齊曉娜(中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司,河北 石家莊 050081)

一種便攜站天線伺服系統(tǒng)設(shè)計

齊曉娜
(中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司,河北 石家莊 050081)

介紹一種便攜站天線伺服系統(tǒng)，利用一體化設(shè)計理念使得伺服系統(tǒng)體積小、重量輕。同時輔助以多項軟件算法如角度標校、航向校正，使得對星過程簡單、高效。便攜站天線可單人背負，應用于抗震救災、應急通信等方面具有較大優(yōu)勢。

一體化設(shè)計；一鍵尋星；角度標效；航向校正

0 引言

隨著科技的發(fā)展和應急通信設(shè)備的需求，便攜站天線[1]的設(shè)計逐漸以一體化設(shè)計、智能化設(shè)計做為設(shè)計理念，以便于攜帶及操作簡單。通過介紹伺服系統(tǒng)設(shè)計原理，本文論述了一種便攜站天線伺服系統(tǒng)設(shè)計。

1 便攜站天線基本組成

該天線座架在結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計，重量輕，外型美觀。伺服和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，伺服盡量選用體積小，重量輕的元器件，并且驅(qū)動與電機采用整體—體化設(shè)計；伺服控制跟蹤盒安裝在天線底箱里，這樣無需單獨的伺服控制機箱以及相應的控制電纜，整個天線外型簡潔美觀。整體外觀圖，見圖1。

圖1 帶箱體外觀和無箱體上蓋外觀

該設(shè)計實現(xiàn)了整個對星過程的自動化和快速化。給系統(tǒng)加電自檢完成后，只需按一下箱體上的“對星”按鈕，天線便在3min內(nèi)自動完成對星操作，整個過程不需人工干預。

2 伺服系統(tǒng)設(shè)計原理

伺服系統(tǒng)自動采集天線姿態(tài)信息、位置信息后，根據(jù)目標衛(wèi)星經(jīng)度計算出所對衛(wèi)星的方位角、俯仰角。然后通過驅(qū)動控制電路控制電機，調(diào)整天線的方位角、俯仰角，完成天線目標指向功能。伺服設(shè)計原理圖見圖2。

圖2 伺服控制設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 主控板設(shè)計

主控板采用了高速單片計算機作為控制核心，主控板是伺服控制跟蹤系統(tǒng)的核心，采用功能模塊化和一體化的設(shè)計方法，實現(xiàn)采集羅盤、GPS、軸角、限位信息、接收信標信號以及驅(qū)動方位、俯仰電機等功能，見圖3所示。

圖3 主控板信息流

3.2 步進電機驅(qū)動控制

天線方位、俯仰驅(qū)動采用步進電機，考慮到體積小型化、控制簡單可靠、功耗情況和供電形式選用小型一體化步進電機。驅(qū)動與電機采用整體—體化設(shè)計，帶12bit碼盤反饋。具有CAN接口，與主控板全數(shù)字交互數(shù)據(jù)，有效提高了控制精度，簡化了控制電路。

3.3 電子羅盤和GPS的選取

目前，市場上定向定位產(chǎn)品基本為慣導[2]、尋北儀、電子羅盤、GPS /北斗、雙GPS/北斗等產(chǎn)品，本文選取了電子羅盤加GPS方式，理由如下：

慣導、尋北儀定向精度高，不受天氣、晝夜、地磁場和場地通視條件的影響，但是價位高、體積大，不適用于便攜站天線系統(tǒng)中。

雙GPS/北斗，可以出定位定向信息，但GPS天線安裝受限，基線長度決定定向的精度。越長精度越高。本系統(tǒng)由于便攜要求外形尺寸較小，無法提供長基線，故未采用。

電子羅盤是利用地磁場來定北極的一種方法，成本低、體積小、定向精度較高(0.5°)。但是受地磁環(huán)境以外產(chǎn)生的磁場影響較大。只能作為獲取大致航向，再通過伺服系統(tǒng)扇掃來鎖定目標，該系統(tǒng)采用的為Honeywell生產(chǎn)的HMR3000。

