衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)研究

景丹玉，韓 剛

（91917部隊(duì)，北京 102400）

衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)研究

景丹玉，韓 剛

（91917部隊(duì)，北京 102400）

在進(jìn)行衛(wèi)星通信過(guò)程中，天線的快速、準(zhǔn)確、精密、穩(wěn)定將會(huì)直接決定其通信質(zhì)量的高低，因此需要采取措施構(gòu)建一個(gè)安全、可靠、穩(wěn)定的通信鏈路，以確保其通信過(guò)程的順利進(jìn)行。文章對(duì)衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)給予介紹和探討。

衛(wèi)星天線；伺服控制系統(tǒng)；工作原理；數(shù)學(xué)模型

1 衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)的工作原理

在進(jìn)行衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要按照星載計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定的天線轉(zhuǎn)向命令，來(lái)使兩個(gè)方向天線轉(zhuǎn)向設(shè)定的位置，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。其衛(wèi)星天線系統(tǒng)常用頻段主要有C、Ku、Ka等。而衛(wèi)星電視廣播常選擇C頻段。Ka頻段主要是向客戶提供千兆比特級(jí)的數(shù)字傳輸、高速的衛(wèi)星通信、高清數(shù)字電視以及一些個(gè)人通信業(yè)務(wù)。以Ku頻段的機(jī)載衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)為例，它可以高精度的快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的校正，構(gòu)建安全、穩(wěn)定的持續(xù)信號(hào)輸出鏈路，以實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)。天線平臺(tái)和伺服平臺(tái)是雙系統(tǒng)的兩種平臺(tái)體制，后者具有兩個(gè)不同的正交自由的天線座，分別是俯仰天線座和方位天線座。與單平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案相比，上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅可以有效提高伺服系統(tǒng)的帶寬范圍，而且還能夠在一定程度上提升系統(tǒng)的諧振效率。衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，分別是伺服電動(dòng)機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、角度傳感器、伺服控制器、測(cè)速電動(dòng)機(jī)、PWM伺服控制驅(qū)動(dòng)器、減速器等。在伺服控制器系統(tǒng)中，俯仰和方位以對(duì)星開(kāi)始，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線載機(jī)的飛行狀態(tài)，以準(zhǔn)確的得出俯仰的角度、天線的方位等信息，通過(guò)坐標(biāo)換算可以得到相應(yīng)的載體坐標(biāo)系角度，最后借助一定的手段進(jìn)行方位閉環(huán)的調(diào)整，可以使天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，從而有效的實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。

1.2 伺服電機(jī)的特點(diǎn)

伺服電機(jī)屬于衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)中比較重要的組成部分，其一般是根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)來(lái)控制機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)一般是通過(guò)將輸入電壓轉(zhuǎn)化為矩和速度，從而控制著天線的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)性能的好壞將會(huì)直接決定衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性，以及衛(wèi)星的響應(yīng)速度等功能。在衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)通常會(huì)選用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。其中直流伺服電機(jī)具有噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，但是機(jī)械中的交流電機(jī)轉(zhuǎn)子具有較大的損耗和阻抗，而且工作效率比較低。與相同容量的直流伺服電機(jī)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，交流伺服電機(jī)具有相對(duì)比較大的重量和體積，在一定程度上影響其工作效率。綜上可以歸納出直流伺服電機(jī)具有過(guò)載能力大、低速力矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、波動(dòng)小、體積小、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音小、效率高、可控變壓范圍大、頻率可調(diào)。此類直流電機(jī)可應(yīng)用于絕大多數(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)中，適用于要求嚴(yán)苛的環(huán)境。

2 衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)

2.1 衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立原則

衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，具有強(qiáng)耦合、多變量且內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，借助一定的手段構(gòu)建一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型不僅可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和內(nèi)部變量間的相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的刻畫(huà)，而且還能夠通過(guò)模型來(lái)對(duì)其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行細(xì)致地了解和掌握，從而為后續(xù)工作的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)。方位環(huán)路一般是由位置環(huán)路和速度環(huán)路兩部分組成，其中位置環(huán)處于外環(huán)，速度環(huán)為內(nèi)置環(huán)。速度環(huán)的方位校正、速度的調(diào)節(jié)一般是由PWM功放中集成的模擬控制器來(lái)控制和進(jìn)行的，位置環(huán)的控制通常是由預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制器進(jìn)行控制的。位置伺服環(huán)路在控制系統(tǒng)中位置環(huán)為外環(huán)，速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，這樣一來(lái)就組成了一個(gè)相對(duì)封閉的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其不僅可以有效地發(fā)揮內(nèi)環(huán)的性能，而且還能具備良好的抗干擾性和隨動(dòng)性，以確保外環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)快速性和定位的準(zhǔn)確性。

2.2 伺服控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)流程圖

衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)要想穩(wěn)定運(yùn)行，需要保證主程序系統(tǒng)的各功能模塊有機(jī)地結(jié)合在一起，成為一個(gè)強(qiáng)大的集通信、定位、傳輸、視頻于一身的龐大衛(wèi)星系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)主要流程程序如圖1所示：

圖1 伺服控制系統(tǒng)主要流程

首先系統(tǒng)通過(guò)初始化載入一些數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行方位和俯仰參數(shù)的清零，然后工作模式，選擇合適的工作路徑來(lái)針對(duì)不同的客戶需求。當(dāng)收到退出指令時(shí)則需要判斷是否還要進(jìn)行下一步，如果是則返回，保存設(shè)置好的參數(shù)。反之，則需要再次存儲(chǔ)參數(shù)載入，然后采集軸角以及俯仰的角度和調(diào)速，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制、處理后的數(shù)據(jù)傳送給串口，最后由D/A輸出最終的通信，為客戶和指定人群以及車載等帶去交流、定位、傳輸?shù)娜粘Ｐ枨蟆?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行科學(xué)分析，且對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)相關(guān)元器件進(jìn)行詳細(xì)的描述，做出雙閉環(huán)位置回路的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全方位的分析，使得系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的通信質(zhì)量。

［1］張杰超.基于PLC的衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)改造方案［J］.視聽(tīng)，2015，（8）：173-174.

［2］拜娟娟.天線控制系統(tǒng)在衛(wèi)星地球站的應(yīng)用［J］.西部廣播電視，2016，（11）：204+，211.

［3］潘宜芳.論衛(wèi)星天線的建設(shè)及維護(hù)［J］.通訊世界，2013，（6）：74-75.

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1671-3818（2016）10-0015-01