（教育技术学专业论文）数字卫星天线自适应控制器的研制.pdf

l l 农师范大学颈：b 学位论支 中文摘要 随着信息社会的到来，计算机技术正越柬越深亥0 地改变着我们的生产、生活、：e 作 及学习方式。为了满足社会对人才肫需求，必须加快发展交互式多媒体通程教育信息化 建设，墨要毫蕊广撵在远程教育建设中莛到了攀足轻蘩翡俘羯。卫星遥绩酌迅速、方褒、 灵活及信息资源的率富性是不言黼喻的。但黻蓍电视广播出模拟信号向数字信号转化， 对卫攫地丽簇救系统的性缝提出了耨的要求。在接牧数字信号时如舞在j 蚤短豹时闷内後 天线对准卫星，豫滋接收据号灼快速性和可纛性，成为a 们遗切需要解决灼目题。 瓣前露蠹魏要麓嫠牧天线控露器大帮分避拔疆值鼹黥原理设计豹，这释控蕊黎需簸 据系统接收到的载波信号大小控制天线反复转动，才能对准卫星。这对接收模拟信号的 系统还能满足要求，毽黠接收数字信号曲系统却不能满足袋求，露进行蝴应的改进。 本文所霹秘静数享至星天笺窭逶瘗控疑系统，是将天缓蹬秘菠零与诤簿挠按零勰臻 合，列用以单片机为核心的卫垡天线控制器，以e b n o 为跟踪信号，自劫罨星寻优，便 天线准确对星。系统进行数据采熊时，单片机将寻优时卫鏊天线豹位置翔靛送给p c 枫， p c 掇怒彼嚣建和摆应的系统辩刻存到数据黪巾。在鸯遥应按铡融，p c 枫读取系统对锄， 挺该时剡的位置角发送给里蓬天线控毒g 襄，进行直逶应控制。 本文阐述了数字卫星天线自适应控制器的设计思想、主溪功能、主要技术、具体的 实现方法翘瞳用方法。第一、二掰章阐述了袭绕瓣理论基础及主要技术，镪援卫鐾天线 燕露l 藻丢蠹l 理论和整髂方案设诗；蘩三章是系绞骥锌设诗，惫貉溪髂电踺缀残、重要元器 件的选取，部分电路的设计；第四章是单片帆程序的设计熙想及具体程序，包括蠛控软 件设计、寻星限位、寻优设计和南行通信设计 第五章是p c 机软件设计，包括串口滤 簿、实辩角度采繁、鑫莲痊角度擦截、数攮黪溅楚蠢印渍黢簿，著阐述了p c 掇秽革片 机异步串彳亍逶信的蒸奉原理和实现方法。第六章是系缓使稿说明及今焉工侮震望。 本文根据卫星天线理论、自幼控制理论、现代通信理论和数据库知识分析研究了 卫星天线自适痤跟跺控裁豹方法，劳麸硬箨巍较绺两个方磁避舒了系统设诤。本系统豹 谩焉避免了天王溺熬天线费瓣费力酾獒臻，楚鸯对星速凄绦、精度寒、撬千撬耱力强、 性自8 价格比高稠人槐交互界霞友好的特点，遗合数字卫星电视接收系统，符合现代卫星 广播电视发展的需翳。该研究可盛接服务于现代远程教育系统以及卫星天线的测试控制 蜜验镁竣，霹广泛应麓予广捧电筏、远程教肖、军事潼掇、褥掌聚攘等嚣燮准薅捩速对 臻的场合，具有较高的使用价值耥捺广价值。 中文荚涎谰：天线；窟适应；臻 = l 羧零；串行邋信：a t 8 9 c 5 1 分獒霹：g 4 3 4 出系静葱大学颈学谴论文 t h ed e v e l o p m e n to f t h ea d a p t i v ec o n t r o l l e rf o rd i g i t a ls a t e l l i t ea n t e n n a a b s t r a c t w i t ht h ea r r i v a lo f t h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi sd e e p l yc h a n g i n go u r m o d eo fp r o d u c t i o n ，l i f es t y l 筑t h ew a yo fw o r k i n ga n ds t u d y i n g i no r d e rt om e e tt h eb a s i c d e m a n do ft a l e n t si ni n f o r m a t i o ns o c i e t y , w em u s ta c c e l e r a t et od e v e l o pt h ei n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o no fi n t e r a c t i v em u l t i m e d i a s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o nc o n s t r u c t i o n 。s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni sr a p i d ，c o n v e n i e e , f l e x i b l e a n dh a sa b u n d a n ti n f o r m a t i o n b u tp e o p l ep u tf o r w a r dn e wr e q u i s i t i o nf o rg r o u n dr e c e i v i n g s y s t e mo ft h es a t e l l i t ew i t ht h et r a n s i t i o nf r o ma n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s h o wt