基于LabVIEW的天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

天線伺服系統(tǒng)在確保地面站天線精確指向中繼衛(wèi)星的同時(shí)，還要求具備高平穩(wěn)、高可靠和長壽命等特殊性能，是衛(wèi)星地面站中不可或缺的較為復(fù)雜的電子設(shè)備之一。隨著電力電子、控制理論、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)由液壓發(fā)展到電動(dòng)。隨著衛(wèi)星地面站建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，很多地面站保有的大型天線數(shù)量己經(jīng)從一套增加到多套。對(duì)這些地面站來說，以中心機(jī)房的位置為參照物，天線及其伺服系統(tǒng)的分布通常呈現(xiàn)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在地面站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)成一體化發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)各天線伺服系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控勢(shì)在必行。通常情況下，不同型號(hào)天線伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議不能互相兼容，多部套天線伺服系統(tǒng)并行監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性。多型號(hào)、多部套天線伺服系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控問題逐漸成為地面站電子設(shè)備一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成為必要。

1 天線伺服基本知識(shí)

早在1934年，“伺服機(jī)構(gòu)”一詞己經(jīng)出現(xiàn)。隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)這個(gè)自動(dòng)控制分支的理論與實(shí)踐也逐漸成熟，并于20世紀(jì)50年代開始得到廣泛應(yīng)用。[1] 伺服技術(shù)在衛(wèi)星通信地球站分系統(tǒng)中的應(yīng)用，形成了天線伺服技術(shù)。早期的直流伺服系統(tǒng)大都由晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)柜和工控機(jī)為核心的ACU組成。通用伺服系統(tǒng)還存在交流化的趨勢(shì)，主要原因在于交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1.1 天線伺服的功能

天線伺服系統(tǒng)的主要功能及性能指標(biāo)如下:

(1)主要功能指標(biāo)

1.方位、俯仰軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制及制動(dòng)控制;
2.方位、俯仰軸位置檢測(cè)及多種模式的天線控制;
3.可存儲(chǔ)多個(gè)衛(wèi)星位置;
4.軟限位、開關(guān)預(yù)限位和終限位三級(jí)限位保護(hù);
5.俯仰收藏鎖定控制;
6.故障顯示、告警及記錄。

地球站天線觀察衛(wèi)星的參數(shù)是由地球站天線的位置和同步軌道衛(wèi)星的位置共同確定的。靜止衛(wèi)星的位置用其星下點(diǎn)的經(jīng)度表示，地球站天線的位置用所在地的地理經(jīng)度和地理緯度表示。根據(jù)地球站天線所在地的經(jīng)度和緯度以及衛(wèi)星經(jīng)度就可計(jì)算出天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角(AZ)、俯仰角(EL)，并用AZ和EL來調(diào)整天線，使其對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的衛(wèi)星。設(shè)地球站的緯度為。。(北緯為正.南緯為負(fù))，經(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù))，衛(wèi)星經(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù))，方位以正北為零，順時(shí)針方向?yàn)檎?，利用靜止衛(wèi)星和地球站的幾何關(guān)系，由幾何學(xué)和球面三角學(xué)很容易推導(dǎo)出地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角Az、俯仰角EL的計(jì)算公式[2]。

當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€位于北半球時(shí)，其對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、俯仰角的計(jì)算公式分1-1、1-2：



Rs，代表地球半徑(6378km)，H代表同步衛(wèi)星距地球表面的高度(35786km)。
當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€位于南半球時(shí)，天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角AZ，，其計(jì)算公式為：


AZ為地球站天線位于北半球時(shí)，天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角。

1.2 天線伺服的組成與原理

天線伺服系統(tǒng)，是指完成天線驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)及各種控制功能的設(shè)備。天線伺服系統(tǒng)、天線上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號(hào)回路設(shè)備等共同組成天線伺服跟蹤系統(tǒng)。一般可分為以下五個(gè)部分:電源、系統(tǒng)控制、方位驅(qū)動(dòng)、俯仰驅(qū)動(dòng)、人機(jī)接口等。天線伺服系統(tǒng)一般包含三個(gè)控制回路:信號(hào)控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天線伺服系統(tǒng)框圖，如圖1


圖1 天線伺服控制系統(tǒng)框圖