帶來(lái)的影響和精度誤差外，還必須設(shè)計(jì)合適的信號(hào)跟蹤方式以提高系統(tǒng)的指向精度[2]。

本系統(tǒng)通過(guò)將GPS、數(shù)字羅盤、天線控制器、執(zhí)行電機(jī)，結(jié)合信標(biāo)信號(hào)和DVB信號(hào)電平反饋形成系統(tǒng)大閉環(huán)控制，完成拋物面天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)指定衛(wèi)星的發(fā)射波束。如圖1為整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件原理框圖

對(duì)星控制裝置的工作原理為：在系統(tǒng)上電后首先通過(guò)電子羅盤獲取拋物面天線本身的姿態(tài)信息，然后通過(guò)GPS接收機(jī)獲取接收天線所在地的高度、經(jīng)度和緯度，再讀取E2PROM配置芯片里面的對(duì)星參數(shù)，E2PROM里的對(duì)星參數(shù)是通過(guò)手持端機(jī)把對(duì)星參數(shù)發(fā)送給主控單片機(jī)，由主控單片機(jī)把對(duì)星參數(shù)寫入E2PROM。單片機(jī)程序再根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息計(jì)算出天線對(duì)準(zhǔn)該衛(wèi)星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。主控單片機(jī)先控制極化電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的極化角，然后通過(guò)RS-422發(fā)送指令給方位角控制單片機(jī)和俯仰角控制單片機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)俯仰角和方位角到指定位置完成天線初始對(duì)準(zhǔn)。初始對(duì)準(zhǔn)完成后，主控單片機(jī)程序控制方位角和俯仰角電機(jī)在一個(gè)20°范圍內(nèi)進(jìn)行梯形掃描并開始搜索衛(wèi)星信號(hào)，此時(shí)信標(biāo)接收機(jī)和調(diào)諧器不斷輸出信號(hào)電平值到主控單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度判斷。如果采用衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)對(duì)星則信標(biāo)接收機(jī)輸出對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)電平到主控單片機(jī)，如果采用DVB信號(hào)對(duì)星，則主控單片機(jī)讀取調(diào)諧器的信號(hào)電平值，一旦主控單片機(jī)接收到的電平值達(dá)到一個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，說(shuō)明天線已進(jìn)入了衛(wèi)星的波束范圍。此時(shí)主控單片機(jī)程序進(jìn)入衛(wèi)星極大值定位程序，再分別控制方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使其達(dá)到信號(hào)最強(qiáng)的位置，即實(shí)現(xiàn)了天線對(duì)衛(wèi)星的精確對(duì)準(zhǔn)。在整個(gè)對(duì)星的過(guò)程中，手持終端實(shí)時(shí)地接收和顯示天線轉(zhuǎn)臺(tái)的當(dāng)前方位角、俯仰角以及信號(hào)強(qiáng)度值。

2 天線指向角計(jì)算

天線指向角就是根據(jù)衛(wèi)星位置信息、接收天線位置信息以及接收天線的姿態(tài)信息計(jì)算出極化角、俯仰角和方位角。主控單片機(jī)根據(jù)計(jì)算出的極化角、俯仰角和方位角來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)天線到相應(yīng)位置，完成天線的粗對(duì)準(zhǔn)[3]。

考慮接收天線的方位角、俯仰角、傾斜角，所以地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系重合，接收天線指向衛(wèi)星的角度計(jì)算涉及到三個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

假設(shè)地面接收天線的大地坐標(biāo)系即經(jīng)度、緯度、高度，表示為（L1，B1，H1），飛機(jī)的大地坐標(biāo)系即經(jīng)度、緯度、高度，表示為（L2，B2，H2）。由接收天線的大地坐標(biāo)系計(jì)算接收天線在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

由衛(wèi)星的大地坐標(biāo)系，計(jì)算衛(wèi)星在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

計(jì)算衛(wèi)星在接收天線的地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

式中：T1是從地心直角坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。即

通過(guò)方位角和俯仰角的計(jì)算公式，得到接收天線的指向角。方位角公式為

接收天線指向飛機(jī)的向量為

由于俯仰角定義在[0°，90°]，和反正弦的主值區(qū)間相同，所以實(shí)際俯仰角就等于E，方位角定義在[0°，360°]，和反正切函數(shù)的主值區(qū)間不一致，故應(yīng)判斷實(shí)際方位角所在的象限（以逆時(shí)針為正）。

X1＞0，Z3＞0時(shí)，方位角 A=2π-A ；X1＞0，Z3＜0時(shí)，方位角A=-A；

X1＜0，Z3＞0時(shí)，方位角 A=π-A；X1＜0，Z3＜0時(shí)，方位角A=π-A。

為了達(dá)到好的接收效果，除調(diào)整天線的方位角和俯仰角外，還應(yīng)根據(jù)極化角的數(shù)值來(lái)調(diào)整饋源矩形波導(dǎo)口的方向，使得極化振子調(diào)整到與電磁波一致的方向，此時(shí)極化完全匹配與衛(wèi)星傳送來(lái)的極化，振子感應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度最大，接收效果最佳[4-5]。不同地理位置的接收天線其極化角也不同，令?1，θ1，?2分別表示接收天線的經(jīng)度、緯度和靜止衛(wèi)星的在軌經(jīng)度，則接收天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星所需的理論極化角θ為

