關于便攜式衛星通信系統設計問題的探討

賀曉文 何建東

【摘 要】當前地質災害事故時有發生，在救援過程中，往往是利用衛星通信系統來完成災區信號的傳輸。便攜式衛星通信系統可隨身攜帶，方便信號傳輸工作的開展，目前已經在很多的領域得到了廣泛的應用。本文作者將針對便攜式衛星通信系統的設計問題展開探討。

【關鍵詞】便攜式衛星通信；天線；信號；設計

【中圖分類號】 P185.18【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0013-02

一、總體結構設計

便攜式衛星通信控制系統整體結構組成及其中各模塊主要設計和功能如下：

1、測量與信號調理模塊用于測量天線姿態和位置。本系統采用GPS、三軸電子羅HMR3300 和信標機實現天線位置和姿態測量：GPS用于測量通信系統所在地的地理位置，HMR3300用于測量天線的方位、俯仰姿態信息，信標機則通過輸出A G C電平檢測天線的對星精度；G P S和HMR3300均通過串口輸出數據，而信標機的AGC電平模擬信號經過信號調理模塊進行濾波、 放大。

2、天線控制器模塊和電機及驅動模塊相結合，用于實現天線的衛星跟蹤和指向對準。 對于控制器，考慮到系統實時性和快速性要求較高，選用了低功耗和高性能的TMS320F2812 作為系統的主控芯片；為使系統結構緊湊，驅動電機采用MT57STH52-3008A混合步進電機。

3、液晶顯示模塊用于實時顯示天線的方位、俯仰指向和信標接收機輸出的電平值等信息。

4、無線監控模塊用于實現用戶對控制系統的實時監控，向控制系統發送指令，同時接收控制系統發送過來的數據并將其顯示在上位機上，一方面便于用戶掌握天線的實時狀態信息，另一方面可切換為天線遙操作。

二、控制系統工作原理

控制系統所能實現的天線對星性能決定了系統通信質量。為了實現高精度、快速對星， 本系統采用粗精對準相結合的方法，實現衛星信號的快速搜索與高精度指向：系統的衛星信號搜索是一個粗對準的過程，通過程序跟蹤的方法實現；天線的高精度指向是一個精對準的過程，通過步進跟蹤的方法實現。

1、天線搜索與控制

（1）方位角、俯仰角計算。天線對星指向角的計算需同時知道地球站所在地的經度、緯度和靜止衛星的在軌經度。靜止衛星S與地球站A之間的幾何關系如圖1所示。圖中，A 表示地球站，S表示靜止衛星，B為地球站A的經線與赤道的交點，O與S的連線在地球表面上的交點C稱為星下點，地球表面上通過A點和C點的弧線AC稱為方位線，AN為AC的切線，AM為AB的切線，面OAS為方位面，D為切線AM與赤道平面的交點，E為切線AN與赤道平面的交點。地球站與靜止衛星的連線稱為直視線，直視線在地面上的投影，即地球站與星下點間的弧線稱為地球站對靜止衛星的方位線，方位線與直視線確定的平面稱為方位面。方位角是指地球站所在經線的正南方向按順時針方向與方位面所構成的夾角，用∠MAN 表示，俯仰角是指地球站的方位線與直視線的夾角。

設地球站A的經度和緯度分別為φ和θ1，靜止衛星經度為φ2，經度差△φ=φ1-φ2，以下具體給出地球站天線對準衛星所需的方位角φa和俯仰角φe的推導過程。對于方位角，由圖可得：

AD=ODsinθ1 ①

tanφa=DE/AD ②

tan△φ=DE/OD ③

由以上三式可以得出天線方位角：

tanφa=tan△φ/sinθ1 ④

由于利用上式求出的方位角是以正南方向為基準求得的，故實際的方位角可用下述方法求出：

方法一：地面站位于北半球：一是衛星位于地面站東南方向：方位角=180°-φa；二是衛星位于地面站西南方向：方位角=180°+φa。

方法二：地面站位于南半球：一是衛星位于地面站東北方向：方位角=φa；二是衛星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。