om a k e t h ea e r i a la i ma tt h es a t e l l i t ei ns h o r t e rt i m ea n dg u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n ds p e e d i n e s so f r e c e i v i n gd i g i t a ls i g n a l sb e c o m e s t h ep r o b l e mt h a tn e e dt ob es o l v e du r g e n t l y , t h ep r e s e n td o m e s t i cs a t e l l i t er e c e p t i o na n t e n n ac o n t r o l l e r sa r eb a s i c a l l yd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ee x t r e m ev a l u ef o l l o w i n gp r i n c i p l e 。t h es a t e l l i t ea n t e n n ac o n t r o l l e r sc a na i m a tt h es a t e l l i t ea c c o r d i n gt ot h ec a r r i e rw a v e rs i g n a l st h r o u 曲d r i v i n gt h ea n t e n n at o c i r c u m v o l v er e p e a t e d l y t h i ss t i l lc a l lm e e tt h ed e m a n d st ot h es y s t e mt h a tr e c e i v e st h e a n a l o gs i g n a l s ，b u tc a n tr e a l i z ea i m i n ga ts a t e l l i t ea c c u r a t e l yt ot h es y s t e mt h a tr e c e i v e st h e d i g i t a ls i g n a l s 。s o t h e r en e e dn e wm e n dt om e e tt h er e q u i s i t i o n a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mo fs a t e l l i t ea n t e n n at h a tt h et h e s i sr e s e a r c h e si st oc o m b i n e c o n t r o l t e c h n o l o g yo ft h ea e r i a la n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt o g e t h e r , u t i l i z et h es a t e l l i t ea n t e n n a c o n t r o l l e rw i t ht h ec o r eo fs c mt 0m a k et h ea n t e n n aa i ma tt h es a t e l l i t ew i t ha u t oo rm a n u a i m o d e ，s e a r c hs t a r , a i ma ts t a ra c c u r a t e l ya c c o r d i n gt oe b n os i g i n a l s s a v et h ed a t ai nt h ep c w i t ht h et i m eo fi t s e l f t h ec o m p u t e rs e n td a t at os c mt i m e l yi nt h ep e r i o do fa d a p t i v e c o n t r o l ，s os c mr e c e i v et h ed a t ea n dt r a n s f e rc o r r e s p o n d i n gp r o g r a mt oc o n t r o ls a t e l l i t e a n t e n n ae x a c t l y t h i st h e s i se x p o u n d sm a i n l yt h ed e s i g nt h e o r 3 , ；m a i nf u n c t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mo fs a t e l l i t ea n t e n n a ，a n dt h em a i nt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s ，c h a p t e ro n ea n dc h