ρ為接收天線到衛(wèi)星的距離公式為

3 最大值定位算法設(shè)計(jì)

采用粗對(duì)準(zhǔn)算法能夠大致對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所在的方向，但是還不能對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)波束，此時(shí)無(wú)論是衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)的信標(biāo)電平值還是DVB調(diào)諧器輸出的信號(hào)電平值都是一個(gè)很低的值。此時(shí)在轉(zhuǎn)臺(tái)走到初始對(duì)準(zhǔn)位置后，以初始對(duì)準(zhǔn)位置為圓心，在一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行梯形掃描或十字掃描。在掃描的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DVB調(diào)諧器或信標(biāo)機(jī)輸出的信號(hào)電平值，如果輸出的信號(hào)電平值達(dá)了設(shè)定的閾值，則說(shuō)明接收天線進(jìn)入了衛(wèi)星的發(fā)射波束，但此時(shí)，接收天線還沒有準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，信號(hào)電平值還不是最大值，最后再用最大值定位算法來(lái)找準(zhǔn)信標(biāo)電平的最大值或DVB調(diào)諧器輸出的信號(hào)最大值。最大值定位算法程序先進(jìn)行水平方向的最大值定位，再進(jìn)行俯仰方向最大值定位。圖3為最大值定位算法的基本原理。

圖3 最大值定位算法原理圖

最大值定位算法，主要思想是用前后兩次讀取到的信號(hào)電平值來(lái)決定轉(zhuǎn)臺(tái)走的方向和步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)。如果當(dāng)前讀出的電平值比前一次讀出的電平值高，說(shuō)明還要繼續(xù)往前走才是信號(hào)最大值的位置，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)繼續(xù)往本次前進(jìn)的方向上走N步，走完后，讀取當(dāng)前的信號(hào)電平值，該電平值又與前一次的電平值進(jìn)行比較，如果此次的電平值還大于前一次的電平值則繼續(xù)往前走N步，否則，轉(zhuǎn)臺(tái)往回走K（K=N/2）步，以此類推，只要是往回走，走的步數(shù)都是上次所走步數(shù)的1/2，直到走的步數(shù)為0。此時(shí)，接收天線轉(zhuǎn)臺(tái)就停在信號(hào)電平最大值的位置。俯仰方向的最大值定位，再重復(fù)以上的步驟。經(jīng)過(guò)水平方向的最大值定位和俯仰方向的最大值定位后，接收天線就準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的發(fā)射波束。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

整個(gè)伺服系統(tǒng)在1.2 m的便攜式衛(wèi)星地面站上進(jìn)行了戶外的對(duì)星測(cè)試，圖4為對(duì)星測(cè)試的天線轉(zhuǎn)臺(tái)和對(duì)星測(cè)試控制軟件的主界面。

圖4 對(duì)星測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試軟件界面（截圖）

伺服控制系統(tǒng)在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間進(jìn)行了多次多顆衛(wèi)星的對(duì)星測(cè)試。每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先對(duì)每顆衛(wèi)星先進(jìn)行10次以上垂直極化的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)對(duì)星，再進(jìn)行10次以上的水平極化的信標(biāo)信號(hào)對(duì)星，然后再進(jìn)行10次以上不同節(jié)目的DVB信號(hào)對(duì)星。判斷是否對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星發(fā)射波束的標(biāo)準(zhǔn)，一是通過(guò)便攜式頻譜儀進(jìn)行信標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度測(cè)量，二是通過(guò)衛(wèi)星上的電視節(jié)目清晰度和流暢性來(lái)直觀判斷。測(cè)試分別對(duì)亞洲3號(hào)、亞太5號(hào)、中星6A、亞太2R、亞太6號(hào)共5顆衛(wèi)星上的信標(biāo)信號(hào)和DVB信號(hào)進(jìn)行了對(duì)星測(cè)試，對(duì)星準(zhǔn)確率都達(dá)到了100%，實(shí)驗(yàn)也充分證明在衛(wèi)星上沒有信標(biāo)信號(hào)的情況下或信標(biāo)信號(hào)被干擾的情況下，用衛(wèi)星上的DVB信號(hào)也能準(zhǔn)確對(duì)星[6]。

5 結(jié)論

本文提出的一種基于衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)和衛(wèi)星DVB信號(hào)的對(duì)星伺服控制系統(tǒng)，采用了信標(biāo)和DVB兩種對(duì)星方式，與傳統(tǒng)單一的對(duì)星方式不同，兩種對(duì)星方式互為補(bǔ)充，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也拓寬了適用衛(wèi)星的范圍，既適用于有信標(biāo)信號(hào)的衛(wèi)星，也適用于沒有信標(biāo)信號(hào)的衛(wèi)星或是信標(biāo)信號(hào)被干擾的衛(wèi)星。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)室外反復(fù)的對(duì)星測(cè)試，無(wú)論是采用信標(biāo)對(duì)星方式還是采用DVB對(duì)星方式，都能準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星波束而且找到信號(hào)電平最大值，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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