唐魏興

（石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛(wèi)星通信方式主要是使用中低軌道的衛(wèi)星作為連接站，接收周邊地區(qū)的語音信息，然后將這些信息傳送給相應的接收者。隨著衛(wèi)星通信的持續(xù)進步，衛(wèi)星不僅具備基本的語音通信功能，且具備全球性的通信功能。此外，由此產生的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）已成為人們日常生活和各個行業(yè)發(fā)展的關鍵技術，尤其在軍事、工業(yè)和交通等領域產生了巨大的影響[1]。伺服控制系統(tǒng)是機載衛(wèi)星運作中的關鍵部分，可以確保地面目標和機載衛(wèi)星的實時聯(lián)絡，對該系統(tǒng)的研究有助于推動衛(wèi)星通信的進步。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常包括通信衛(wèi)星、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、監(jiān)督管理分系統(tǒng)。

1.1.1 通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星主要包含通信設備、遠程操縱設備、管理設備以及電源設備（如太陽能電池和蓄電池）。其中，通信設備是通信衛(wèi)星的核心，由1 個或更多的傳輸設備組成。這些設備可以同步接收并傳輸來自不同地理位置的信息，起到傳輸站的作用。

1.1.2 通信地球站分系統(tǒng)

在通信地球站分系統(tǒng)中，微波無線電收發(fā)信站的作用是讓用戶能夠連接到衛(wèi)星線路，從而實現(xiàn)通信。

1.1.3 跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)

遙測跟蹤和指令分系統(tǒng)的主要職責是追蹤測量衛(wèi)星，以確保其精確地進入靜止軌道的預定位置。在衛(wèi)星正常運作后，需要定期對其進行軌道位置的調整和姿態(tài)的維持。

1.1.4 監(jiān)控管理分系統(tǒng)

監(jiān)督管理部門的職責是在業(yè)務啟動之初和業(yè)務啟動之后，評估并調整特定衛(wèi)星的通信效果。例如，審查衛(wèi)星轉換器的功率、衛(wèi)星的天線增益，以及每個地面站的發(fā)射功率、射頻的頻率、帶寬等關鍵通信指標，從而確保其能夠正常通信[2]。

1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點

衛(wèi)星通信具有以下4 個特點：第一，覆蓋區(qū)域大，通信距離遠。1 顆地球同步衛(wèi)星就能覆蓋整個地球的1/3，因此只需3 顆合適的地球同步衛(wèi)星，就能完成全球范圍內除兩極之外的通信。第二，具有多址連接功能。所有衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內的地球站都能通過同一衛(wèi)星進行互相連接，即多址連接。此外，地球站的建立并不受地理環(huán)境限制，可以在偏遠的地方、島嶼、汽車、飛機及艦艇上建立。第三，頻段寬、容量大。微波頻段被用于衛(wèi)星通信，每個衛(wèi)星都可以配備多個轉發(fā)器，因此其通信容量非常大。第四，質量好、可靠性高。衛(wèi)星通信的電磁波大部分是在無人區(qū)域內進行的，其噪聲較低且通信品質優(yōu)秀。從穩(wěn)定性的角度來看，衛(wèi)星通信的穩(wěn)定工作頻率超過99.8%。

2 衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)的設計

2.1 數(shù)學模型的建立

伺服控制系統(tǒng)的主要功能是通過算法程序來執(zhí)行自動化操作，屬于非線性系統(tǒng)。其內部關系極為復雜，需要多個變量協(xié)同工作，并采用強耦合的方法來構建線性關系。因此，在創(chuàng)建數(shù)學模型的過程中，必須深度剖析系統(tǒng)的運動狀況，并將系統(tǒng)的運動規(guī)則與算法的變量建立線性關系。同時，了解伺服系統(tǒng)的全面動態(tài)模型和相關數(shù)據(jù)，構建相關的函數(shù)關系和數(shù)學模型，為系統(tǒng)設計奠定基礎[3]。