a p t e rt w oa n a l 辩et h eb a s i st h e o r ya n dg i v ea w h o l ed e s i g np l a n i n c l u d i n gp r i m a r yt e c h n o l o g ya n dp r o j e c td e s i g n c h a p t e rt h r e eg i v e st h eh a r d w a r ed e s i g n 山东师范大学顾士学位沦文 t h a ti n c l u d e sh a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i ts t r u c t u r e ，p r i n c i p l ec h a r t ，s e l e c t i n ga l lk i n d so fp a r t so f t h e a p p a r a t u s ，t h es e n s o re l e m e n t sa n dt h ed e s i g no fs o n i ce l e c t r o c i r c u i t c h a p t e rf o u r i n t r o d u c et h es o f t w a r ed e s i g na n dm a t e r i a lp r o g r a mf o rt h es c mi n c l u d e dt h ed e s i g no f m o n i t o rs o f t ，s e a r c hs t a r ，l i m i ts i t u a t i o n ，m e e t h i g h p o i n ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n c h a p t e rf i v et h e r ea r es o f t w a r ed e s i g nf o rp c ，i n c l u d e ds e r i a lp o r ts e l e c t ，a n g l ec o l l e c tt i m e l y , a d a p t i v ea n g l ec o n t r o ld a t ab r o w s e ，p r i n ta n dc l e a rd a t a ，e x p l a i n i n gt h eb a s i cp r i n c i p i u mo f a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o re p i g y n yc o m p u t e ra n dh y p o g y n yc o m p u t e r i n c h a p t e rs i x ，l h em a i nc o n t e n ta r e t h ei n s t r u c t i o na n dp r o s p e c to ft h es y s t e m t h et h e s i si sb a s e do na n t e n n ac o n t r o lt h e o r ya n da u t o m a t i cc o n t r o l t h e o r y , a n d e m p h a s i z e st h em e t h o do ff o l l o w i n ga n dc o n t r o l l i n gt os a t e l l i t ea n t e n n a ，a n dd e s i g nt h e s y s t e mf r o mt h et w ow a y so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i c ha d a p t st or e c e i v eb o t ha n a l o g s i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l s t h es y s t e ma v o i d sm a n u a la d a p t i n ga n t e n n aa r d u o u s l ya n dt i m e l y a n di tn e e d n tt u r na n t e n n at ol o o kf o rt h es a t e l l i t et i m ea n da g a i n t h es y s t e ma i m sa tt h e s a t e l l i t ee x p e d i t i o u s i th a sh i g hp r e c i s i o na n df r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e t h i ss t u d yc a nd i r e c t l ys e r v ei nt h em o d e r nl o n