潘青亮　苗曉峰　林柳夢(mèng)

摘 要：動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不間斷的實(shí)時(shí)通信的現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文介紹了一種新的伺服控制系統(tǒng)布局布線方法，將慣性器件固定在伺服機(jī)構(gòu)上，采用工業(yè)排線布局，節(jié)省了資源和空間。

關(guān)鍵詞：動(dòng)中通；衛(wèi)星通信；布局布線；慣導(dǎo)

1 動(dòng)中通系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)是移動(dòng)中的地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)，車輛、輪船、飛機(jī)等各種移動(dòng)載體，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中不間斷的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)的傳輸功能。

2 傳統(tǒng)動(dòng)中通伺服結(jié)構(gòu)

動(dòng)中通系統(tǒng)一般由天線系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)等組成。其中，穩(wěn)控系統(tǒng)通過(guò)羅盤、加表、傾角儀等敏感器件對(duì)載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行感應(yīng)和反饋，借助伺服系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的調(diào)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(dòng)中通系統(tǒng)的組成示意圖，其中常用的敏感系統(tǒng)一般為陀螺和加速度計(jì)等元器件（慣性導(dǎo)航原理）；控制系統(tǒng)一般采用微機(jī)或者單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)組成；監(jiān)控系統(tǒng)主要由角度編碼器及控制軟件構(gòu)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(tǒng)動(dòng)中通系統(tǒng)的原理，其中天線系統(tǒng)包括天線反射面及伺服控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)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(tǒng)系統(tǒng)中，這兩個(gè)部分是分開放置的，控制電腦可能放置在設(shè)備機(jī)柜中，而敏感系統(tǒng)會(huì)盡量靠近天線系統(tǒng)，以便能更真實(shí)更準(zhǔn)確的感應(yīng)天線的姿態(tài)變化情況。

敏感系統(tǒng)要求安裝平面與天線平面盡可能的平行，對(duì)安裝角度及安裝方式都有嚴(yán)格要求，需要特別注意。驅(qū)動(dòng)器位置擺放一般比較靈活，電機(jī)及編碼器一般要按照齒輪的具體安裝情況進(jìn)行布置。

整個(gè)伺服系統(tǒng)安裝在一整塊平板上，通過(guò)方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)平臺(tái)向期望的角度旋轉(zhuǎn)。這種情況下，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及編碼器都必須跟隨著天線的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

而慣性系統(tǒng)則固定在載體上，不隨天線系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。這種情況下，控制系統(tǒng)通過(guò)采集慣性系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)）以及天線系統(tǒng)的姿態(tài)角度，就可以計(jì)算出期望偏移角度，通過(guò)下發(fā)指令給伺服系統(tǒng)，完成系統(tǒng)跟蹤功能。

3 新的動(dòng)中通天線結(jié)構(gòu)

3.1 新的動(dòng)中通天線結(jié)構(gòu)

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(jī)，用戶通過(guò)該單元進(jìn)行人機(jī)交互處理；敏感單元即慣導(dǎo)系統(tǒng)，被安置在天線部分，跟隨天線系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)；伺服單元包括驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，通過(guò)齒輪帶動(dòng)平臺(tái)部分旋轉(zhuǎn)到指定的角度，隨著天線面一起運(yùn)動(dòng)。

與傳統(tǒng)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(tǒng)）安裝在天線伺服機(jī)構(gòu)平臺(tái)上，要求敏感系統(tǒng)隨著天線平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這就大大提升了動(dòng)中通天線系統(tǒng)的集成度，使得系統(tǒng)對(duì)外更加獨(dú)立，更加健全。

