一種新的動中通天線伺服結構布局布線的設計

潘青亮　苗曉峰　林柳夢

摘 要：動中通衛(wèi)星通信系統是一種能夠在運動過程中不間斷的實時通信的現代衛(wèi)星通信系統。本文介紹了一種新的伺服控制系統布局布線方法，將慣性器件固定在伺服機構上，采用工業(yè)排線布局，節(jié)省了資源和空間。

關鍵詞：動中通；衛(wèi)星通信；布局布線；慣導

1 動中通系統簡介

動中通衛(wèi)星通信系統是移動中的地面衛(wèi)星通信系統，通過動中通衛(wèi)星通信系統，車輛、輪船、飛機等各種移動載體，可以實現運動中不間斷的語音、數據、圖像等業(yè)務的傳輸功能。

2 傳統動中通伺服結構

動中通系統一般由天線系統、伺服系統和穩(wěn)控系統等組成。其中，穩(wěn)控系統通過羅盤、加表、傾角儀等敏感器件對載體的運動姿態(tài)進行感應和反饋，借助伺服系統，實時的調整衛(wèi)星天線的姿態(tài)角度，保證天線面始終指向通信衛(wèi)星。

圖1給出了動中通系統的組成示意圖，其中常用的敏感系統一般為陀螺和加速度計等元器件（慣性導航原理）；控制系統一般采用微機或者單片機等實現；驅動系統主要由驅動器及伺服電機組成；監(jiān)控系統主要由角度編碼器及控制軟件構成；通信部分主要由天線面、低噪放大器和功放等射頻單元組成。

圖2給出了傳統動中通系統的原理，其中天線系統包括天線反射面及伺服控制系統的驅動器、電機、編碼器、驅動齒輪、限位器等；控制部分包括控制電腦及敏感元器件等。

傳統系統中，這兩個部分是分開放置的，控制電腦可能放置在設備機柜中，而敏感系統會盡量靠近天線系統，以便能更真實更準確的感應天線的姿態(tài)變化情況。

敏感系統要求安裝平面與天線平面盡可能的平行，對安裝角度及安裝方式都有嚴格要求，需要特別注意。驅動器位置擺放一般比較靈活，電機及編碼器一般要按照齒輪的具體安裝情況進行布置。

整個伺服系統安裝在一整塊平板上，通過方位電機驅動整個平臺向期望的角度旋轉。這種情況下，電機、驅動器及編碼器都必須跟隨著天線的旋轉而旋轉。

而慣性系統則固定在載體上，不隨天線系統旋轉。這種情況下，控制系統通過采集慣性系統的數據（載體的運動姿態(tài)）以及天線系統的姿態(tài)角度，就可以計算出期望偏移角度，通過下發(fā)指令給伺服系統，完成系統跟蹤功能。

3 新的動中通天線結構

3.1 新的動中通天線結構

圖3中給出了新的天線的布局情況，其中信息處理單元就是上位處理機，用戶通過該單元進行人機交互處理；敏感單元即慣導系統，被安置在天線部分，跟隨天線系統一起運動；伺服單元包括驅動器及電機，通過齒輪帶動平臺部分旋轉到指定的角度，隨著天線面一起運動。

與傳統天線布局不相同的是，新的天線布局中，將敏感元器件（慣性系統）安裝在天線伺服機構平臺上，要求敏感系統隨著天線平臺的轉動而轉動，這就大大提升了動中通天線系統的集成度，使得系統對外更加獨立，更加健全。

3.2 新的動中通天線原理

新方案中，將敏感元器件安裝在天線平臺上，使得慣導隨著天線的轉動而轉動，這樣天線系統對外只有一個上位機人機交互界面，增加了系統的集成度。系統開始工作時，敏感元器件（慣導系統）將感應到的當前天線的姿態(tài)情況反饋給上位機系統，上位機根據用戶需求，結合天線姿態(tài)信息，計算出天線需要轉動的角度情況，指導伺服驅動系統去執(zhí)行。同時，敏感元器件（慣導系統）不斷的對天線的實時姿態(tài)進行監(jiān)控與上報，使得伺服系統不斷的對天線姿態(tài)角度進行修正，使其始終指向衛(wèi)星方向，不至于在運動過程中出現丟星、掉線現象。

3.3 新的動中通天線布線

傳統布線過程中，要將天線部分的所有電源線及信號線通過滑環(huán)系統傳遞到控制計算機系統及慣導系統，需要較多線數的滑環(huán)，價格比較昂貴。

圖4給出了新天線的布線格局，這里將慣導安裝在了天線部分，這樣就能直接將天線上的相關線纜布置到慣導部分。圖中紅色線纜表示連接至敏感元器件（慣導系統）的線纜，可以直接由工業(yè)排線進行布線；綠線為控制線纜；藍色為電源線纜，通過使用標準排線就可以將天線相應的信號及電源線纜引向滑環(huán)并導出到天線外接口板上，系統整齊、方便、可靠。

傳統系統中，敏感元器件（慣導系統）相對于車體是固定不動的，可以認為敏感元器件（慣導系統）安裝在車體坐標系中且二者的相對位置不變，在計算天線對星角度時，可以直接進行坐標變換。

但在新的系統中，由于慣導作為敏感元器件被放置在可以轉動的天線平面上，隨著天線本身相對于車體進行轉動，故原來慣導中對星及跟蹤算法就不再合適了，還必須考慮慣導本身在車體坐標系中的運動情況。

新算法首先完成當前天線姿態(tài)角的記錄工作；其次根據目標衛(wèi)星坐標值，計算期望旋轉角度；再次根據慣性器件反饋過來 天線角度變化數據，完成系統更新及跟蹤功能。

4 優(yōu)劣比較

4.1 節(jié)省空間

敏感元器件（慣導系統）安裝在天線部分，隨著天線面的轉動而轉動，這樣就使得整個平臺部分體積大為減少，所有伺服系統都能放置在天線罩中，節(jié)省了更多空間，同時也使得系統的集成度更高，獨立性更高，受外界影響更小。

4.2 可靠性

敏感元器件（慣導系統）固定在天線部分，緊隨天線系統，天線的運動軌跡及方式能夠真實完整的被其感應和記錄，進而能夠給上位機一個更準確的姿態(tài)信息。同時由于縮短了信號控制線路，有效的避免外界信號對天線編碼器的干擾，大大增強了系統的可靠性。

4.3 規(guī)范化

將敏感元器件（慣導系統）放置在天線上，就能直接連接敏感元器件到驅動器及編碼器的線纜，布線方式更加便捷，采用標準排線方式時，系統會更加整齊便捷。

4.4 經濟性

滑環(huán)的價格跟線數有著密切的關系，線數越多，價格越貴，故能盡可能的減少出局的線數就能更經濟的壓縮成本。相比原先敏感元器件（慣導系統）放在天線外面需要額外滑環(huán)的線數，新的方案減少了大部分滑環(huán)線數，節(jié)省了開支。

5 總結

本文通過對兩種不同天線結構的分析與比較，從中可以明顯看出來，無論是從整體規(guī)劃、設備通信還是經濟角度來分析，新的天線雖然會在上位機軟件里面增加一點復雜度，但是整體看來，還是會在經濟性、實用性、標準性等方面更具優(yōu)勢，特別在大批量投產情況下，效果會更加明顯。

本文為后續(xù)動中通天線伺服系統設計工作提供了一定的參考依據。

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作者簡介：潘青亮，男，碩士，北京航天控制儀器研究所，中級工程師，研究方向：衛(wèi)星通信系統。