g d i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e ma n dt h em e a s u r e a n dc o n t r o lr e a l mo fs a t e l l i t ea n t e n n a ，w h i c hi sa p p l i c a b l et ot h ea n t e n n al a b o r a t o r yo ft h e i n s t i t u t e s nh a sh i g h e ru s ev a l u et op o p u l a r i z e k e yw o r d s ：a e r i a l ，a d a p t i v e ，i n t e r f a c et e c h n o l o g y , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a t 8 9 c 5 1 c a t e g o r yn u m b e r ：g 4 3 4 2 独创声明 本人声明所呈交的学位论文最本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢豹地方癸，论文中不龟翕其他人已经发袭 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声 疆的，零栏可空) 或英弛教育税构豹学位或涯书使罔过的材籽。与我一瓣工作的弱恚耐 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 d 糊幽歹伊艺 导师签字：彬谚 学位论文版权使用授权书 本学位论文侔者完全了解整撞奄关保骜、使胡学位论文豹规定，有权僳留势翔 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权整 垫可 譬将学位论文的全部或部分内客编入有关数据库进孬检索，可疆采震影印、绾窜 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弓驰乞 _ 签i = i i i i ：2 0 0 f 年4 月纠日 导师签字： 链字吼。觯月咖乒 j 。4 终孩f v 出东帮蓬太学颧士学短语文 第一隶卫星天线控制基础理论 1 1 姒星电视广播发展概况 。j 卫星电撬广播发展褫凌 卫星电视广播技术已在教育、科学、工业、农业、新闻投闰防等领域樽到广泛的臌 露。愈予超裹菝惫磁渡翼畜类议光线瓣转播姆髅，其抟掭距离受逮蘧表露藩搴豹疆囊l 稻 高山的阻隔。因此猩卫星系统出现之前，解决她面广播电n 视覆盖问题的燕簧办法是架潜 发射鲫接收天线、设立为数众多的电视差转台及微波中继传输网等。所肖这些手段，铘 存在设餐蘩量庞丈、我蛰赢器、德号蒋漆努聚环节繁多、图像凄量下酶等瓣踅“。 为了克服地面滗线电广播覆黼面低的缺点，人类进行了不懈的努力。1 9 5 7 年l o 用 4 目，前苏联成功发射了世界上攥颗人造地球卫星，它榕志着人类开始了征服宇童窝 藤懿漪代。当薅，痰予灾餐接力鸯隈，发赫舱跫嵩度不超过1 万公里魏祗孰遵至星，这 样卫艉相对于观察者不停地运动，导致通讯性能差，由此产生的多普勒效应使接受频率 发生变化，致使设格复杂，质量难以保证，无法普及。1 9 6 3 年7 月美国宇航局发射韵辛 痿2 琴f s ￥n e 溅一j 1 ) 卫星，盛为蕊步歪星通信浆好端。 由于卫星直播电视具有覆藏词广、节日密澄大、图像质凝好及接收设静体积小等优 点，受到苦国麴 广泛萋褪。自2 0 世纪7 0 年代零，各发达骥零纷纷制定卫骚广播计划， 并积授授入实藤。迄今为壹，在辘鲍藤爹卫曩嚣这2 多颗，每对每裁豁逶过歪星愈艇 界各地传送着电视、语音、图像簿各种信息。 1 9 7 6 年，我嚣热入握际遇谶里星组织，予t 9 8 4 年4 奠8 罄痰功发射了“东方红一 号”，成为我国里麓广撵事业酶整程碎。西藏，我嚣土星的逮援节鼙基达4 0 多套，形 成了裰盖全国、天地联网的电视广播系统，并逐步向卫星电视直播到户的时代迈进。 透过翌璧弼络下载数嚣姿源，充分裁露了卫整绉道额荣宽、抟输速率蕊麓犍点。驻餐 至星嫩务静发展，蛾蕊接收市场滋一步扩大，备秤场合需要卫星天线静数嚣急澍增蕊， 质量上要求更高。如军事通信、电视转播、地质勘探、科学考察等都裂用到卫星传送 售息。 l 尔师范大学硕士学位论文 1 1 2 卫星广播系统的组成 卫星广播系统大致分为上行地球站、广播卫星、卫星接收站三个子系统，如图卜l 2 图卜1 卫星广播系统组成 上行地球站主要对信号进行处理、放大形成卫星广播的上行信号，发送到地球同步轨道 的卫星上，还具有遥测、遥控和跟踪功能。广播卫星则接收发自地球站的上行信号，经 低噪声放大、变频和高功率放大处理形成卫星广播的下行信号，通过天线将此信号转发 至其服务区内。卫星接收站是通过天线接收来自卫星的下行信号，再经卫星接收系统处 理还原出视频和音频信号等。 1 2 卫星天线主要性能指标 1 2 1 天线的作用及分类 整个卫星电视接收系统主要由卫星接收天线、高频头和卫星电视接收机组成。卫星 接收天线处于接收系统的最前端，起着举足轻重的作用，其作用是将来自卫星转发器的 微弱超高频电磁波加以聚集，并转换成波导中的电磁波，通过波导送给高频头。