便攜站天線自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栗 方,翟 靜

(1.南陽師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 南陽 473061；2.南陽師范學(xué)院 國際教育學(xué)院，河南 南陽 473061)

0 引言

我國是一個(gè)地震、洪災(zāi)、雪災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生，通信中斷時(shí)，如何確保災(zāi)情能快速準(zhǔn)確地傳遞出來，有效傳達(dá)搶險(xiǎn)救災(zāi)決策，快速建立與災(zāi)區(qū)穩(wěn)定可靠的通信通道是關(guān)鍵。在這種情況下便攜站就能發(fā)揮應(yīng)有的作用，通過快速地與衛(wèi)星建立鏈接，實(shí)時(shí)地把災(zāi)區(qū)的視頻、語音數(shù)據(jù)信息傳遞出來，為救災(zāi)指揮提供保障，有效提高處理突發(fā)事件的能力[1-2]。

國外便攜站研究時(shí)間早，成熟產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，但是產(chǎn)品價(jià)格高，不易推廣。國內(nèi)近年來便攜站研究發(fā)展迅速，占據(jù)了一定市場[3]。但現(xiàn)有的便攜站普遍存在重量重、集成度不高、對(duì)星速度慢等特點(diǎn)[4]。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)品重、攜帶不方便問題，采用比較輕的碳纖維復(fù)合材料制作的可拆卸拋物面天線面，俯仰機(jī)構(gòu)采用俯仰電動(dòng)推桿，通過此一系列的減重措施，使得便攜站總重量小于25 kg，便于攜帶；針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品集成度不高、對(duì)星慢等問題，本控制系統(tǒng)采用嵌入式控制軟件，程序跟蹤和步進(jìn)跟蹤相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)便攜站快速、精確的全自動(dòng)一鍵對(duì)星[5-7]。

1 便攜站控制系統(tǒng)構(gòu)架

本文基于等效口徑1 m的Ku頻段天線為設(shè)計(jì)對(duì)象，該便攜站控制系統(tǒng)分為主控制模塊和操控模塊2個(gè)模塊。2個(gè)模塊之間通過CAN總線進(jìn)行通信。主控模塊主要完成便攜站的方位、俯仰、極化控制以及信標(biāo)接收機(jī)、GPS、傾角儀等傳感器數(shù)據(jù)的讀取處理，操控模塊完成便攜站的調(diào)試、換星和遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)[8-10]。1 m便攜站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1 m便攜站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 便攜站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 俯仰軸控制設(shè)計(jì)

俯仰軸通過俯仰角度位移傳感器來確定俯仰軸的位置信息，然后通過俯仰軸電動(dòng)推桿推動(dòng)天線面到相應(yīng)的俯仰角度。俯仰軸擺動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 俯仰軸擺動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)

圖2中，2為俯仰電動(dòng)推桿，3為滑塊，L3為滑塊的最大運(yùn)動(dòng)長度，L4為滑塊安裝的位置尺寸，θ為俯仰角度，其初始理論角度為θ0。

L1，L2，L34組成一個(gè)初始三角形，它由初始理論角度θ0決定。在以后的天線調(diào)整過程中，通過L2長度的變化來調(diào)整俯仰角度。

俯仰角度θ和電動(dòng)推桿L2的關(guān)系如下：

L22=L12+L342-2L1L34cos(1800-θ0)=

L12+L342+2L1L34cosθ0,

俯仰角度控制如圖3所示。

圖3 俯仰角度控制

俯仰軸角度檢測和電機(jī)控制電動(dòng)推桿之間是非線性關(guān)系，需要不斷地進(jìn)行俯仰角度測量，調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿的長度，實(shí)現(xiàn)俯仰角度的精確控制。

俯仰角度位移傳感器采用天津諾沃泰克自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RFC4801角度傳感器，該傳感器通過感知磁塊磁場方向變化，來確定需要測量的角度。通常情況，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有磁塊，轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起磁場方向改變，該變化被傳感器集成電路采集，經(jīng)過內(nèi)部處理器處理計(jì)算得出模擬量的角度信號(hào)輸出。該傳感器分辨率高，容易安裝，滿足設(shè)計(jì)俯仰角度要求。

