基于LabVIEW的天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)設計

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，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雜的電子設備之一。隨著電力電子、控制理論、計算機等技術的快速發(fā)展以及電機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。隨著衛(wèi)星地面站建設規(guī)模的擴大，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。對這些地面站來說，以中心機房的位置為參照物，天線及其伺服系統(tǒng)的分布通常呈現(xiàn)星形拓撲結構。在地面站設備監(jiān)控系統(tǒng)成一體化發(fā)展的趨勢下，對各天線伺服系統(tǒng)實施遠程集中監(jiān)測監(jiān)控勢在必行。通常情況下，不同型號天線伺服系統(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)測監(jiān)控軟件設計具有一定的復雜性。多型號、多部套天線伺服系統(tǒng)集中監(jiān)測監(jiān)控問題逐漸成為地面站電子設備一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)成為必要。

1 天線伺服基本知識

早在1934年，“伺服機構”一詞己經(jīng)出現(xiàn)。隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)這個自動控制分支的理論與實踐也逐漸成熟，并于20世紀50年代開始得到廣泛應用。[1] 伺服技術在衛(wèi)星通信地球站分系統(tǒng)中的應用，形成了天線伺服技術。早期的直流伺服系統(tǒng)大都由晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動柜和工控機為核心的ACU組成。通用伺服系統(tǒng)還存在交流化的趨勢，主要原因在于交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負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如下:

(1)主要功能指標

1.方位、俯仰軸電機驅(qū)動控制及制動控制;
2.方位、俯仰軸位置檢測及多種模式的天線控制;
3.可存儲多個衛(wèi)星位置;
4.軟限位、開關預限位和終限位三級限位保護;
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)度就可計算出天線對準衛(wèi)星的方位角(AZ)、俯仰角(EL)，并用AZ和EL來調(diào)整天線，使其對準相應的衛(wèi)星。設地球站的緯度為。。(北緯為正.南緯為負)，經(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負)，衛(wèi)星經(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負)，方位以正北為零，順時針方向為正，利用靜止衛(wèi)星和地球站的幾何關系，由幾何學和球面三角學很容易推導出地球站天線對準衛(wèi)星的方位角Az、俯仰角EL的計算公式[2]。

當?shù)厍蛘咎炀€位于北半球時，其對準衛(wèi)星的方位角、俯仰角的計算公式分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?shù)厍蛘咎炀€位于南半球時，天線對準衛(wèi)星的方位角AZ，，其計算公式為：


AZ為地球站天線位于北半球時，天線對準衛(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、位置檢測及各種控制功能的設備。天線伺服系統(tǒng)、天線上的驅(qū)動電機、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號回路設備等共同組成天線伺服跟蹤系統(tǒng)。一般可分為以下五個部分:電源、系統(tǒng)控制、方位驅(qū)動、俯仰驅(qū)動、人機接口等。天線伺服系統(tǒng)一般包含三個控制回路:信號控制回路、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