平板便攜式衛(wèi)星通信終端伺服系統(tǒng)算法設計研究

姜孝均，李良榮

（1.貴州大學，貴陽 550025；2.貴州航天職業(yè)技術學院，遵義 563000）

技術研究

平板便攜式衛(wèi)星通信終端伺服系統(tǒng)算法設計研究

姜孝均1，2，李良榮1

（1.貴州大學，貴陽 550025；2.貴州航天職業(yè)技術學院，遵義 563000）

本文針對平板便攜式衛(wèi)星通信終端的伺服控制系統(tǒng)展開研究，本文提出一種根據(jù)終端設備所在位置的經(jīng)緯度信息和目標衛(wèi)星的經(jīng)度信息，通過對終端設備的平板天線俯仰和方位的伺服控制，自動調整天線的方位和俯仰姿態(tài)，使天線指向目標衛(wèi)星，并進一步對極化角進行調整，從而快速建立起穩(wěn)定的衛(wèi)星通信鏈路的算法設計方案。

平板天線；衛(wèi)星通信；伺服控制；信標機

1 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星端、地面端、用戶端三部分組成。衛(wèi)星端在空中起中繼站的作用，即把地面站發(fā)上來的電磁波放大后再返送回另一地面站；地面站則是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網(wǎng)的接口，地面用戶也可以通過地面站出入衛(wèi)星系統(tǒng)形成鏈路；用戶端即是各種用戶終端[1]。本文研究平板便攜式衛(wèi)星通信終端的伺服系統(tǒng)。

2 平板便攜式衛(wèi)星通信終端伺服系統(tǒng)簡述

平板便攜式衛(wèi)星通信終端伺服系統(tǒng)是整個設備的關鍵，其通過與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，得到控制參數(shù)，結合外部傳感器模塊收集的信息進行數(shù)據(jù)綜合分析，輸出信號實時控制伺服電機調整天線的姿態(tài)，達到對星通信的目的。該系統(tǒng)主要由Wi-Fi模塊、傳感器模塊、存儲模塊、信號接收模塊、電機控制模塊和主控制器模塊組成[2]，如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)組成結構圖

3 天線搜索與跟蹤算法

天線對衛(wèi)星的跟蹤方式一般包括手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤三種[3]。衛(wèi)星天線定位參數(shù)為：俯仰角、方位角、極化角。下面就對這三個參數(shù)的計算做簡單說明。

設地面站A的經(jīng)度和緯度分別為Φ1，θ1，靜止衛(wèi)星經(jīng)度為Φ2，經(jīng)度差Φ＝|Φ1－Φ2|。

3.1 方位角的計算

天線方位角

圖2 方位、俯仰、極化角的計算示意圖[3]

利用式（1）求出的方位角是以正南方向為基準求得的，按規(guī)定，方位角都是以正北方向為基準的，我國處于北半球西南方向，故實際位于地面站方位角可用下述方法求出

3.2 俯仰角的計算

OA和OC為地球表面距地球球心的距離用R表示，一般取地球平均半徑6,378千米。所有的地球同步衛(wèi)星都分布在赤道上空，其距地面的高度用h表示，一般取35,860千米，帶入式子得

故俯仰角

3.3 極化角的計算[4]

地面站天線對準目標衛(wèi)星所需的理論極化角為

3.4 地面站天線搜索算法設計

衛(wèi)星信號的搜索采用程序跟蹤的方法，將目標衛(wèi)星的軌道信息輸入天線控制器，利用GPS接收機測得地面站所在地的經(jīng)緯度信息。在天線控制器中進行姿態(tài)計算后得到天線對準目標衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角，然后驅動相應電機以實現(xiàn)對衛(wèi)星的搜索跟蹤。在對星的過程中，同時姿態(tài)傳感器不斷檢測天線波束的實際指向信息，得出天線實際角度和理論角度差值，天線控制器運算出輸出伺服電機的驅動信號，反復調整天線的方位、俯仰和極化方向，迫使天線最終指向衛(wèi)星。以俯仰系統(tǒng)為例。俯仰系統(tǒng)的電機驅動信號，是由安裝在天線下方的俯仰傾斜角傳感器感應獲取信號反饋給控制器，控制器判斷該角度信息與理論角度信息之間的差值，與信標接收機輸出的AGC電平值綜合計算，輸出控制指令給俯仰電機的驅動器，驅動天線轉動，反復多次的調整使差值不斷減小直至對準。如圖3所示。