卫星接 收天线技术指标的高低对整个系统的接收效果产生决定性的影响。 无线电通信用的天线种类繁多，按照天线的几何形状把天线分为线天线与面天线两 大类。面天线般用在超短波、微波和毫米波等频率较高的频段。卫星电视的特点是工 作频率高、地面接收信号微弱，要求接收天线具有很高的增益。因此，使用普通的线天 线无法接收到微弱的信号，必须采用面天线。面天线一般由反射面、馈源和支架等部分 组成。反射而可采用金属板、金属网或玻璃钢等材料经过机械成型来制造：馈源一般采 山东师范火学硕士学位论文 用各种形式的渐变波导段来构成。按照天线工作原理的不同，面天线又可分为普通抛物 面天线、卡塞格伦天线和平面天线等多种，本系统所采用的是应用最广的普通抛物面天 线 3 o 1 2 2 卫星接收天线的位置角和极化角 图卜2 是接收点与同步卫星几何关系示意图，当卫星参数和服务区域确定之后，要 使系统能正常工作，需要建立优质的地面站( 固定站或移动站) 。地面站建立后，要使 天线波束的最大值指向卫星，并实现极化匹配才能进行正常工作，所以各地面站要根据 自己的地理位置确定天线的指向。 由于同步卫星在地球赤道上空，纬度为o 。，因此，接收点p 与卫星之间的距离为： d = r 。2 + ( r 。+ ) 2 2 r 。c r 。+ h ) o o s p 式中： r o = 6 3 7 8 k m ( 地球平均半径) ； = p - - 。，妒一地球站纬度，xp _ 地球站经度， c o s l 3 = c o s , 7 , c o s ( , o 。卫星经度，h 一卫星高度。 地球轴线 图卜2 接收点与同步卫星几何关系示意图 ( 1 ) 仰角和方位角 地面站指向位置包括方位角和俯仰角，合称为位置角。仰角为自接收点p 看赤道上 空的卫星的直线与接收点所在水平面的夹角，天线俯仰角0 则与地球半径r 、卫星高度 h 及p 与s 对地心的张角b 有关，当r = r o = 6 3 7 8 k m ，h = 3 5 7 8 6 k m 时，其关系为可简化为： 山东师范大学硕一b 学位论文 0 = a r c t a n 篇羔辫 b = a r c t g 哇 1 2 3 主要性能指标 ( 1 ) 方向图 在卫星通信系统中，普遍采用方向性天线，因此，卫星天线相对于卫星的指向决定 着卫星通讯的优劣及能否保证正常通讯。不同天线对准卫星的指向要求也不同。天线类 型很多，对抛物面天线，如图1 3 所示：d 为抛物面的顶点，f 为焦点，2 由。为抛物面 4 i 乃、 一 o - 营- - - ”一， 图卜3 抛物线几何关系 山东师范大学硕士学位论文 的口径张角，d 为抛物面口径，抛物面天线是由初级辐射器( 或称馈源) 和抛物面反射 器组成，通常把馈源的相位中心置于抛物面的焦点上，馈源与波导馈线相连接，它的作 用是利用几何光学原理将与抛物面轴线平行的电波射线经一次( 前馈式) 或多次反射( 后 馈式) 后集中到焦点上，而偏轴入射的电磁波，不能集中到焦点上，所以卫星天线有极 强的方向性和很高的增益。天线方向图就是反映天线方向性的空间图形，不同的天线有 不同的方向图，如图1 4 为极坐标系内的c 波段天线方向图。，i i p 为半功率角。实际上 方向图是三维( 立体) 的，但测试时只能分为水平面和垂直面，故有水平方向图和垂直 方向图。它反映了天线集中辐射电磁能量的情况，方向图越尖锐，表示能量辐射越集中。 c 1 咿 i 图卜4 极坐标系内的天线方向图 通常方向图有许多叶瓣，最大辐射方向的叶瓣称为主瓣，其它叶瓣称为旁瓣或副瓣， 最靠近主瓣的旁瓣称为第一旁瓣。方向图的主瓣宽度是功率下降到最大辐射方向功率值 的一半( 或场强下降为最大值的0 7 0 7 倍) 的两点之间的夹角宽度，用中”表示。旁瓣 会对其它通讯产生干扰，尤其是近几年卫星转发器的功率提高，高频头的噪声温度降低， 灵敏度大幅度提高的情况下，第一副瓣电平的信号也往往很强，有时会超过接收门限， 当天线接收到第一副瓣电平时往往误以为是主瓣电平而造成天线对星不准，因此必须将 其抑制到尽可能低的水平，通常要求第- - n 瓣比主瓣增益低1 5 2 0 d b 。”1 天线波束宽度( 即主瓣宽度) 必须小于同步轨道上两相邻卫星的间隔( 以经度差表 示) 的二倍。例如，目前c 波段卫星的最小问隔为2 度，因此，c 波段卫星电视接收站 的天线波束宽度应小于4 度，否则，在接收某一颗卫星信号时，会受到相邻卫星信号的 严重干扰。另一方面，波束宽度也不能太小，它必须大于卫星的轨道控制精度，否则就 由末藤范大学颤圭攀像硷文 要采用复杂的自动跟踪卫星装置。另外，天线波柬宽度稍大一媳对减少天线的指向误差 龟畜翻。在一羧绩浚”f ，壹径为斡搬秘瑟天线戆波索塞痰奄。i 霹蕊e 式 霭羲 sm 7 唁( 度) 邸式中x 为：f ：俸波长， = l 上式可知天线日轻懑大主瓣雯魔怒窄，售号鞭器越毒主瓣 宽度也越窄，因此对大口径天线或接收信号频率较高( 如c 波段和k u 波段) 时，天线 因风力或自身变形等闲索的影响，很容易偏离接收指向，使天线接收增益大幅度下降， 造成通讯信号中簖。骚隧应配置至鬟天线蠡动舔稼系统。 ( 2 ) 天线增益 增菇和方淘性系数嘲是表征辐射功率集中程度的参数，假甄者又不尽楣同。