郎杰 陸正文

（桂林長海發(fā)展有限責任公司 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541001）

隨著我國遠洋船舶的迅速發(fā)展，船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備已成為民用和商用船舶的常規(guī)配置。衛(wèi)星電視基于無線傳輸電視節(jié)目、自動跟蹤衛(wèi)星，不受船舶航行、搖晃影響，船舶距離遠、信號覆蓋廣等因素，目前越來越受到重視[1]。本文介紹了一種先進實用的船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)，利用三軸穩(wěn)定、兩軸跟蹤伺服系統(tǒng)自動尋星和跟蹤衛(wèi)星，克服了艦船橫搖、縱搖和艏搖的影響，保證電視接收信號的穩(wěn)定連續(xù)性。

1 總體方案

船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)主要由天線伺服控制單元和伺服傳動單元兩部分組成，組成框圖如圖1所示。

天線伺服控制單元主要由主控處理器、陀螺儀、傾角傳感器、北斗定位模塊、電機驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)檢波模塊、調(diào)諧器等組成。伺服傳動單元主要由電機、同步帶減速器等組成。天線終端控制與天線伺服控制采用單軸同軸線連接。同軸線傳輸DC 24V，伺服控制數(shù)據(jù)及高頻衛(wèi)星電視信號。系統(tǒng)開機后，天線伺服控制依次完成天線初始化、搜星和跟蹤過程。同時，伺服控制需完成與終端數(shù)據(jù)交互換星功能。

2 主要單元技術(shù)實現(xiàn)

2.1 控制處理器及驅(qū)動

控制芯片采用32為DSP處理器，其整合了DSP和微控制器的最佳特性，其具有豐富的數(shù)字輸入輸出口、通信口、專用電機控制PWM輸出口等。該DSP提供的外設(shè)資源（如事件管理器，AD轉(zhuǎn)換器等）主要針對控制領(lǐng)域設(shè)計，因此，采用該DSP實現(xiàn)運動控制能充分發(fā)揮其特性。伺服電機采用步進電機，驅(qū)動芯片選用集成步進驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片64細分可實現(xiàn)伺服的精細轉(zhuǎn)動。

2.2 調(diào)諧器(信標機)

每個地球同步衛(wèi)星都有自己固定的信標頻率與信標強度，用于區(qū)分不同的衛(wèi)星。通常，信標機是一個由下變頻器、鎖相環(huán)路以及自動增益控制電路所組成的鎖相式接收機，它能夠消除因信標頻率漂移而引起解調(diào)后信標電平的起伏，從而使信標接收機的輸出直流電壓（AGC）真實地反映衛(wèi)星信號強度。伺服控制單元通過檢測AGC的電平變化，實時控制天線對準衛(wèi)星。

2.3 陀螺儀

艦船衛(wèi)星電視接收控制系統(tǒng)的方位、俯仰和橫滾系統(tǒng)的控制回路中，采用的主要傳感器都是陀螺儀。陀螺儀用以感測天線運動角速度，進而控制所天線的姿態(tài)，它輸出的是角速度值，再進行時間上的積分就是角度值了。本系統(tǒng)采用的陀螺儀為微機械原理陀螺儀，內(nèi)部的硅素超微精密環(huán)型傳感技術(shù)使其具有高性能、防水、抗振動、質(zhì)量輕、防電磁干擾等特性，不間斷機內(nèi)自檢技術(shù)、濾波算法解決

圖1：伺服分系統(tǒng)組成框圖

了陀螺儀由于周圍噪聲或震動干擾源對其數(shù)據(jù)的影響。

2.4 北斗定位

在艦船移動衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中，定位設(shè)備用來確定初始對星時載體的當?shù)氐乩碜鴺耍ń?jīng)度、緯度），設(shè)計中選用北斗兼容模塊芯片，外置接收天線。伺服控制單元實時接收定位信息，通過衛(wèi)星天線當前經(jīng)緯信息及需跟蹤星衛(wèi)星經(jīng)度，實時計算衛(wèi)星天線的俯仰角、方位角和極化角，發(fā)生變化實時調(diào)整，保證艦船航行過程中衛(wèi)星天線不丟星及接收到的信號質(zhì)量(極化角影響信號質(zhì)量)不減弱。

2.5 傾角傳感器

傾角傳感器在系統(tǒng)中的作用主要有兩個，一是對俯仰角和橫滾角進行水平初始化，二是定時補償陀螺儀的溫漂。數(shù)字雙軸傾角傳感器作為水平敏感元件，其內(nèi)部是通過測量靜態(tài)重力加速度變化，轉(zhuǎn)換成傾角變化，測量輸出傳感器相對水平面的傾斜和俯仰角度。

2.6 數(shù)據(jù)檢波模塊

數(shù)據(jù)檢波模塊完成將單根同軸線上直流電源、RF信號及22kHz載波信號分離，從22kHz載波上分離控制指令，同時將反饋數(shù)據(jù)載波到22kHz上對外傳輸。傳輸協(xié)議遵守DiSEqC 2.0規(guī)范。電源、數(shù)據(jù)及RF信號三者之間互不干擾。