3.2 新的動(dòng)中通天線原理

新方案中，將敏感元器件安裝在天線平臺(tái)上，使得慣導(dǎo)隨著天線的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣天線系統(tǒng)對(duì)外只有一個(gè)上位機(jī)人機(jī)交互界面，增加了系統(tǒng)的集成度。系統(tǒng)開始工作時(shí)，敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）將感應(yīng)到的當(dāng)前天線的姿態(tài)情況反饋給上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)根據(jù)用戶需求，結(jié)合天線姿態(tài)信息，計(jì)算出天線需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度情況，指導(dǎo)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)去執(zhí)行。同時(shí)，敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）不斷的對(duì)天線的實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與上報(bào)，使得伺服系統(tǒng)不斷的對(duì)天線姿態(tài)角度進(jìn)行修正，使其始終指向衛(wèi)星方向，不至于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)丟星、掉線現(xiàn)象。

3.3 新的動(dòng)中通天線布線

傳統(tǒng)布線過(guò)程中，要將天線部分的所有電源線及信號(hào)線通過(guò)滑環(huán)系統(tǒng)傳遞到控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及慣導(dǎo)系統(tǒng)，需要較多線數(shù)的滑環(huán)，價(jià)格比較昂貴。

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

傳統(tǒng)系統(tǒng)中，敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）相對(duì)于車體是固定不動(dòng)的，可以認(rèn)為敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）安裝在車體坐標(biāo)系中且二者的相對(duì)位置不變，在計(jì)算天線對(duì)星角度時(shí)，可以直接進(jìn)行坐標(biāo)變換。

但在新的系統(tǒng)中，由于慣導(dǎo)作為敏感元器件被放置在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的天線平面上，隨著天線本身相對(duì)于車體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，故原來(lái)慣導(dǎo)中對(duì)星及跟蹤算法就不再合適了，還必須考慮慣導(dǎo)本身在車體坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)情況。

新算法首先完成當(dāng)前天線姿態(tài)角的記錄工作；其次根據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星坐標(biāo)值，計(jì)算期望旋轉(zhuǎn)角度；再次根據(jù)慣性器件反饋過(guò)來(lái) 天線角度變化數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)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(dǎo)系統(tǒng)）安裝在天線部分，隨著天線面的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就使得整個(gè)平臺(tái)部分體積大為減少，所有伺服系統(tǒng)都能放置在天線罩中，節(jié)省了更多空間，同時(shí)也使得系統(tǒng)的集成度更高，獨(dú)立性更高，受外界影響更小。

4.2 可靠性

敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）固定在天線部分，緊隨天線系統(tǒng)，天線的運(yùn)動(dòng)軌跡及方式能夠真實(shí)完整的被其感應(yīng)和記錄，進(jìn)而能夠給上位機(jī)一個(gè)更準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。同時(shí)由于縮短了信號(hào)控制線路，有效的避免外界信號(hào)對(duì)天線編碼器的干擾，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

4.3 規(guī)范化

將敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）放置在天線上，就能直接連接敏感元器件到驅(qū)動(dòng)器及編碼器的線纜，布線方式更加便捷，采用標(biāo)準(zhǔn)排線方式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)更加整齊便捷。

4.4 經(jīng)濟(jì)性

滑環(huán)的價(jià)格跟線數(shù)有著密切的關(guān)系，線數(shù)越多，價(jià)格越貴，故能盡可能的減少出局的線數(shù)就能更經(jīng)濟(jì)的壓縮成本。相比原先敏感元器件（慣導(dǎo)系統(tǒng)）放在天線外面需要額外滑環(huán)的線數(shù)，新的方案減少了大部分滑環(huán)線數(shù)，節(jié)省了開支。

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)兩種不同天線結(jié)構(gòu)的分析與比較，從中可以明顯看出來(lái)，無(wú)論是從整體規(guī)劃、設(shè)備通信還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)分析，新的天線雖然會(huì)在上位機(jī)軟件里面增加一點(diǎn)復(fù)雜度，但是整體看來(lái)，還是會(huì)在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)性等方面更具優(yōu)勢(shì)，特別在大批量投產(chǎn)情況下，效果會(huì)更加明顯。

本文為后續(xù)動(dòng)中通天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作提供了一定的參考依據(jù)。

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