增益是 在露一输入功率条侔下，天线在最强方向上某一点所产生的电场强度斡平方与无耗理 想点源天线在该电所产生的电场强度的平方e 0 2 之比，常以d b 为单位，有： g = 2 0 l g 去 天线控制就是使天线凇确对星，提商增益。 ( 3 ) 阻抗与驻波比 接收天线静隧获怒摇麸天线簸瓣媸臼看蠢天线静錾撬，是天线匏麓入奄疆与龟滚之 比。在微波波段，很少用天线阻抗概念，而用天线系数或驻波比来表示天线与馈线的阻 抗匹配状况，一般要身鼋驻波比应在1 4 以内。 ( 4 ) 天线的等效噪声溢度，反获了受载豹舔声功率静大小。它分爻综合蠡然噪声帮 地面人工噪声。 1 。2 。4 人王蘧整羹星天线对鬟的基本过程 接收天线的调整也就是调整接收天线的方位角和俯仰角使天线波束对准所要接收 豹里星( 翊主瓣摆囱翌星) 豹过程，蓉采翔传统麴人工调整，剿其薅步骤皴下： ( 1 ) 首先根据按收点的经纬度计算出天线的方位角和俯仰角； ( 2 ) 用指南钊或凝座方向确定证南方向； ( 3 ) 调整天线到跨算数骧 窜角秘方位角，逐接好接收系绞； ( 4 ) 让接收机自动扫描该壁下所有节目( 或手动输入下行频率和符号率) ，便可接 由衷簿蓬大学琰士学位论文 收到电视节目； ( ) 显示该繁嚣熬售号霰爨，再反复调整位羹角、缀讫麓、溃源黧点至售号震燕 值最大，则天线指向为最佳位置。 调整时应注意三个事项：一是当天线俯仰角度过小时防止地面微波信号干扰，二怒 对予丈器径天线，耱盘第一裂瓣邂乎澎翡，谡憋天线篓一戮瓣对准翌星警锋天线主瓣对 准卫凝，三是注意地球磁偏角对方位角测量的影响。 1 。3 卫凝天线控制臻统的发展概况 隧前通讯授零发展逐猛，市场增长速度豫人，随者卫鬣应用技术的飞速发震，越来 越多的信息都通过卫星进行传输，如广播电视、气象云图、语音及数据通信等。作为移 动邋谖与广播领域麴一个重要缎成部分，地殛卫星接收站鼹域出其巨大的市场前景。强 前嚣内外出现了务稚各样的天线控甫l 器，种类繁多，功能上越来越复杂，技术上越米越 先进，能够实现憋本的寻星寻优功能。卫星天线控制系统肖多种分法，主要有： ( 1 ) 从被控天线数强上可分为蹲列式和肇蘧天线，本文讨论后者。 ( 2 ) 驮可移葫径上可分为移渤( 车载) 天线和固定天线，本文讨论聪者。 ( 3 ) 从驱动轴数目上分为单轴、双轴和三轴天线，本文讨论双轴天线控制器。 ( 4 ) 从跟踪傣号上分为信撂接收控割系绶鞠无信据接收控制系统，本文讨论后者。 礴前，国内的卫星接收天线掩制器一般帮怒按极值跟踩原理以a f i c 为跟踪信号设计 的，山东师范大学现代教育技术研究所在遮方面的研究直占据国内重要地位。从 1 9 8 5 馨始设计意l 逡里星天线，1 9 8 9 年剥用单缎搬设计了第一台卫星天线控制器，到1 9 9 2 年利掰单片机设计形成s t c 系剐5 种产品，1 9 9 3 年研截天线转台控制及测试系统并猩 远望= 号测量船上使用，1 9 9 5 邻研制成功单率由( 极轴) 控制器。在这期间，为东北铁岭、 济鬻零嚣、江苏无锈、上海金由石他、石家瘫信息产业郝嘏予5 4 联设计了套秘控制器。 1 9 9 8 年设计开发了p c 机控制的澄星天线控制器，又形成s a c 系列产晶。2 0 0 1 年开始磷 究数字卫星天线控制器，这是圈前天线控制研究的主要方向。 。4 徽毫氇自动控割理论及控制方法 卫星天线的调熬过程就是掩饰蟪l 收天线梭一定方向转渤，改变天线的方位角和俯仰 角使熟对准卫星，可通过控制电机的转向和转动速度来控制天线转动进行调节。为了俄 控翱受翔襞蕊军委矮予蠡动寻基懿实瑗，可壹徽撬配台稳应羧鞠电路及萁软 孛来完或对魄 机的擦制。 出东耀范大学硕士学位论文 1 4 1 自动控制技术及其应用 自动控制技术蔗指在没有人真接参与的情况下，利用控制装置使被控对象( 如机器、 设备、生产过程) 的菜一物理燎( 或工作状态) 自动地按照预定的规律运行或变化，如 天线转台豹转蠢鞠转速瓣接镬，篱炉兹炉滢控潮，l 受踪霍运霸 蓦龚仪及瘩迤缀藏瓣鸶磅 化防空系统等都鼹应用自动控制技术的结果。 近几年来，微机技术引入翻动控制领域并成为它的重拱组成都分，为自动控制技术 豹发簇歼簿了趸广润静天建，鑫动控餐技术与徽壤菠术在受整天线控翻技术稆卫星逐穰 中的应用也越来越广泛。如利用微机控制卫攫天线的方位角和俯仰角自动寻星。在卫星 天线测量中进行数据处理等。 蠡动控割系统蹩据麓够对被控对象的工幸棼获态送行鑫麓控镪静系统，它一般蠢狡潮 装斟和被控对象缀成，被控对氖指要求实现自勘控制的机器、设备和生产过程，控制装 黄则指对被控对蒙起控制作用的设备总体。在卫星天线自邂应控制系统中，控制装爨由 蕈片橇、p c 辊、奄橇橱蹑系统壤戒，被茬对象是带动天线转动三搴嚣藏笼式器多交流 电机。 控制系统有多种分类方法，按照描述系统的数学模型、传递信号的性质、系统执行 元 孛癸鳌和系统功艟，把控露系统分成套静各祥静类塑。尽管控麓系统瓣分类方法镶多， 但究其实质，主要有开环控制和闭环控制两大类，开环控制是指系统的输出量对控制溅 任何影响的控制过程：闭环控制则是指系统的输出量对控制作用有影响f 内控制过程，也 称聂续控制过程。翌星天线自邋应控毒4 系统瘸予闭环控裁系统。 开环和闭环两种控制系统备有特点，闭环控制中采用了负反馈，故系统对外部或内 部的影响都不甚敏感，故可以选耀不太精密的元件构成较为精确的控制系统。而开环控 髓由于对输出量不硷溯，也无输密量反馈，磁隧对撬动弓| 发的误差无修正能力蘸系统的 精度完全由选用商稳定性的、简精密的元件绒采用有效的抗干扰措施来保证。 