数字卫星天线跟踪控制器的研制.doc

数字卫星天线跟踪控制器的研制*山东省教育厅科技计划项目（115009）收稿日期：2005-12-18卢洪武 李天平 杜军 周茂霞（山东师范大学传播学院，250014，济南；第一作者49岁，男，教授）摘要 本文介绍了一种用AT89C51单片机实现的卫星天线跟踪控制器的控制原理，硬件结构及软件设计方法.关键词 卫星天线；跟踪控制；单片机中图分类号由于地球重力分布的不规则性及太阳风压等对地球同步轨道上的通信广播卫星的影响，使卫星在轨道位置上发生偏移。当卫星使用年久时，其姿态控制能力下降，漂移现象更为严重。因此，没有跟踪控制系统的天线指向将偏离卫星。从另一方面考虑，采用大口径天线接收Ku波段信号时，因频率高主波束宽度较窄，因此，易受风力或自身形变等因素的影响，造成天线指向偏离卫星，使天线接收增益大幅度下降，造成通信或广播信号中断。所以研制一种高可靠性的卫星天线自动跟踪控制系统，对保证卫星信号接收质量意义重大。1 天线控制原理显示器键盘74LS377光电隔离电机驱动器14433A/D89C51MPU8255I/OAD625模拟开关卫星接收机俯仰传感器方位传感器MAX232图1卫星天线跟踪控制系统构成如图1所示。卫星天线的调整分搜索和自动跟踪两个过程。搜索是调整天线对准预设卫星的过程，事先操作者将卫星天线接收不同卫星所对应的天线俯仰角和方位角及星号输入控制器并保存，系统工作时，首先根据输入的星号由微控制器发出控制指令，使天线转动到预存的指向位置，此时天线已基本对准卫星，可以收到信号。之后，控制系统进入寻优和自动跟踪状态。自动跟踪与搜索过程不同的是它以实际接收的卫星信号大小作为调节依据，搜索完毕时接收机已接收到卫星信号，但是天线并未准确对星，控制器控制天线在一定范围内反复扫描，找到接收信号最强的位置，测出信号的大小并存储，以后即以此信号与后续信号比较。当发现接收信号与存储的极值之差，超过了规定的范围时，则应控制天线重新寻优，使天线指向最佳，找到新的信号最大值，并用新极值代替原极值，从而保证天线处于最佳指向状态。【3】2 硬件电路设计系统采用AT89C51微处理器做主控制器，扩展一片8255 I/O接口芯片，组成键盘和显示电路，用作卫星编号，接收点经纬度及跟踪控制方式命令的输入和天线俯仰角、方位角、跟踪控制反馈信号的显示。P1口和3位半A/D转换器MC14433连接，通过AD625仪用放大器及数控模拟开关组成天线俯仰、方位角度信号和天线自动跟踪信号的调理和输入通道。系统扩展一片74LS377做输出控制通道。MPU根据欲寻卫星的所需角度及Eb/No信号的大小，经过分析比较、计算处理，发出控制指令，控制俯仰、方位电机驱动天线进行上、下、左、右扫描，从而自动对准和跟踪卫星。AT89C51的串行口经MAX232电平转换后和PC机通信记录不同卫星的天线角度信息或漂移卫星不同时间的运动规律，作为卫星天线控制器的自动跟踪控制依据。2.1 角度信号和跟踪控制参考信号采集电路设计卫星天线跟踪控制器是闭环控制系统，为保证系统可靠工作，必须选取稳定可靠的角度传感器，使采集的角度数据准确可靠。图2给出具体设计电路。综合考虑成本、技术要求和技术难度，经分析比较、实验，角度传感器采用了旋转电阻式，它由精度高，线性好，温度系数小的恒流源3R3和多圈电位器与传动机构组成。当天线转动时，由传动机构带动俯仰、方位角度传感器中的多圈电位器旋转，使多圈电位器的阻值发生变化，因为多圈电位器与集成恒流源3CR3串联，所以多圈电位器中间抽头输出的电压和天线转动角度成线性关系。当3CR3输出10mA电流，多圈电位器W7、W8的阻值为500欧时，方位角的转动范围是90.0，对应的电压变化范围是05000mV，当角度变化0.1时，电压变化2.78mV。