遠程操控數(shù)字衛(wèi)星天線控制器的研制

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展和進步，高科技以不同的方式逐漸滲入到人們生活的方方面面。衛(wèi)星通信是通信領(lǐng)域最杰出的代表，逐步深入到政治、經(jīng)濟、軍事、科研等不同的生活領(lǐng)域，是現(xiàn)代遠程教育工程中最重要的技術(shù)方法。隨著科技的發(fā)展，對衛(wèi)星通信質(zhì)量要求也在不斷提高，這就需要通過引起衛(wèi)星天線指向偏離衛(wèi)星原因的分析，本文提出用AT89C51單片機來實現(xiàn)衛(wèi)星天線跟蹤控制器為控制原理的硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計方法，通過簡要概述這一跟蹤控制軟件使用的步進算法和誤差補償技術(shù)，以便更為精確地對衛(wèi)星天線進行控制。

隨著人們學習方式不斷變化，遠程教育的作用在日常生活中逐漸凸顯，而衛(wèi)星通信需要遠程來實現(xiàn)操作，由于衛(wèi)星通信具有迅速、靈活、方便和資源豐富的特征，為遠程操作的推廣帶來了非常大的幫助。當前，衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于政治、經(jīng)濟、軍事、科技、教育等不同的生活領(lǐng)域之中，是現(xiàn)代遠程教育最重要的媒介。信息技術(shù)的進步要求衛(wèi)星通信技術(shù)具有更高的質(zhì)量和使用效率，對衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。地球重力的分布不均以及太陽風壓影響了同步通信廣播衛(wèi)星的正常工作，造成衛(wèi)星在軌道上發(fā)生的位置偏移。隨著衛(wèi)星使用的時間更長，它的控制能力也會相應(yīng)的下降，使漂移現(xiàn)象更加嚴重，造成沒有使用跟蹤控制系統(tǒng)的天線指向偏離衛(wèi)星的軌道。另一方面，在使用大口徑天線接收Ku波段的信號時，因為頻率較高而天線的主要波束寬度比較窄，天線容易受到風力或自身的形變等方面的影響，減少了天線接收的增益，引起通信和廣播信號使用的中斷。所以，研究和制造一種可靠性更高的衛(wèi)星天線自動跟蹤控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 衛(wèi)星天線跟蹤控制器的控制原理

衛(wèi)星天線跟蹤控制器系統(tǒng)的操作原理較為簡單。衛(wèi)星天線的調(diào)整主要分為搜索和自動跟蹤兩個過程。通過搜索來調(diào)節(jié)天線俯仰的角度和方位，使其更好地接收衛(wèi)星傳來的信息，如果天線已經(jīng)對準了衛(wèi)星，可以在接收來自衛(wèi)星的信息時，控制系統(tǒng)進行尋優(yōu)和自動跟蹤。其中，自動跟蹤和搜索過程最大的不同是：自動跟蹤以接收衛(wèi)星傳來的信息為調(diào)節(jié)的主要依據(jù)，搜索操作完成時所接受的衛(wèi)星信號，但是天線并沒有準確地對準衛(wèi)星，由控制器所控制的天線在限定的范圍內(nèi)進行反復掃描，找到接收信息的最佳位置，測出信號的強弱并進行存儲，之后再對這一信號與后續(xù)信號進行比較。如果發(fā)現(xiàn)所接收的信號與存儲的極限值存在差別，超過了預先設(shè)定的范圍，就要控制天線重新進行尋優(yōu)，使天線的指向達到最佳狀態(tài)，找到新信號的最大值，并且用新的極值替換舊的極值，確保天線指向處于最佳的狀態(tài)。

2 衛(wèi)星天線跟蹤控制器硬件的電路設(shè)計

衛(wèi)星天線跟蹤控制器以AT89C51為主控制器，拓展出一片8255I/O為接口的芯片，形成鍵盤和顯示的電路。通過角度傳感器收集天線的俯仰方位的角度的信息，角度傳感器由恒流源3R3、多圈電位器以及傳動機構(gòu)成，在天線轉(zhuǎn)動時，讓傳動機構(gòu)引起角度傳感器中多圈電位器的旋轉(zhuǎn)，改變其阻值，因為W7、W8與3CR3形成了串聯(lián)的關(guān)系，所以在它們之間抽出的電壓和天線轉(zhuǎn)動的角度形成了線性聯(lián)系。當3CR3輸出的電流是10mA時，多圈電位器W7、W8的阻值是500Ω，方位角的轉(zhuǎn)動范圍控制在±90o時，與其相對應(yīng)的電壓范圍是0～5000mV，每發(fā)生0.1度的變化，電壓的變化為2.78mV。經(jīng)過AD625儀表放大器調(diào)整，將電壓變化穩(wěn)定在0～2 000mV范圍內(nèi)，加強對MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求的適應(yīng)，經(jīng)過MPU轉(zhuǎn)換后的AD625數(shù)字信號已經(jīng)可以顯示與其相對應(yīng)角度的信號，跟蹤控制器的參考信號通過LM741調(diào)節(jié)和整理，與俯仰角度和方位角度同時被送到4052模擬處分時間和階段對其進行信號的調(diào)解和整理。在A/D轉(zhuǎn)換后，MPU通過擴展對74LS377以及與之相適應(yīng)的隔離控制器件的應(yīng)用結(jié)合所需要的衛(wèi)星角度及信號大小來進行全方位的掃描，以便精確地對準和跟蹤衛(wèi)星。

