卫星天线伺服控制系统研究

2016-11-23景丹玉

工程技术研究 2016年10期

关键词：卫星天线伺服系统环路

景丹玉，韩刚

（91917部队，北京 102400）

卫星天线伺服控制系统研究

景丹玉，韩刚

（91917部队，北京 102400）

在进行卫星通信过程中，天线的快速、准确、精密、稳定将会直接决定其通信质量的高低，因此需要采取措施构建一个安全、可靠、稳定的通信链路，以确保其通信过程的顺利进行。文章对卫星天线伺服控制系统给予介绍和探讨。

卫星天线；伺服控制系统；工作原理；数学模型

1 卫星天线伺服控制系统简介

1.1 卫星天线伺服系统的工作原理

在进行卫星天线伺服系统设计过程中，要按照星载计算机预先设定的天线转向命令，来使两个方向天线转向设定的位置，从而进行数据传输任务。其卫星天线系统常用频段主要有C、Ku、Ka等。而卫星电视广播常选择C频段。Ka频段主要是向客户提供千兆比特级的数字传输、高速的卫星通信、高清数字电视以及一些个人通信业务。以Ku频段的机载卫星天线伺服控制系统为例，它可以高精度的快速、准确的实现对目标卫星的校正，构建安全、稳定的持续信号输出链路，以实现通信服务。天线平台和伺服平台是双系统的两种平台体制，后者具有两个不同的正交自由的天线座，分别是俯仰天线座和方位天线座。与单平台的设计方案相比，上述结构的设计不仅可以有效提高伺服系统的带宽范围，而且还能够在一定程度上提升系统的谐振效率。卫星天线伺服系统主要由以下几部分组成，分别是伺服电动机、限位开关、角度传感器、伺服控制器、测速电动机、PWM伺服控制驱动器、减速器等。在伺服控制器系统中，俯仰和方位以对星开始，根据GPS数据来对计算机和卫星实现控制，并实时监测天线载机的飞行状态，以准确的得出俯仰的角度、天线的方位等信息，通过坐标换算可以得到相应的载体坐标系角度，最后借助一定的手段进行方位闭环的调整，可以使天线准确对准卫星，从而有效的实现卫星通信。

1.2 伺服电机的特点

伺服电机属于卫星天线伺服控制系统中比较重要的组成部分，其一般是根据预先设定好的程序进来控制机械的转动。伺服电机一般是通过将输入电压转化为矩和速度，从而控制着天线的正常转动。伺服电机性能的好坏将会直接决定卫星天线伺服控制系统的整体性能和稳定性，以及卫星的响应速度等功能。在卫星天线伺服控制系统中，伺服电机通常会选用交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机等。其中直流伺服电机具有噪音小、运行平稳等特点，但是机械中的交流电机转子具有较大的损耗和阻抗，而且工作效率比较低。与相同容量的直流伺服电机进行对比发现，交流伺服电机具有相对比较大的重量和体积，在一定程度上影响其工作效率。综上可以归纳出直流伺服电机具有过载能力大、低速力矩大、转动惯量小、波动小、体积小、调速范围宽、运行稳定、噪音小、效率高、可控变压范围大、频率可调。此类直流电机可应用于绝大多数的卫星系统中，适用于要求严苛的环境。

2 卫星天线伺服系统

2.1 卫星天线伺服系统数学模型建立原则

卫星天线伺服控制系统是非线性系统，具有强耦合、多变量且内部关系复杂等特点，借助一定的手段构建一个合理的数学模型不仅可以对系统的运动规律和内部变量间的相互关系进行详细的刻画，而且还能够通过模型来对其系统动态特性进行细致地了解和掌握，从而为后续工作的开展奠定良好的基础。方位环路一般是由位置环路和速度环路两部分组成，其中位置环处于外环，速度环为内置环。速度环的方位校正、速度的调节一般是由PWM功放中集成的模拟控制器来控制和进行的，位置环的控制通常是由预先设计好的控制器进行控制的。位置伺服环路在控制系统中位置环为外环，速度环为内环，这样一来就组成了一个相对封闭的双闭环系统，其不仅可以有效地发挥内环的性能，而且还能具备良好的抗干扰性和随动性，以确保外环能够实现快速性和定位的准确性。

2.2 伺服控制系统主程序的设计流程图

卫星天线伺服控制系统要想稳定运行，需要保证主程序系统的各功能模块有机地结合在一起，成为一个强大的集通信、定位、传输、视频于一身的庞大卫星系统。伺服控制系统主要流程程序如图1所示：

图1 伺服控制系统主要流程

首先系统通过初始化载入一些数据，然后进行方位和俯仰参数的清零，然后工作模式，选择合适的工作路径来针对不同的客户需求。当收到退出指令时则需要判断是否还要进行下一步，如果是则返回，保存设置好的参数。反之，则需要再次存储参数载入，然后采集轴角以及俯仰的角度和调速，经过计算机控制、处理后的数据传送给串口，最后由D/A输出最终的通信，为客户和指定人群以及车载等带去交流、定位、传输的日常需求。