在本系统的设计中，需利用所接收的卫凝信号的强弱来判断和控制天线的转向，即 把系统的输出信号又反馈到输入端来进行控涮。不同转发糕的功率不鞠闻，掰默系统懿 输入攮和扰动无法预计，且闭环系统可以采用不太精密的仪器元件达到投精确的控制， 这样角度传感器以及电机驱动器结麴比较赫整，电机可莱溺普通交流电枫，可降低成本 费丽，所以本系绕采用闭环控镱技术。僵在研制开发过程中，为防止予季尤信号移提赢系 统稳定性和安金性可靠性需采嗷棚应的抗：f 扰措施。 r 蠡东耀范大学醚：垂学位论文 1 4 2 计算机囱动控制系统 计算机控制系统是在自动控制技术和微机技术飞速发展的基础上产生的。微机控制 系统就是利用微机来实现的工业自动控制系统，其基本框阁如图1 一所示。 拾定值件壤箍。被控量y 图l 一5 计算机控铡系境的典型结构 在控制系统中引入计算机，w 以充分利用微机的运算、逻辑判断和记忆功能完成备 耱餐淡 壬务。在系缓中，赉子诗舞较只钱楚毽数字惹号，嚣蕊绘定夔舔及镶量要是经逡 a d 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机，也就是说在卫星天线国适应控制中聚 集到的信号是模拟信号，必须经过a d 转换为数字信号后，微机才能进行处理。 冀整懿诗冀掇按割系统装稳：霹分为疆 警籁较磐嚣大部分： 硬件是指微机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、存储器、a d 转换器、d a 转换器、显示器、键盘及其接口电路等。微机是整个系统的梭心，它先究成程序的执行 及霰控辩象豹各耱参数兹整控、麓薮帮处理；务释接舀是徽掇与被控毒l 对缀之蠢菝惑戆 传递通道，其作用慰负责主机与被控对象之间的电气隔离，电平转换和负载匹配，将释 种传感器上送回的模拟或数字爨转换为计算机能识别的数字量，或反之将计算机输出的 数字爨藏数字莹号送给魏行爨稔。镥感器受羹将控毒l 对象戆各季孛参数，翔袋移、速菠、 温度镣转换成电信号，送到输入通道，将系统状态及时反馈给计算机。执行机构包括备 种电机、电磁铁、f 权阻丝等，其作用与传感器相反，是将微机通过输出通邋送来的电倍 号转羧成各穆控稻秘 乍，完纛霹系统控裁。终设包耩显示嚣、键盘、蠢露铙等辕天输密 设备，它们主要完成人机交互功能，实现人机对话，实现命令、参数等信息的输入及系 统状态显示，及控制程序和数据的存储等。 软箨莛计算橇羧潮系统中爨密各辩功髭的谤算褫程穿酶总和。魏完成搽箨、夔控、 管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作，系统软件 9 山东师范大学硕士学位论文 是用来管理计算机本身的资源，方便用户使用计算机的软件，应用软件是用户根据要解 决的控制问题而编写的各种程序，如各种数据采集、控制计算程序、过程监控程序等。 应用软件的优劣，将对控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响。 i b 东师范大学硕士学位论文 第二章卫星天线自适应控制系统整体设计方案 2 1 系统设计应考虑的问题 2 1 1 同步卫星的飘移 由于各种因素的影响，实际的同步卫星的位置相对于地球来说不是静止不动的，而 是在其指定位置附近做小幅度的飘动。同步卫星偏离理想同步轨道的现象称为摄动，又 称飘移，摄动产生的原因有”。： ( 1 ) 太阳的引力。太阳的引力是同步卫星的轨道平面偏离地球的赤道平面，使卫星 沿南北方向上缓慢的飘动，每2 6 年一个循环，幅度为1 4 7 度。 ( 2 ) 月球的引力。月球引力的影响与太阳的引力影响类似，只是幅度要小得多。 ( 3 ) 地球引力的不均匀性。这是因为地球是一个不规则的扁球体，其引力的起伏变 化使得同步卫星的运转速度发生一定变化，从地面上观察，这会使同步卫星在东西方向 上飘动。 ( 4 ) 太阳的辐射压力。由于每颗卫星上都装有大面积的太阳能电池板，致使太阳的 辐射压力引起卫星发生摄动，使同步卫星在东西方向上飘动。 上述因素所产生的对卫星的干扰，会改变卫星对地球的相对位置。这会使卫星漂移 出预定轨位，使通信无法正常进行。星上定向天线的波束必须永远指向覆盖区的中心， 由于定向波束只有十几度或更窄，波束指向受卫星姿态变化的影响相当大再加上卫星 距离地球表面有3 6 0 0 0 k m ，姿态差之毫厘，将导致天线的指向“谬之千里”。 为了解决飘移问题，同步卫星上都装有轨道控制子系统，但这也不能完全解决问题， 需要卫星接收地面站的相关措旆，建立卫星天线自动跟踪系统。方案之一是寻找飘移规 律，建立数学模型。但影响飘移的因素复杂，且已经对卫星进行了人工控制，该数学模 型的建立非常困难。方案二是将卫星一段时间内的漂移规律采集下来，记录在案，在一 段时间内就可以把它作为标准进行跟踪。该方案是自动控制中常用的，也为方案一提供 了数据资源，切实可行，是本系统所采用的方案。 “ 系癖惹夫掌硬j ：学谴论文 2 1 2 躁统跟踪信号的选取 专1 2 通信天线，黼踪参考信号一般采用卫黛发射的信标信号经专用信标接收祝输出 送给计薄机处理后产生相应的控制惰号，这对于般的卫星电视接收站不太适合，是 适嚣太藩，二是设蠡复杂。 卫撼电视接收桃通常是指数字卫星电视装裁中放黉于室内的辨一部分设籀+ 敌又称 为室内接收单元。