如果計算出的方位角是正值，則天線向正南偏東轉動，反之，則天線向正南偏西轉動。對于俯仰角，同樣計算可得。

（2）基于分區 PID 的天線控制算法。

得到方位角和俯仰角度后， 需要對電機進行控制， 驅動其又快又好地到達期望的位置。常規的PID控制器采用固定的控制參數，難以兼顧快速性和平穩性的控制要求。為實現天線快速、平穩控制，本系統設計了基于分區 PID 的控制算法，即根據誤差將系統分為若干區，不同的分區采用不同的 PID 控制策略， 引導系統又快又好地到達指令位置。 為簡化控制器設計，對誤差分區時采用對稱分區。具體原理和設計如圖2所示。

O-A 階段：此時偏差很大，系統遠離期望位置，考慮采用控制器輸出的最大值進行控制 ， 即Bang -bang控制；A -C階段：此時偏差較大，但為防止系統上升過快導致較大超調，考慮采用比例控制；C-D階段：此時偏差在一定范圍內，為實現系統平穩控制，采用比例-微分控制；D-E階段：此時偏差較小，為實現系統平穩、準確控制到位，采用PID控制。在天線的搜索過程中，俯仰系統、方位系統均采取分區 PID控制算法。

2、天線跟蹤算法

經過粗對準完成衛星信號的搜索，天線進入能收到信號的范圍，但是收到的信號強度較弱，距離信號最強指向還有一定的角度偏差。為了使信號接收效果達到最佳，需進入跟蹤狀態，即進一步做天線指向的精對準。在這一階段，需在利用信標接收機的輸出電平AGC的大小變化進行步進跟蹤，最終找到信號最強的位置作為對準衛星的目標位置。處于跟蹤狀態的天線控制系統采用步進跟蹤方法。方位和俯仰電機按照俯仰向上～方位向左～俯仰向下～方位向右的順序轉動一圈，在此過程中，電機每走一步，就比較此時信標接收機輸出的AGC 電平與之前一次輸出的AGC電平的大小，如果AGC電平變大， 則電機在同方向繼續走一步， 反之，則改變跟蹤方向，使另一方向的電機走一步。如果在跟蹤幾圈后發現信標接收機輸出的 AGC電平一直大于跟蹤門限電平，則認為天線已經對準衛星，此時天線在這狀態，開始接收衛星信號進行通信。在通信過程的同時不間斷地采樣 AGC 電平，若由于外界干擾等因素導致AGC電平值又重新小于跟蹤門限電平，則退出穩定狀態，進入衛星跟蹤狀態，如果AGC 電平小于搜索門限電平，則進入衛星搜索狀態。

三、系統控制軟件設計

天線控制系統軟件的任務就是設計實現系統的各模塊功能，本系統的軟件設計分為三大塊：DSP 與天線姿態的初始化、衛星信號的搜索、衛星信號的跟蹤。DSP和天線姿態初始化兩個模塊為系統尋星做準備，在進入衛星信號搜索和跟蹤階段后，系統要不斷地完成與HMR3300、GPS的通信和采樣信標接收機AGC電平，并將這些信息通過LCD顯示或和通過無線模塊傳輸給上位機實時監控。其中天線姿態的初始化和衛星信號的搜索與跟蹤均包含信號采集處理、串口通信、液晶顯示、無線監控、電機控制五部分。

四、監控系統軟件設計

監控分系統的主要任務有：①配置無線模塊參數和目標衛星經度；②發送目標衛星的位置數據給下位機控制器， 控制器則根據此數據和 GPS接收機發送的天線當前所在地的經緯度信息計算天線的方位、俯仰角；③與控制系統通信，通過數據和圖形方式顯示下位機發送過來的天線的理論方位、俯仰角以及當前方位、俯仰指向，并通過方位、俯仰指向的波形來實時顯示控制效果；④發送指令給控制器，遠程控制步進電機轉動；⑤復位系統。主要工作流程為：無線模塊配置-用戶輸入目標衛星信息-向下位機發送指令-接受下位機發送過來的天線狀態信息-通過信息發送下一步指令。

五、結束語

總的來說，便攜式衛星通信控制系統，能夠較好地完成天線對目標衛星的自動搜索與跟蹤，確保天線高精度指向，從而讓衛星通信得以實現。

參考文獻

[1]汪波。 用于地面氣象觀測的北斗衛星通信傳輸系統設計與實現[D]。北京郵電大學，2012

[2]袁磊峰。 用于衛星通信的艦載天線穩定系統的設計及工程實現[D]。南京理工大學，2003