景丹玉，韓 剛

（91917部隊，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，北京 102400）

在進行衛(wèi)星通信過程中，天線的快速、準確、精密、穩(wěn)定將會直接決定其通信質量的高低，因此需要采取措施構建一個安全、可靠、穩(wěn)定的通信鏈路，以確保其通信過程的順利進行。文章對衛(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)學模型

1 衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)簡介

1.1 衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)的工作原理

在進行衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)設計過程中，要按照星載計算機預先設定的天線轉向命令，來使兩個方向天線轉向設定的位置，從而進行數(shù)據(jù)傳輸任務。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)字電視以及一些個人通信業(yè)務。以Ku頻段的機載衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)為例，它可以高精度的快速、準確的實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的校正，構建安全、穩(wěn)定的持續(xù)信號輸出鏈路，以實現(xiàn)通信服務。天線平臺和伺服平臺是雙系統(tǒng)的兩種平臺體制，后者具有兩個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。與單平臺的設計方案相比，上述結構的設計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，分別是伺服電動機、限位開關、角度傳感器、伺服控制器、測速電動機、PWM伺服控制驅動器、減速器等。在伺服控制器系統(tǒng)中，俯仰和方位以對星開始，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)來對計算機和衛(wèi)星實現(xiàn)控制，并實時監(jiān)測天線載機的飛行狀態(tài)，以準確的得出俯仰的角度、天線的方位等信息，通過坐標換算可以得到相應的載體坐標系角度，最后借助一定的手段進行方位閉環(huán)的調整，可以使天線準確對準衛(wèi)星，從而有效的實現(xiàn)衛(wèi)星通信。

1.2 伺服電機的特點

伺服電機屬于衛(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)預先設定好的程序進來控制機械的轉動。伺服電機一般是通過將輸入電壓轉化為矩和速度，從而控制著天線的正常轉動。伺服電機性能的好壞將會直接決定衛(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)星的響應速度等功能。在衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)中，伺服電機通常會選用交流伺服電機、直流伺服電機、步進電機等。其中直流伺服電機具有噪音小、運行平穩(wěn)等特點，但是機械中的交流電機轉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進行對比發(fā)現(xiàn)，交流伺服電機具有相對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具有過載能力大、低速力矩大、轉動慣量小、波動小、體積小、調速范圍寬、運行穩(wěn)定、噪音小、效率高、可控變壓范圍大、頻率可調。此類直流電機可應用于絕大多數(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)中，適用于要求嚴苛的環(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)，具有強耦合、多變量且內部關系復雜等特點，借助一定的手段構建一個合理的數(shù)學模型不僅可以對系統(tǒng)的運動規(guī)律和內部變量間的相互關系進行詳細的刻畫，而且還能夠通過模型來對其系統(tǒng)動態(tài)特性進行細致地了解和掌握，從而為后續(xù)工作的開展奠定良好的基礎。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)為內置環(huán)。速度環(huán)的方位校正、速度的調節(jié)一般是由PWM功放中集成的模擬控制器來控制和進行的，位置環(huán)的控制通常是由預先設計好的控制器進行控制的。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)為內環(huán)，這樣一來就組成了一個相對封閉的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其不僅可以有效地發(fā)揮內環(huán)的性能，而且還能具備良好的抗干擾性和隨動性，以確保外環(huán)能夠實現(xiàn)快速性和定位的準確性。

2.2 伺服控制系統(tǒng)主程序的設計流程圖

衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)要想穩(wěn)定運行，需要保證主程序系統(tǒng)的各功能模塊有機地結合在一起，成為一個強大的集通信、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)通過初始化載入一些數(shù)據(jù)，然后進行方位和俯仰參數(shù)的清零，然后工作模式，選擇合適的工作路徑來針對不同的客戶需求。當收到退出指令時則需要判斷是否還要進行下一步，如果是則返回，保存設置好的參數(shù)。反之，則需要再次存儲參數(shù)載入，然后采集軸角以及俯仰的角度和調速，經(jīng)過計算機控制、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 結束語

對衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)結構和原理進行科學分析，且對系統(tǒng)的各個相關元器件進行詳細的描述，做出雙閉環(huán)位置回路的數(shù)學模型，實現(xiàn)系統(tǒng)全方位的分析，使得系統(tǒng)達到最優(yōu)的通信質量。

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