2.2 硬件結構的設計

構建伺服系統(tǒng)的操作框架，為伺服電機的連接提供可能。該系統(tǒng)的核心構造包括伺服控制器、電源、軸角解碼器以及限位檢測開關，這些硬件的結合有助于相應的程序與算法在硬件中進行準確的操作。為確保伺服系統(tǒng)能夠順利運行，就必須依照具體的環(huán)境來挑選合適的控制芯片?？刂菩酒粌H是伺服控制器電路的關鍵部分，還是構成整個伺服系統(tǒng)的關鍵硬件設備?？刂菩酒軌蛲ㄟ^其內部的儲存功能和對程序的控制，來完成預設的控制任務，從而使伺服控制器能夠按照設計好的算法進行自動控制。位移檢測電路的職責是確保所有旋轉部分都可以在預定的區(qū)域執(zhí)行操作，因此必須在伺服系統(tǒng)中安排一些位移開關。位移開關的狀況直接決定位移檢測電路的計算，能夠利用軟件來執(zhí)行全系統(tǒng)的位移操作。

在構建電源電路的過程中，需要配備適當?shù)乃欧姍C來提供電力，確保電機的電流和電壓處于系統(tǒng)能承受的范圍之內，同時借助適當?shù)姆€(wěn)壓器來確保電源電路的電流和電壓供應充分穩(wěn)定。系統(tǒng)的電壓和電流在實際運行中的數(shù)值會有所差異，因此需要使用穩(wěn)壓器來實時調節(jié)電流和電壓。在電源電路中，穩(wěn)壓器的輸出精度必須足夠高，且能夠對系統(tǒng)提供保護，確保電源的正常供應[4]。此外，需要利用差分放大器來管理電壓信號。當電源電路輸出正電壓時，電機會向正方向旋轉；如果電壓信號的絕對值較大，電機就會向反方向旋轉。采用一種具有高效率的內部補償運算放大器，可以通過降低功耗實現(xiàn)對電壓電路的補償，且能夠迅速斷開保護電源電路。

2.3 主程序的設計流程

為確保伺服系統(tǒng)的正常運行，需要通過精密的算法來進行控制，即對主程序進行復雜的設計流程。這樣才能確保系統(tǒng)內的各個功能和各個部分能夠協(xié)同工作，保證衛(wèi)星系統(tǒng)的特定任務能夠順利完成。輸入相關數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行篩選和調整，并依據(jù)需求選擇最適合的頻段，以便在不同的需求下找到最優(yōu)的工作路徑。同時，系統(tǒng)需要通過相應的算法來清除伺服控制系統(tǒng)的相關參數(shù)，及時歸零衛(wèi)星天線的位置和參數(shù)。在修改和儲存待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，使用其他算法來生成相應的指令，并根據(jù)這些指令決定是否執(zhí)行下一步操作。一旦確定下一步操作需要執(zhí)行，就要根據(jù)數(shù)據(jù)和頻段重新載入相關參數(shù)，計算預設的角度，并根據(jù)這個角度來設定相應的運動。在獲取相應的參數(shù)后，伺服系統(tǒng)會根據(jù)角度調整電路的輸出狀態(tài)。伺服電機的直流狀態(tài)能夠產生正負電壓，以確保能夠執(zhí)行相關任務，常見的電壓狀態(tài)包括+3.3 V 和±15 V 等。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中天線與伺服控制技術的能耗分析

3.1 天線與伺服控制技術的能耗分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線是接收和發(fā)送信號的主要設備之一，但能耗較高。因此，如何降低天線的能耗已經成為當前研究的重要方向。在實際應用中，天線的能耗主要來自2 個方面：一是發(fā)射功率的影響；二是天線本身的設計和制造工藝對能耗的影響。其中，發(fā)射功率是最為顯著的因素之一。當天線需要向遠距離的目標發(fā)射信號時，發(fā)射功率會隨著距離的增加而增大。同時，天線自身的設計會影響其能耗。例如，采用低質量材料制作的天線通常會產生較大的損耗率，從而導致更高的能耗。因此，要實現(xiàn)節(jié)能降耗，必須采取有效的措施來減少天線的能耗。

除天線，伺服控制也是一個重要的能耗因素。伺服控制指通過調節(jié)電機位置或速度來達到某種目的的技術手段。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，伺服控制主要用于調整天線的方向和傾角，以保證信號的質量和覆蓋范圍。但是這種技術存在一定的能源消耗問題，如何提高伺服控制的效率并減小其能耗成為當前的研究熱點之一。

