【正文】 *50*26(mm)，其性能指標(biāo)具體如下所示：工作頻率： 950～1750MHz幅度穩(wěn)定性： 捕獲時(shí)間： 100ms捕獲帶寬： 50kHz，100kHz，250kHz可選（或根據(jù)用戶需要設(shè)定）調(diào)諧精度： 100Hz動(dòng)態(tài)范圍： 100～40dBm輸出直流電平斜率： 最大可2dB/V（根據(jù)用戶需要設(shè)定）輸出直流電平： 010V（或根據(jù)用戶需要設(shè)定）可模擬與數(shù)字輸出調(diào)諧控制輸入： 根據(jù)客戶的需求對控制方式可變控制控制信號及電源接口形式：DB9（或者根據(jù)客戶需求改變接口形式）射頻輸入接口： SMA（或根據(jù)用戶需求）輸出接口： 直流電平，DB9中1引腳（可從串口數(shù)字輸出）最大功耗： ≤3W工作電源電壓： +12～+24V工作溫度： 40～+80176。圖31 移動(dòng)衛(wèi)星天線跟蹤典型原理圖整個(gè)地球站系統(tǒng)包括上下位機(jī)兩部分，因此這兩部分之間的數(shù)據(jù)交換是關(guān)系雙方能否協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵。同時(shí)，為克服僅僅靠陀螺自身穩(wěn)定難以滿足衛(wèi)星通信對跟蹤精度要求的問題，采取了在陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上配以水平儀實(shí)時(shí)校正和饋源電平信號步進(jìn)跟蹤來達(dá)到高精度穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的目的。實(shí)際工作中由于對方位的判斷是依據(jù)磁北，而磁北與真北之間的磁偏角隨時(shí)間和地理位置會(huì)有一定變化，可以根據(jù)地磁圖采用劃區(qū)查表的方法獲得。如圖22所示。這種工作方式可稱為“快速通”。要求系統(tǒng)精確地跟蹤控制指令、實(shí)現(xiàn)理想運(yùn)動(dòng)控制過程一般稱為，“伺服控制技術(shù)”。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性的限制。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求，地球站可以同時(shí)具有發(fā)送和接收能力，也可以只有發(fā)送和接收能力。目前，國內(nèi)從事衛(wèi)星通信系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的單位有國防科技大學(xué)、原重慶巴山儀器廠、四川壓電與聲光研究所、與韓國WiWorld公司合作的北京賽錦諾公司等。自1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，人造衛(wèi)星即被廣泛應(yīng)用于通信，廣播，電視等領(lǐng)域。移動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的日趨完善，人們對移動(dòng)中通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、圖像等通信服務(wù)需求越來越大。 dynamic servo。 國內(nèi)外研究狀況國外對于這一項(xiàng)技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)相對成熟，且在海事、陸地及航空領(lǐng)域均有覆蓋。第二章 衛(wèi)星通信地球站伺服系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng)、通信地球站、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等4大功能部分組成。（2）在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。國家無線電管理局對移動(dòng)天線的尺寸大小有所考慮但還沒有形成規(guī)范性的文件。自動(dòng)對星是指在沒有專用儀器和專業(yè)人員參與的情況下，根據(jù)使用者輸入的對星需求信息，自動(dòng)采集對星需要的諸如天線姿態(tài)、天線所在地點(diǎn)地理位置等信息，然后通過對星軟件制定出合理的實(shí)現(xiàn)過程，最終控制并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對星操作以及建立通信信道。自動(dòng)信息采集模塊負(fù)責(zé)與電子羅盤通信，從中獲取車體的姿態(tài)信息。 船載衛(wèi)星通信伺服系統(tǒng)圖25 船載衛(wèi)星地球站所謂自動(dòng)對星就是將衛(wèi)星天線的主波束中心對準(zhǔn)要與之通信的衛(wèi)星，建立通信信道的過程。像飛機(jī)，艦船，車輛等機(jī)動(dòng)載體，其姿態(tài)是在不斷變化著的。 信標(biāo)接收機(jī)由于不是每顆衛(wèi)星都有大載波信號，因此對于某些衛(wèi)星，SHARP接收機(jī)將無法工作，這就需要信標(biāo)接收機(jī)。 俯仰電機(jī)俯仰電機(jī)選用的也是三協(xié)電機(jī)廠生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)，型號為57ZW3Y72A05，自帶相對碼盤。3初始比例因子精度%177。參考點(diǎn)。因此，長期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，并取得了一定的控制效果。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對常規(guī)PID本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即變結(jié)構(gòu)PID控制。