其功能是将室外单元通过射频电缆送来的第一中频信号( 9 5 0 1 4 5 0 m h z 蠛9 5 0 - 2 i5 0 6 j t z 等) ，经变换楚理螽褥斟褪蒙蟊音蔽傣号荠羟供给瘸户。天凌 接收到酮卫星发射的怒高频载波葳映了天线对蘼的精度，但怒经卫星转发的信号经过? 万多公里传输，由于空间电离层的影响信号波动范围较大，不盛直接作参考信号。 数字量星接牧系统i ： j l 予萁簧输方式军嚣露造成每位爨量与每赫兹蒂宽中噪声藐羹 之眈( e b n o ) 门限问髓，即仅当戴噪比大于( 约为4 5 d b ) 菜值时，解码器才能解 出信号，否则无信号，简一旦超过丁这个门限值，信号强弱对图像质量影响不大，这给 天线豹调整若寒了霾戆。鼗字里星接牧撬饕室岁 单元遥过藜额邀缆传送下来鲢第一中鞭 信号，经本机解码处理后输出视频和音频，还有信号强度，反l ! 兜了输入信号的强弱，因 而可作为自动控制跟踪参考信号，但其稳定性茇，导致天线控制器频繁动作，所以该信 号霹经道一个辍分惑鼹，簿巍零鼗热l 移，增勰稳定莲，摇离了系统莲憨。 2 1 3 蹭行通信挝术 一般采讲，在一个良药控裁系统中，揍西鼹越瓣作爝最终w 表现兔：为了这努菜一 测量目的黼把所选用的各种测试装溉及计算机等互相连接起来，组成一个能蜜施自动化 检测的煮秘整葵；在计葬穰与各秘测量装萋趣进行信息交换翻传辕封，几乎掰寄豹癌息 都须经过国接日据逢的设备与计舞视发生联系。瓣爵可班说，接西技术涉及倒信感传输 母线、时序控制信号、备种逻辑线路以及对信息实行发送接收、编码译码等够方面内容。 在窭嚣工作中，诗舅税麴c p u 与外部设蔷之闺誉鬻要进行售惑交换，运舔之为遴薅。 通髂方式有两种”。，即并行通傣( p a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n ) 和串行通信( s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ) 。并行通信是指数据的各位同时传送的通信方式，其优点是传递速度快， 姣点是数糖有多少燕，藏嚣要多少檄传送线。莠箝遵蔷在莅数多、传送距离又远黪蘩嚣 下就不太滔宜。串彳亍浦信指数据是位位按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只 1 ， 山东师范大学硕士学位论文 需一对传送线，降低了传送成本，适用于远距离通信，其缺点是传送速度较低。 通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式，如果距离较短，可采用并行通信 方式；当距离较远时，则采用串行通信方式。在p c 机与单片机之问的通信中，我们选 择串行口通信，这是因为串行通信是单片机与计算机进行数据通信的主要方式之一。 r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会( e i a ) 制定的关于数据终端通信装最( 如m o d e m ) 之间相 互连接的标准接口，也是目前最常用的串行接口标准。r s 一2 3 2 串行接口总线适用范围 为通信设备之问距离不大于1 5 m ，传输速率最大为2 0 k b s 。串行通信在发送时，把c p u 一一一一 送来的并行码转换成串行码，逐位依次发送出去；在接收时，把发送过来的串行码逐位 接收，组装成并行码，并行地发送给c p u 去处理。我们要传送的数据是一些二进制数值， 不需要太高的传输速度，成本低。串行通讯可分为半双工( h a l fd u p l e x ) 制式和全双 工( f u l ld u p l e x ) 制式，本系统采用串行通讯的全双工通信方式。 串行通信有两种基本通信方式”。，即异步通信和同步通信。在异步通信中，数据是 一帧一帧( 包括一个字符代码或一字节数据) 传送的，在帧格式中，一个字符由四个部 分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。在同步通信中，在数据开始传送前用 同步字符来指示，并由时钟来实现发送端和接收端同步，同步传送时，字符与字符之间 没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符s y n c 来指示。在本 系统中，由于传送的数据不是连续的，所以我们采用异步通信方式。 2 2 系统基本原理与性能特点 2 2 1 系统基本原理 卫星天线自适应控制系统是采用m c s 一5 l 系列单片微处理器中的a t 8 9 c 5 1 做主控芯 片，配上相应的外部接口电路，外加一台与其串行通信的p c 设计的智能化控制系统。 控制过程主要包括寻星、限位、寻优和自适应控制。寻星实际就是自动调整天线对 准预设卫星的过程，事先由操作者输入所选卫星的星号和位置角，回车后便进入寻星状 态。先将位置角存入存储器，然后采集位置角的当前值，如果当前值不等于预存值，则 单片机发出指令使天线转动，直至当前值等于预存值；反之亦然，寻星过程与信号质量 无关。寻优是以实际卫星信号作为调节依据，寻优必须在寻星基础上进行，此时接收机 已接收到卫星信号，但是天线不一定处于最佳指向状态，控制系统控制天线在一定范围 n 象萍蘧大学颈j j 擎经论室