基于LabVIEW的天线伺服集中监控系统设计

0 引言

天线伺服系统在确保地面站天线精确指向中继卫星的同时，还要求具备高平稳、高可靠和长寿命等特殊性能，是卫星地面站中不可或缺的较为复杂的电子设备之一。随着电力电子、控制理论、计算机等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提高，伺服系统由液压发展到电动。随着卫星地面站建设规模的扩大，很多地面站保有的大型天线数量己经从一套增加到多套。对这些地面站来说，以中心机房的位置为参照物，天线及其伺服系统的分布通常呈现星形拓扑结构。在地面站设备监控系统成一体化发展的趋势下，对各天线伺服系统实施远程集中监测监控势在必行。通常情况下，不同型号天线伺服系统的通信协议不能互相兼容，多部套天线伺服系统并行监测监控软件设计具有一定的复杂性。多型号、多部套天线伺服系统集中监测监控问题逐渐成为地面站电子设备一体化集中监控系统设计与实现成为必要。

1 天线伺服基本知识

早在1934年，“伺服机构”一词己经出现。随着自动控制理论的不断发展，伺服系统这个自动控制分支的理论与实践也逐渐成熟，并于20世纪50年代开始得到广泛应用。[1] 伺服技术在卫星通信地球站分系统中的应用，形成了天线伺服技术。早期的直流伺服系统大都由晶闸管直流调速驱动柜和工控机为核心的ACU组成。通用伺服系统还存在交流化的趋势，主要原因在于交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现交流伺服系统的优越性。

1.1 天线伺服的功能

天线伺服系统的主要功能及性能指标如下:

(1)主要功能指标

1.方位、俯仰轴电机驱动控制及制动控制;
2.方位、俯仰轴位置检测及多种模式的天线控制;
3.可存储多个卫星位置;
4.软限位、开关预限位和终限位三级限位保护;
5.俯仰收藏锁定控制;
6.故障显示、告警及记录。

地球站天线观察卫星的参数是由地球站天线的位置和同步轨道卫星的位置共同确定的。静止卫星的位置用其星下点的经度表示，地球站天线的位置用所在地的地理经度和地理纬度表示。根据地球站天线所在地的经度和纬度以及卫星经度就可计算出天线对准卫星的方位角(AZ)、俯仰角(EL)，并用AZ和EL来调整天线，使其对准相应的卫星。设地球站的纬度为。。(北纬为正.南纬为负)，经度为凡(东经为正，西经为负)，卫星经度为凡(东经为正，西经为负)，方位以正北为零，顺时针方向为正，利用静止卫星和地球站的几何关系，由几何学和球面三角学很容易推导出地球站天线对准卫星的方位角Az、俯仰角EL的计算公式[2]。

当地球站天线位于北半球时，其对准卫星的方位角、俯仰角的计算公式分1-1、1-2：



Rs，代表地球半径(6378km)，H代表同步卫星距地球表面的高度(35786km)。
当地球站天线位于南半球时，天线对准卫星的方位角AZ，，其计算公式为：


AZ为地球站天线位于北半球时，天线对准卫星的方位角。

1.2 天线伺服的组成与原理

天线伺服系统，是指完成天线驱动、位置检测及各种控制功能的设备。天线伺服系统、天线上的驱动电机、位置传感与限位装置、跟踪信号回路设备等共同组成天线伺服跟踪系统。一般可分为以下五个部分:电源、系统控制、方位驱动、俯仰驱动、人机接口等。天线伺服系统一般包含三个控制回路:信号控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天线伺服系统框图，如图1


图1 天线伺服控制系统框图