在第一個(gè)采樣周期里，微分作用很強(qiáng)，跳得很高，而在第二個(gè)采樣周期，微分作用消失了。這種算法可以避免控制長時(shí)間停留在飽和區(qū)。 圓錐掃描基本概念圓錐掃描依靠饋源喇叭繞對稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)或副反射面旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)射束的跟蹤方式稱為圓錐掃描方式圓錐掃描跟蹤原理如圖 51 所示。在導(dǎo)彈與航天實(shí)驗(yàn)測控系統(tǒng)中，圓錐掃描自跟蹤通常僅用于精密跟蹤大天線對目標(biāo)進(jìn)行的初次捕獲時(shí)的引導(dǎo)，精確度不高，因而它僅作為一種輔助的跟蹤方式。通過目標(biāo)T做垂直于等信號軸的平面，它與等信號軸的交點(diǎn)為O，B 點(diǎn)為t時(shí)刻波束最大值方向與平面的交點(diǎn)，圓周為波束中心B 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，ε為誤差角，δ為波束偏角，θ為波束中心線與視線夾角，R 為天線到衛(wèi)星的距離。為天線半功率波束寬度，為歸一化波束偏角，為歸一化目標(biāo)偏角，可見，最大，而此時(shí)約為2 dB。致謝在此論文撰寫過程中，要特別感謝學(xué)長陳佳濱的指導(dǎo)與督促，同時(shí)感謝他的諒解與包容。移動(dòng)衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)能夠在載體車、船、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)中接收衛(wèi)星信號或進(jìn)行發(fā)射、接收雙向通信。為誤差信號曲線的斜率，為由于偏離天線電軸引起的信號功率損失。圓錐掃描跟蹤方式的波束旋轉(zhuǎn)圖見圖53。0. 8176。這種跟蹤體制的跟蹤速度和跟蹤精度要比步進(jìn)體制和圓錐掃描體制高，系統(tǒng)對信號的損失也很小。在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差方向立即作出相應(yīng)的變化，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。將此式寫成微分方程的形式為： （46）PID控制器的微分方程式為： （47）以上述采用的位置式PID算法為基礎(chǔ)，將式上兩式離散化，有 （48） （49） （410）以上各式中，T采樣周期；控制量調(diào)節(jié)系數(shù)?？紤]到目前“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信終端使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為直流電機(jī)，對于誤差增量值不是很敏感，為非積分元件，因此多采用位置型數(shù)字PID算法。30度或177。～360176。/s)20供電電壓VDC5177。無刷直流電機(jī)通過電子換向器代替機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，使其不僅保留直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。RS422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到約1219米，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器，有效的彌補(bǔ)了RS232傳輸距離有限的不足。第三章 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原理，本系統(tǒng)硬件可以分為以下幾個(gè)模塊：天線控制上、下位機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感器。主要實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)中獲取信息，可以看到存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的衛(wèi)星信號，也可以從上位機(jī)程序界面中對控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的這些功能，該伺服系統(tǒng)采用8051單片機(jī)對它進(jìn)行控制。該車載站的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便可靠，可在車內(nèi)進(jìn)行全部操作。地球站在接收轉(zhuǎn)發(fā)器通信業(yè)務(wù)的同時(shí)，也接收用于天線跟蹤的信標(biāo)，當(dāng)然信標(biāo)信號載頻不同于通信業(yè)務(wù)的載頻，以便實(shí)現(xiàn)頻分，所以在這里采用了頻分、時(shí)分、極化分的方法，從而確保信標(biāo)信號傳送到跟蹤接收機(jī)并分離出空間方位的誤差信號，再通過伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施天線自動(dòng)跟蹤。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。研究開發(fā)這種系統(tǒng)的成本和難度也相對較高，因此使用這種系統(tǒng)的費(fèi)用也是不菲?！皠?dòng)中通”即運(yùn)動(dòng)中的通信方式，以這種方式通信為主的船載、車載窄波束天線跟蹤系統(tǒng)，能夠克服載體在運(yùn)動(dòng)過程中給天線帶來的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對星的穩(wěn)定度和精確度，保證移動(dòng)中的通信質(zhì)量。