3 衛(wèi)星天線跟蹤控制器軟件的設(shè)計

衛(wèi)星的跟蹤主要有程序跟蹤和自動跟蹤兩種不同的方案，程序跟蹤是利用預測的衛(wèi)星軌道信息和天線波束的指向信息帶動跟蹤系統(tǒng)的工作；自動跟蹤系統(tǒng)是地球基站通過接收到的衛(wèi)星信號來促使跟蹤系統(tǒng)精確地對準衛(wèi)星。因為影響衛(wèi)星位置的因素很多，無法對衛(wèi)星軌道進行長期的預測，所以目前地球的大部分基站都會應(yīng)用自動跟蹤技術(shù)。從跟蹤的原理來看主要有三個原理：步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。目前我們采用的是設(shè)備比較簡單、能方便地與計算機進行結(jié)合的步進跟蹤方法。

制定天線控制信號的控制流程圖，進入開始狀態(tài)，出現(xiàn)初始化初始數(shù)據(jù)，制定工作周標志數(shù)P等于0，使P等于P+1，位置反饋書存于B，搜索步選擇子程序，讓B+S結(jié)果等于B，建立位置閉環(huán)子程序，建立取場強信號子程序，把平均值存入M1，讓B-2S等于B，創(chuàng)建位置閉環(huán)的子程序，設(shè)立取場強信號子程序，把平均值存入M2，判斷M1-M2的結(jié)果是否等于A：若是，在判斷A是否大于等于0，在此分為兩個階段若是則進入1階段；若不是，則進入2階段。1階段通過判斷A是否小于0時也可以分為兩個階段，若是則進入3階段反之則進入4階段：進入3階段時B+S等于B，讓B+Z等于B，形成位置閉環(huán)的子程序，然后返回到P等于P+1與位置反饋數(shù)存于B的階段之間；進入4階段后，使B+S等于B，建立位置閉環(huán)的子程序，判斷P是否等于2，若是則結(jié)束程序，若不是，則返回到P等于P+1階段。

2階段通過判斷M1-M2=A，繼而判斷A是否小于0，再細致劃分為5階段（A小于0）和6階段（A大于0），在進入5階段時，讓B+S等于B，建立位置閉環(huán)的子程序，繼而判斷P是否等于2，若是則結(jié)束程序，若不是，則返回到P=P+1階段；在進入6階段時，讓B+S=B，繼而確認讓B+S=B，建立位置閉環(huán)子程序，返回到P=P+1階段。

軟件設(shè)計還使用了數(shù)字濾波的方法，通過過濾清除了因角度傳感器受到外界的干擾而收集到的沒有可靠性的信號；通過實際轉(zhuǎn)動下搜索的步距和所調(diào)整的步距，確保反饋角度的數(shù)據(jù)準確性，而且可以按照反饋的角度數(shù)據(jù)和電機實際運行的時間兩項因素來進行決定，從而有效地提高衛(wèi)星天線自動跟蹤控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

遠程操控數(shù)字衛(wèi)星天線控制器的使用，充分體現(xiàn)了以計算機為核心的自動測試技術(shù)在發(fā)展上的方向，在設(shè)計上基本滿足了預先設(shè)定設(shè)計的要求。但是，信息技術(shù)也在日益發(fā)展，用戶的需求量還會不斷提高。所以，這一系統(tǒng)還存在很多不是很完善之處，比如，系統(tǒng)安全上可靠性有待于進一步提高，尤其是要把計算機客戶端作為服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)連接后，確保后臺數(shù)據(jù)庫的安全也變得非常重要，目前還需要以手動的方式完成接收天線極化角的調(diào)節(jié)。因此，要采取相關(guān)的措施著重加強對所存在的這些問題進行有效地處理。