GPS/北斗是通過衛(wèi)星定位，GPS與北斗信號可自由切換，其體積小、重量輕、功耗低，所以本系統(tǒng)采用GPS+電子羅盤的形式來定位定向。此種方式已經(jīng)在大量的工程中成功應用。

3.4 跟蹤接收機模塊

天線接收到的頻段信號經(jīng)LNB放大變頻后輸出一路給跟蹤接收機進行解調(diào)跟蹤，與伺服控制一體化設(shè)計，該模塊集成至伺服系統(tǒng)中。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件流程

伺服控制軟件運行在主控板上。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和運動控制。

系統(tǒng)上電后，首先初始化，然后自動采集限位、定位定向以及故障等信息，等待系統(tǒng)命令。一旦收到一鍵尋星命令，系統(tǒng)進行星位計算，馬上驅(qū)動天線轉(zhuǎn)到理論計算的方位角、俯仰角，此時如果跟蹤接收機不能鎖定，立即進入快速扇掃步驟，跟蹤接收機鎖定后自動運行旁瓣識別程序，確認主瓣后進入快速跟蹤程序，直到跟蹤到信號最強，“鎖定”指示燈變亮，對星完成。為了實現(xiàn)一鍵尋星，在軟件中采用了多項算法，實現(xiàn)了整個對星過程的自動化和快速化。

4.2 軟件中采用的關(guān)鍵技術(shù)

本文就軟件中多項算法中的角度標效、航向校正技術(shù)介紹如下：

a) 角度標效

本系統(tǒng)中使用的12bit碼盤反饋為增量式。為防止角度有誤，每次上電需要將角度校準。系統(tǒng)中安裝標效開關(guān)，或者限位開關(guān)也可當作標效開關(guān)使用。系統(tǒng)出廠前置入標校開關(guān)角度信息，系統(tǒng)上電后，自動標效角度。

b) 航向校正

電子羅盤容易受磁場影響，如果磁場環(huán)境較差，電子羅盤提供的姿態(tài)信息偏差就較大，計算的目標角度偏差就較大，這樣造成對星時間較長。如果在天線扇掃范圍內(nèi)，有同頻點的衛(wèi)星，還有可能對星失敗。為了避免該問題，伺服控制軟件中采用了航向校正技術(shù)。

航向校正技術(shù)：天線本次使用中，首次對星，依據(jù)工程經(jīng)驗對準一顆穩(wěn)定的衛(wèi)星，進而反向計算系統(tǒng)本身的姿態(tài)信息。而后轉(zhuǎn)到目標衛(wèi)星，伺服控制軟件計算的理論位置基本就是該衛(wèi)星的中心位置， 實現(xiàn)了對星的準確性，提高了對星速度。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種便攜站天線伺服系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用一體化、智能化設(shè)計。在系統(tǒng)中應用了大量整體—體化設(shè)計理念使得整個系統(tǒng)體積小、重量輕。同時伺服控制軟件采用多項技術(shù)，降低了系統(tǒng)使用難度。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，以及國家應急通信的需求日益增加，便攜天線會在各個領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

[1] 董華，溫倩，初曉軍.便攜式雷達天線系統(tǒng)測試與控制平臺的設(shè)計[J].計算機測量與控制,2014，22 (3):787-789.

[2] 魏英杰.動中通地面站衛(wèi)星天線伺服控制系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù),2007,33(3):30-32,

Design of a portable antenna servo system

QI Xiao-na
(ChinaCommunicationSystemCo.,Ltd.HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

A portable antenna servo system is introduced.Using the integrated design concept,the system is small and lightweight.While supporting a number of software algorithms such as angle calibration,heading correction,made the aiming process simple and efficient.Portable antenna can be single bear,used in earthquake relief,emergency communications and so on.

Integrated design;A key to find stars;Angle calibration;Heading correction

2017-05-10

齊曉娜(1982- ),工程師，主要研究方向為天線伺服控制.

1001-9383(2017)02-0038-04

TN927

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