经AD625仪表放大器调理变成稳定的02000mV的电压变化，以适应MC14433A/D转换器的输入要求。A/D转换后的数字信号经MPU换算显示90.0范围的角度信号。跟踪控制参考信号Eb/No经LM741调理与俯仰、方位角度信号同时送入模拟切换开关4052分时进行A/D转换后，送入MPU作为搜索和自动跟踪的依据。2.2 跟踪控制参考信号的选择方位传动机构俯仰传动机构卫星接收机Eb/No信号图2选取与接收卫星信号成线性关系且稳定可靠，不受干扰的跟踪控制参考信号，它是控制天线跟踪卫星至最佳状态的关键。跟踪控制参考信号主要有三种，一是信标信号，该信号性能稳定，但需要昂贵的信标接收机；二是载波信号经检波后的直流电压，该信号波动范围大，且易受干扰，造成控制器的误动作，因此不宜选取；三是采用卫星接收机的Eb/No信号，该信号只有正确解码超过门限阈值时才有输出，因此，选取该信号作为跟踪控制参考信号可靠稳定。为防止因Eb/No信号微小波动，造成控制电机不必要的频繁动作，在控制软件编程时，定义了一个信号波动范围，这样既保证了有效的跟踪控制又防止了电机不必要的频繁动作。跟踪方法采用了极值跟踪方法，电机控制采用双向可控硅光藕电路，电机驱动采用固态继电器，可靠性高，体积小，重量轻。为防止固态继电器产生的电磁干扰，设计了谐波吸收回路，采取了严格的电磁屏蔽措施。系统硬件设计时加了电源滤波、看门狗复位电路，并采取了一些恒温、恒流、机械变速、误差削减等措施，在软件设计上采用了指令冗余、软件陷阱、容错设计及数字滤波等技术，因而保证了系统电气、温度和机械性能的稳定。3 跟踪控制软件设计【1】对卫星的跟踪有两种方式：程序跟踪和自动跟踪，程序跟踪是根据预测的卫星轨道信息和天线波束的指向信息来驱动跟踪系统的；自动跟踪是地球站根据收到卫星所发射的信标信号来驱动跟踪系统使天线自动对准卫星。由于卫星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目前大部分地球站都采用自动跟踪方式。按跟踪原理，自动跟踪可分为三种：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。由于步进跟踪原理和设备比较简单，并能很方便的与计算机结合。在卫星定位精度不断提高和计算机控制技术飞速发展的今天，越来越多的地球站使用步进跟踪制。因此本文重点分析步进跟踪方法。3.1 步进跟踪方法比较【1】A0？P=2？A？Ab，则调整步走五步，相当于天线在原出发点向右调整一步；如果ab，则调整步走三步，相当于天线在原出发点向左退一个调整步。相距八步的两个信号的差值比较大，一般不会出错。双向搜索等调整步式步进跟踪把搜索步与调整步分开。一般要求搜索步距大，这样驱动天线运动前后的信号电平差值就大，容易判定出天线波束与卫星间的位置关系。而调整步距较小，以避免天线波束一下子越过卫星，这样可降低系统的跟踪精度误差。这种方式调整步距不变，寻优时间长，相对双向搜索变调整步式步进跟踪方式而言，跟踪误差稍大一些。3.2卫星天线跟踪控制软件设计【1】【2】一般步进跟踪方式的驱动电机采用步进电机，为了降低系统成本，使驱动设备简单可靠。我们研制的卫星天线跟踪控制系统采用的是三相交流电机，系统组成如图1所示，该系统是一个数字闭环系统，搜索、调整步距可以用天线转动的角度来度量。根据卫星天线主瓣波束宽度估算公式0.5=70（/D），当采用D=4.5米天线接收Ku波段信号时，取0.025米，0.5=0.39度，可以设搜索步距最大为0.2度，调整步距最大为0.05度。图3是根据双向搜索等调整步式步进跟踪原理设计的控制程序流程图， P=1时启动方位轴电机，P=2时启动俯仰轴电机。位置反馈数存于B，就是把天线现位置的角度值通过信号调理和A/D转换成轴角数字信号存于B内。