2.2 方位軸控制設(shè)計(jì)

方位軸控制采用了方位傳感器加步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，通過讀取方位角度位移傳感器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)方位步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度位置[11-13]。

方位角度位移傳感器同樣采用天津諾沃泰克自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RFC4801角度傳感器，方位電機(jī)采用減速永磁步進(jìn)電機(jī)50BYJ，額定電壓12 V，相數(shù)2相，齒輪減速比1∶25，步距角3.75/25。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用上海優(yōu)愛寶智能機(jī)器人科技股份有限公司生產(chǎn)的UIM24102微型步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用RS232串行通信接口與主處理連接，通過指令控制驅(qū)動(dòng)器工作。

2.3 極化軸控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)開關(guān)來尋找極化測量的起始點(diǎn)，然后通過步進(jìn)電機(jī)控制來計(jì)算極化角度。上電后，極化軸總是朝零點(diǎn)開關(guān)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，零點(diǎn)信號(hào)有效后，極化軸停，找到測試基準(zhǔn)，確定基準(zhǔn)角度。以后就利用步進(jìn)電機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)換算極化角度。

3 便攜站操控模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)操控模塊采用基于CAN總線的分布式控制。主要完成衛(wèi)星天線參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控等功能[14-15]。本系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)波特率設(shè)定為512 kbps，主控制CPU模塊和監(jiān)控保護(hù)分配不同的ID地址，定義CAN的數(shù)據(jù)格式，如目標(biāo)地址0x05，標(biāo)識(shí)符0x60，0x60，命令號(hào)0x52，數(shù)據(jù)內(nèi)容4 Byte(1，2 Byte衛(wèi)星經(jīng)度；3，4 Byte衛(wèi)星維度)。操控模塊界面如圖4示。

圖4 操控模塊界面圖

4 便攜站控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜站控制系統(tǒng)軟件主要涉及系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)星功能，本系統(tǒng)采用程序跟蹤和步進(jìn)跟蹤相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)便攜站的快速精確鎖定衛(wèi)星。

程序跟蹤：設(shè)定目標(biāo)衛(wèi)星的信息。系統(tǒng)通過讀取GPS經(jīng)緯度信息，根據(jù)以下公式自動(dòng)計(jì)算天線的理論俯仰角、方位角和極化角，同時(shí)驅(qū)動(dòng)方位、俯仰和極化電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤，衛(wèi)星天線進(jìn)行粗對(duì)星[16-18]。

式中，γ為天線方位角；δ為天線俯仰角；ε為天線極化角；φ為衛(wèi)星經(jīng)度；α為便攜站經(jīng)度；θ為便攜站維度；地球半徑r=6 371 km；同步軌道衛(wèi)星半徑R=42 218 km。

步進(jìn)跟蹤：便攜站粗對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星后再采用步進(jìn)跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的精準(zhǔn)對(duì)星。通過信標(biāo)接收機(jī)接收到的電平值A(chǔ)GC判斷是否對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，使天線在一定的方位角和俯仰角范圍內(nèi)精密地調(diào)整天線方位角和俯仰角，AGC電平值不變，天線不動(dòng)，如果AGC電平值增加了，則天線沿著原來的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度，反之天線沿著相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度，方位角和俯仰角方向交替轉(zhuǎn)動(dòng)，最終天線精確鎖定目標(biāo)衛(wèi)星?？刂葡到y(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 便攜站控制系統(tǒng)流程

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用炭纖維復(fù)合材料的可拆卸天線面及電動(dòng)推桿作為俯仰軸設(shè)計(jì)，大大減輕了便攜站的重量，便于攜帶，也提高了俯仰角精確度。同時(shí)采用嵌入式軟件開發(fā)方式，使得便攜站具有一鍵自動(dòng)對(duì)星功能，尋星過程中程序跟蹤和步進(jìn)跟蹤相結(jié)合，能夠在2 min內(nèi)快速、精確地鎖定目標(biāo)衛(wèi)星，不論地點(diǎn)和環(huán)境，對(duì)星成功率高，主控制模塊和操作模塊之間通過CAN總線控制連接，使得便攜站操作簡單、便捷，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，便于應(yīng)用。