關(guān)鍵疑難技術(shù)則包括PID控制和圓錐掃描兩種。本文描述了衛(wèi)星通信地球站隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。但是由于成本跟條件的限制，這樣的措施在一些人煙稀少的地區(qū)或者甚至海上便不能實(shí)現(xiàn)。我國國產(chǎn)的衛(wèi)星和地球站存在著性能差和市場占有率低等差距，國外大公司的產(chǎn)品幾乎壟斷了我國衛(wèi)星通信市場，這不僅嚴(yán)重阻礙了我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且對我國的通信安全構(gòu)成了極大的威脅。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。捕獲到衛(wèi)星后，再根據(jù)波束圓錐掃描輸出誤差信號對天線作閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償，對衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)跟蹤。由于車載站地址不固定,每到一個(gè)地點(diǎn)需要重新對星建立信道鏈接,加之目前車載衛(wèi)星站為了實(shí)現(xiàn)天線小型化，一般使用Ku波段通信，天線方向圖比較尖銳，對星難度比C波段大，而車載衛(wèi)星站所擔(dān)負(fù)的又常常是對時(shí)效性要求較高的通信任務(wù)，因此快速準(zhǔn)確地對星就成為衡量車載衛(wèi)星站應(yīng)用性能的重要指標(biāo)之一。在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，采用圓錐滾子軸承支撐，這種結(jié)構(gòu)既減小了旋轉(zhuǎn)摩擦力，而且有利于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對星完成后，控制軟件記錄衛(wèi)星天線在架設(shè)時(shí)方位和俯仰上實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度作為天線收起時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)角的依據(jù)。圖中，天線指向角。串行通信有三種標(biāo)準(zhǔn)：RS23RS42RS485。然而當(dāng)電機(jī)的頻率高于空載啟動(dòng)頻率時(shí)，容易造成步進(jìn)電機(jī)的失步，甚至無法正常工作。其性能指標(biāo)如表33所示。的二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)的高7位為0，低9位為數(shù)據(jù)，共占用2字節(jié)；安裝角:磁偏角為0176。采用VTI公司的SCA100T系列芯片。微分控制器可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其中之一的方法就是在PID算法中加入一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器），可使系統(tǒng)性能得到改善。帶死去的控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，當(dāng)︱︱≤︱︱時(shí)，數(shù)字調(diào)器輸出為零；當(dāng)︱︱﹥?chǔ)颚驎r(shí)，數(shù)字輸出調(diào)節(jié)器有PID輸出。這種體制的缺點(diǎn)是天線波束不能停留在對準(zhǔn)星體的方向上，而是在該方向的周圍不斷地?cái)[動(dòng)，因而跟蹤精度不高，這種體制適用于基本不動(dòng)的同步衛(wèi)星，對快速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星無法保證跟蹤精度。當(dāng)整個(gè)圓周的信號差小于容許值后便認(rèn)為達(dá)到了最大信號處。通常旋轉(zhuǎn)饋源大都會(huì)引起極化旋轉(zhuǎn)。其包絡(luò)調(diào)制的幅度正比于天線偏離正確位置的角度大小，其相對于波束掃描的相位則表示偏離角的方向，調(diào)制頻率為天線的圓錐掃描頻率，調(diào)制波地起始相位則由衛(wèi)星偏離等天線對稱軸的方向決定。衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無關(guān)，以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多址鏈接，通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多，性能穩(wěn)定可靠，靈活機(jī)動(dòng)，不受地理?xiàng)l件限制。在此，也對他們表示衷心感謝。圖55 誤差信號與波束偏角關(guān)系圖 圓錐掃描頻率為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對衛(wèi)星的快速跟蹤，就必須提高誤差信號電平的采樣速率，這樣可以加快天線的調(diào)整速率，相應(yīng)就該提高。接收信號振幅的交流分量為 （59） 式中,U表示目標(biāo)偏離等信號軸的大小?！繕?biāo)在天線軸向時(shí)接收電平。圓錐掃描跟蹤實(shí)現(xiàn)簡單，造價(jià)低，但跟蹤精度和速度低，并且由于饋源永遠(yuǎn)偏離天線拋物面的焦點(diǎn)而使天線的增益下降。衛(wèi)星對于平臺的穩(wěn)定性要求很高，因此選擇的角跟蹤體制必須有利于衛(wèi)星姿態(tài)的保持。在第一個(gè)采樣周期里，不完全微分控制比普通微分控制器的輸出幅度要小得多，第二個(gè)周期以后，微分作用在較長的時(shí)間內(nèi)在起作用，從而改善PID控制系統(tǒng)性能。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)