3 工作原理

3.1 天線初始化

船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)對所有外設(shè)依次自檢，同時從內(nèi)部FALSH中讀取搜星的基本參數(shù)，根據(jù)北斗給出的天線所在位置的經(jīng)緯度和需要搜索衛(wèi)星的經(jīng)度，計算出天線對準衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角。根據(jù)極化方式及極化角驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動到計算出的極化角位置，伺服控制根據(jù)傾角傳感器數(shù)據(jù)將橫滾軸調(diào)平并將俯仰軸轉(zhuǎn)動到對星的俯仰角位置，隨后天線進入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。方位、俯仰及橫滾軸根據(jù)陀螺檢測數(shù)據(jù)實時克服載體搖擺。

3.2 搜星

初始化完成后，伺服控制單元進入搜星工作狀態(tài)。此時，伺服控制單元首先對信標機（調(diào)諧器）中檢波頻率及符號率配置，以便可以檢測信號強度AGC。若存在羅經(jīng)數(shù)據(jù)，控制終端將羅經(jīng)數(shù)據(jù)傳給伺服控制單元，方位電機直接轉(zhuǎn)動到對星的方位角位置，否則方位進行圓掃一周尋找最大AGC位置，最大AGC位置即對星的方位角位置。在對星方位角及俯仰角位置為中心，方位±3度，俯仰±3度進行螺旋轉(zhuǎn)動尋找最強AGC值，然后天線轉(zhuǎn)動到最強AGC值的位置。天線搜星程序流程如圖2所示。

3.3 衛(wèi)星跟蹤

天線進入跟蹤狀態(tài)后，方位、俯仰及橫滾軸實時克服載體搖擺以保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，錐掃電機開始工作，根據(jù)AGC的變化實時調(diào)節(jié)天線的方位軸及俯仰軸，使AGC值一直保持最大且穩(wěn)定。若AGC值偏離門限，則結(jié)束跟蹤轉(zhuǎn)入搜星狀態(tài)。衛(wèi)星跟蹤程序流程如圖3所示。

3.4 數(shù)據(jù)交互及換星操作

天線伺服控制實時將衛(wèi)星天線運行狀態(tài)信息傳回控制終端，控制終端完成人機交互顯示。同時在有羅經(jīng)的情況下，控制終端將羅經(jīng)角度實時傳輸給天線伺服控制。

當有換星要求時，控制終端將所需搜索的衛(wèi)星參數(shù)（極化方式、衛(wèi)星經(jīng)度、本振、下行頻率、符號率）傳輸給天線伺服控制。伺服控制將衛(wèi)星參數(shù)保存在內(nèi)部FALSE內(nèi)，結(jié)束當前工作狀態(tài)，隨后重新調(diào)用初始化程序。保存衛(wèi)星參數(shù)便于下次開機自動跟蹤。

3.5 圓錐掃描原理

本系統(tǒng)采用圓錐掃描方式實現(xiàn)天線的精對準。圓錐掃描是指依靠饋源喇叭繞對稱軸作圓周運動或副反射面旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)射束。副反射面傾斜旋轉(zhuǎn)，可以使天線波束圍繞旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率（該頻率就是旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)頻率）呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。當衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸方向時，接收信號是被波束旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制了的信號，調(diào)制的幅度和相位分別取決于衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸的大小和方向。信標接收機檢測出該調(diào)制信號并用波束旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的正交基準信號對檢出的調(diào)制信號進行方位、俯仰相敏解調(diào)，解調(diào)出的直流誤差信號（AGC）控制天線向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動，直到檢測出的調(diào)制信號為最小。

3.6 平臺穩(wěn)定工作原理

系統(tǒng)設(shè)計采用三軸框架式設(shè)計，以保證最大程序解耦，達到簡化控制的目的。天線的方位、俯仰、橫滾三個轉(zhuǎn)動軸兩兩相互垂直，橫滾轉(zhuǎn)動軸平行于天線底座，方位轉(zhuǎn)動軸垂直于天線底座，俯仰轉(zhuǎn)動軸的狀態(tài)受橫滾電機驅(qū)動的影響。橫滾陀螺安裝在天線轉(zhuǎn)動架上，其角速度感應(yīng)軸線平行于天線的橫滾轉(zhuǎn)動軸；俯仰陀螺安裝在天線橫梁上，其角速度感應(yīng)軸平等于天線的俯仰轉(zhuǎn)動軸；方位陀螺安裝在天線轉(zhuǎn)動架上，其角速度感應(yīng)軸平行于方位電機轉(zhuǎn)動軸。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定的快速性和穩(wěn)定精度，選用了空間角速度傳感器與空間絕對位置傳感器相結(jié)合的傳感方式。依靠角速度陀螺的響應(yīng)實時補償、利于傾角傳感器作為穩(wěn)定基準克服系統(tǒng)偏差。

圖2：搜星程序流程

圖3：跟蹤程序流程

4 結(jié)論

試驗表明，船用衛(wèi)星電視接收設(shè)備伺服跟蹤系統(tǒng)能穩(wěn)定高可靠的工作，不受船舶航行、搖晃影響，提高了衛(wèi)星電視接收設(shè)備的跟蹤速度，后續(xù)可對系統(tǒng)的前置反饋、閉環(huán)控制等算法進行改進，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊PID算法等提高控制精度的算法應(yīng)用到設(shè)計中。