3.2 天線與伺服控制技術的能耗模型

傳統(tǒng)的天線結構往往存在較大的功率損耗問題，不利于提高系統(tǒng)的效率并降低成本。近年來出現(xiàn)許多新型的天線結構設計方法，如基于多饋源的天線和可調諧天線等。這些新的設計方法可以有效降低天線的功率損耗，從而提高系統(tǒng)的性能。同時，伺服控制技術廣泛應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過調解天線和伺服控制器之間的反饋關系，可以實現(xiàn)更加精確的信號傳輸和更高的信噪比。但是，這種技術需要消耗一定的能量來完成工作。如何合理地利用天線和伺服控制技術，以達到最優(yōu)的能耗效果成為當前的研究熱點之一[5]。

4 天線與伺服控制技術在衛(wèi)星通信中的能耗優(yōu)化

4.1 天線單元能耗優(yōu)化

4.1.1 結構的優(yōu)化

衛(wèi)星天線的結構設計很關鍵。一般來說，結構越簡單，天線的承載性能就越好，信號傳輸能力越強。

4.1.2 照明電源的優(yōu)化

為保持天線的正常使用，應控制照明電源的能耗。如果功耗太大，可能會對天線的工作產生影響。因此，在設計時應考慮照明電源的能效問題。

4.1.3 射頻設計的優(yōu)化

射頻安全是天線優(yōu)化設計的關鍵因素之一，應確保射頻信號傳輸和接收的穩(wěn)定性，對天線進行抗干擾設計。

4.1.4 天線兼容性的優(yōu)化

在設計中應同步考慮天線的兼容性。互動效果好的天線與衛(wèi)星之間可建立更可靠的通信網絡，提高通信效率。

4.2 伺服控制單元能耗優(yōu)化

第一，選擇高效的伺服驅動器。第二，優(yōu)化運動控制算法。第三，使用能量回收系統(tǒng)，將制動能量轉化為電能并存儲起來，以供后續(xù)使用。第四，優(yōu)化傳動系統(tǒng)。選擇高效的傳動系統(tǒng)，如直線電機和無級變速器等，同時定期檢查和維護傳動系統(tǒng)，以確保其正常運行。第五，使用節(jié)能設備，如低功耗伺服電機、高效能耗的傳感器等。第六，定期維護和檢查伺服系統(tǒng)，確保其正常運行。

4.3 天線單元與伺服控制單元聯(lián)合能耗優(yōu)化

4.3.1 基于聚類的能耗模型優(yōu)化方案

在構建能源消耗模型和優(yōu)化能效的過程中，首先要選擇適當?shù)木垲愃惴ǎ黄浯握{整參數(shù)以實現(xiàn)對收集數(shù)據(jù)的類別劃分；最后挑選各類別的中心，為研究基礎探索能效優(yōu)化的策略。在數(shù)據(jù)中心的運營管理過程中，利用聚類技術建立能源消耗模型，其優(yōu)勢在于簡潔易操作，但也存在精確度不高、優(yōu)化計劃的工作量過大等問題。

4.3.2 基于線性回歸的能耗模型優(yōu)化方案

通過構建線性回歸模型，探索自變量和因變量的關聯(lián)性。這種模型在變量關系的分析、預測和時間序列問題的研究等領域起著關鍵作用。回歸分析可以劃分為線性回歸和邏輯回歸等。線性回歸技術不僅適用于構建數(shù)據(jù)中心的整體能源消費模型，還廣泛運用于構造服務器、空調系統(tǒng)等設備及其子系統(tǒng)的能源消費模型。

與聚類技術相比，線性回歸技術能夠更精確地構造出能源消耗模型。如果能源消耗的變量過多或數(shù)據(jù)量過大，構造的模型就需要不斷調整，以達到性能最佳。

5 結 論

天線與伺服控制技術在衛(wèi)星通信中的能耗是一個復雜的問題，需要綜合考慮多種因素才能得到最佳的優(yōu)化結果。文章介紹天線與伺服控制技術在衛(wèi)星通信中的能耗模型和能耗優(yōu)化的方法，重點闡述天線單元和伺服控制單元的能耗優(yōu)化方法。在未來的研究中，可以繼續(xù)深入挖掘天線與伺服控制技術在衛(wèi)星通信其他方面的潛力，不斷推動衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，為用戶帶來更便捷和高效的通信體驗。