圖3 俯仰系統(tǒng)轉動控制流程

3.5 天線跟蹤算法設計

經(jīng)過衛(wèi)星信號的搜索，天線進入能收到信號的范圍，但是收到的信號強度較弱，距離信號最強指向還有一定的角度差值。為了使信號接收效果達到最佳，需進入跟蹤狀態(tài)，進一步做天線指向的精對準。處于跟蹤狀態(tài)的天線控制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)步進跟蹤的方法，為做到精對準，電機每走一步天線轉過的角度相對于搜索階段應減小，這個通過細分驅動芯片來實現(xiàn)。方位和俯仰電機按照順序轉動一圈，電機每走一步，就比較此時信標接收機輸出的AGC電平與之前一次輸出的AGC電平的大小，如果AGC電平變大，則電機在同方向繼續(xù)走一步，反之，則改變跟蹤方向。轉動一圈后，衛(wèi)星信號就包含在這個圈內，然后再減小電機的步進角，繼續(xù)之前的方法跟蹤。如果在跟蹤幾圈后發(fā)現(xiàn)信標接收機輸出的AGC電平一直大于（或等于）跟蹤門限電平，則認為天線已經(jīng)對準衛(wèi)星，跟蹤過程結束，如圖4所示，在通信的過程中跟蹤是個動態(tài)過程。

圖4 閉環(huán)步進電機轉動控制圖

4 結束語

項目研究基于北京某研究所設計，學院生產(chǎn)制造的一款“平板便攜式衛(wèi)星通信終端”產(chǎn)品，通過該伺服系統(tǒng)對方位、俯仰和極化角的控制，精確實現(xiàn)了用戶端與衛(wèi)星端的通信鏈接，并進行衛(wèi)星通信試驗通信，達到了預期設計指標。本項目研究經(jīng)驗為整體項目的完成，打下了良好基礎，研究的成果，可以移植應用到需要精確定位的設備伺服系統(tǒng)之中，有良好的應用前景。

[1] 郭慶，王振永，顧學邁．衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010.6

[2] 趙海龍．便攜式衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)的設計與研究[D]．北華航天工業(yè)學院，2014

[3] 范麗娟．便攜式衛(wèi)星通信控制系統(tǒng)研究與設計[D]．南京理工大學，2010

[4] 王民，冉莉．便攜衛(wèi)星天線精確定位研究[J]．中國科學信息，2013(7):94

Algorithm Design of Servosystem for Flat Plate Portable Satellite Communication Terminal

Jiang Xiaojun1,2,Li Liangrong1
(1.Guizhou University,Guiyang,550025;2.Guizhou Aerospace Vocational and Technical College,Zunyi,563000)

The purpose of this paper is to study servosystem for Flat Plate Portable Satellite Communication Terminal.In this paper,we propose a longitude information of the latitude and longitude information and the target satellite,which is located at the location of the terminal equipment.Through the servo control of the antenna's elevation and azimuth of the terminal device to set up fast algorithm design stability of the satellite communication link.The azimuth and elevation of the antenna are adjusted automatically to make the antenna point to the target satellite,and the polarization angle is adjusted further.

Patch Antenna;Satellite Communication;Servo control;Beacon machine

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.003

TN927+.2，TN828.5 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）05-0009-03

姜孝均，男，1977年生，四川云陽人，講師，碩士，研究方向為電子與信息系統(tǒng)。

李良榮，男，1963年生，貴州遵義人，教授，研究方向為電路與系統(tǒng)、電磁場與微波技術、電子通信工程、電子信息工程。