便携站天线自动控制系统设计

栗 方,翟 静

(1.南阳师范学院 机电工程学院，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院 国际教育学院，河南 南阳 473061)

0 引言

我国是一个地震、洪灾、雪灾等自然灾害频发的国家，当灾害发生，通信中断时，如何确保灾情能快速准确地传递出来，有效传达抢险救灾决策，快速建立与灾区稳定可靠的通信通道是关键。在这种情况下便携站就能发挥应有的作用，通过快速地与卫星建立链接，实时地把灾区的视频、语音数据信息传递出来，为救灾指挥提供保障，有效提高处理突发事件的能力[1-2]。

国外便携站研究时间早，成熟产品得到了广泛应用，但是产品价格高，不易推广。国内近年来便携站研究发展迅速，占据了一定市场[3]。但现有的便携站普遍存在重量重、集成度不高、对星速度慢等特点[4]。本设计在现有产品基础上，针对产品重、携带不方便问题，采用比较轻的碳纤维复合材料制作的可拆卸抛物面天线面，俯仰机构采用俯仰电动推杆，通过此一系列的减重措施，使得便携站总重量小于25 kg，便于携带；针对现有产品集成度不高、对星慢等问题，本控制系统采用嵌入式控制软件，程序跟踪和步进跟踪相结合，实现便携站快速、精确的全自动一键对星[5-7]。

1 便携站控制系统构架

本文基于等效口径1 m的Ku频段天线为设计对象，该便携站控制系统分为主控制模块和操控模块2个模块。2个模块之间通过CAN总线进行通信。主控模块主要完成便携站的方位、俯仰、极化控制以及信标接收机、GPS、倾角仪等传感器数据的读取处理，操控模块完成便携站的调试、换星和远程监控等任务[8-10]。1 m便携站控制系统结构如图1所示。

图1 1 m便携站控制系统结构

2 便携站控制系统设计

2.1 俯仰轴控制设计

俯仰轴通过俯仰角度位移传感器来确定俯仰轴的位置信息，然后通过俯仰轴电动推杆推动天线面到相应的俯仰角度。俯仰轴摆动导杆结构如图2所示。

图2 俯仰轴摆动导杆结构

图2中，2为俯仰电动推杆，3为滑块，L3为滑块的最大运动长度，L4为滑块安装的位置尺寸，θ为俯仰角度，其初始理论角度为θ0。

L1，L2，L34组成一个初始三角形，它由初始理论角度θ0决定。在以后的天线调整过程中，通过L2长度的变化来调整俯仰角度。

俯仰角度θ和电动推杆L2的关系如下：

L22=L12+L342-2L1L34cos(1800-θ0)=

L12+L342+2L1L34cosθ0,

俯仰角度控制如图3所示。

图3 俯仰角度控制

俯仰轴角度检测和电机控制电动推杆之间是非线性关系，需要不断地进行俯仰角度测量，调节电动推杆的长度，实现俯仰角度的精确控制。

俯仰角度位移传感器采用天津诺沃泰克自动化技术有限公司生产的RFC4801角度传感器，该传感器通过感知磁块磁场方向变化，来确定需要测量的角度。通常情况，在转动轴上装有磁块，转动轴转动引起磁场方向改变，该变化被传感器集成电路采集，经过内部处理器处理计算得出模拟量的角度信号输出。该传感器分辨率高，容易安装，满足设计俯仰角度要求。

2.2 方位轴控制设计

方位轴控制采用了方位传感器加步进电机的设计方案，通过读取方位角度位移传感器的数据，驱动方位步进电机旋转到相应的角度位置[11-13]。

方位角度位移传感器同样采用天津诺沃泰克自动化技术有限公司生产的RFC4801角度传感器，方位电机采用减速永磁步进电机50BYJ，额定电压12 V，相数2相，齿轮减速比1∶25，步距角3.75/25。

步进电机驱动器采用上海优爱宝智能机器人科技股份有限公司生产的UIM24102微型步进电机控制驱动器。该驱动器采用RS232串行通信接口与主处理连接，通过指令控制驱动器工作。

2.3 极化轴控制设计

本系统通过设置一个零点开关来寻找极化测量的起始点，然后通过步进电机控制来计算极化角度。上电后，极化轴总是朝零点开关的方向转动，零点信号有效后，极化轴停，找到测试基准，确定基准角度。以后就利用步进电机的脉冲计数换算极化角度。

3 便携站操控模块设计

本系统操控模块采用基于CAN总线的分布式控制。主要完成卫星天线参数设定、状态监控等功能[14-15]。本系统CAN总线数据波特率设定为512 kbps，主控制CPU模块和监控保护分配不同的ID地址，定义CAN的数据格式，如目标地址0x05，标识符0x60，0x60，命令号0x52，数据内容4 Byte(1，2 Byte卫星经度；3，4 Byte卫星维度)。操控模块界面如图4示。

图4 操控模块界面图

4 便携站控制系统软件设计

便携站控制系统软件主要涉及系统自动对星功能，本系统采用程序跟踪和步进跟踪相结合，实现便携站的快速精确锁定卫星。

程序跟踪：设定目标卫星的信息。系统通过读取GPS经纬度信息，根据以下公式自动计算天线的理论俯仰角、方位角和极化角，同时驱动方位、俯仰和极化电机实现对卫星的跟踪，卫星天线进行粗对星[16-18]。

式中，γ为天线方位角；δ为天线俯仰角；ε为天线极化角；φ为卫星经度；α为便携站经度；θ为便携站维度；地球半径r=6 371 km；同步轨道卫星半径R=42 218 km。

步进跟踪：便携站粗对准卫星后再采用步进跟踪实现天线的精准对星。通过信标接收机接收到的电平值AGC判断是否对准目标卫星，使天线在一定的方位角和俯仰角范围内精密地调整天线方位角和俯仰角，AGC电平值不变，天线不动，如果AGC电平值增加了，则天线沿着原来的方向转动一个微小角度，反之天线沿着相反的方向转动一个微小角度，方位角和俯仰角方向交替转动，最终天线精确锁定目标卫星。控制系统软件流程图如图5所示。

图5 便携站控制系统流程

5 结束语

本系统采用炭纤维复合材料的可拆卸天线面及电动推杆作为俯仰轴设计，大大减轻了便携站的重量，便于携带，也提高了俯仰角精确度。同时采用嵌入式软件开发方式，使得便携站具有一键自动对星功能，寻星过程中程序跟踪和步进跟踪相结合，能够在2 min内快速、精确地锁定目标卫星，不论地点和环境，对星成功率高，主控制模块和操作模块之间通过CAN总线控制连接，使得便携站操作简单、便捷，系统稳定可靠，便于应用。