接着是“搜索步距选择子程序”，就是根据上述公式(8)计算出搜索步距i并令其为S，再接下去的是一条指令(B+S步B)是指天线由原位置向前转动S步，并把这个新的轴角数字值存于B内。指令“位置闭环子程序”是把执行指令(B+S步B)后的轴角数字值B与指令执行前的轴角数字值B两者之差值，即需要调整的步数角度(B+S B)=S步,由CPU发出控制指令驱动天线向前转动S步，达到所要求的位置。当天线到达前进S步的位置后，执行“取场强信号子程序”，为适应数字信号解码过程，天线先在该位置上等待几秒钟，再对信号电场值采样5次并去掉最大值和最小值再求平均后把该值存入m1中，然后命令天线再后退2S步，并把指令(B-2S步B)执行后新的位置反馈数存储在B，经“位置闭环子程序”推动天线达到新位置，天线先在该位置上等待几秒钟后再对信号电场取样并进行上述处理后存入m2中，再将第二个位置信号值m2与第一个位置的信号值m1之差存入存储器A，然后经逻辑指令判别A，如果A0表示第二个位置比第一个位置靠近卫星。进而比较这个差值A究竟有多大，如果A(为采样电路的灵敏度)，表示偏离卫星的距离还比较大，所以原来的天线位置应该向后退一个调整步，指令(B+S步B，B-Z步B)就是执行这个目的，Z=i，i是由上述公式(7)计算出的调整步距,它与双向搜索前后两点上的电场差值A有关。因为从原位置开始，天线共走了（S-2S+S-Z）=-Z步，由位置闭环子程序推动天线到新位置后，系统重新开始双向搜索。如果差值A，则表示天线在原位置上的波束已很接近卫星，此时可以认为系统在该平面内已跟踪到位了，天线只要回到原位置就可以了，执行指令(b+S步B)就是这个目的，因为天线从原位置走过的总步数为(+S-2S+S)=0，由位置闭环子程序推动天线回到原始位置。接着系统判别是哪个平面完成了跟踪过程，如果P=1，只完成了方位平面内的跟踪，系统回到左侧P=P+1=2的指令，启动俯仰轴电机，开始双向搜索，直到两个信号的差值A，说明天线在原位置上波束偏离卫星还比较大，则应在原位置上向前调整一步，指令(B+S步B，B+Z步B)就是为了实现这个目的，因为从原位置开始，天线共走了 （S-2S+S+Z）Z步，位置闭环子程序就推动天线向前调整一步。新位置上系统又将开始新的一轮双向搜索。如果A，表示天线原位置已接近卫星，也可以认为已跟踪到卫星。所以天线回到原来位置就可以认为在该平面内系统已完成跟踪任务。并将此时的跟踪参考信号送（33H）最大值存储单元。以下过程与A0的过程同，不再解释了。为了防止因大风等意外原因改变天线位置或卫星漂移较快时，造成卫星接收系统不能正常工作，两次跟踪寻优的间隔不采取定时的办法，而采用随时采集5次跟踪参考信号并去掉最大值和最小值再求平均后送（34H）和原最大值（33H）比较，若（33H）（34H）2，则开始下次跟踪寻优，（2为跟踪信号允许跌落值），否则继续等待，这样即保证了卫星天线系统的正常工作，又不至于使驱动系统频繁工作影响电机寿命。为防止角度传感器受外界干扰，采集的角度信号不可靠，编程时还需加数字滤波程序。实际转动的搜索步距和调整步距不仅仅以反馈的角度数据为依据，而是根据反馈的角度数据和电机运行时间两项因素决定。4 参考文献1 沈民谊.卫星通讯天线、馈源、跟踪系统M北京：人民邮电出版社，1993.2172492 周航慈.单片机应用程序设计技术M北京：北京航空航天大学出版社，19913 卢洪武.卫星天线跟踪控制方法研究.J北京：卫星通信广播电视，2003.5The manufacture of the tracking and controller of digital satellite antennaLu Hong Wu(Communication college of shandong normal university, 250014Jinan,China)Abstr