天線伺服系統的冗余設計

董旭鋒，張志彪

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

在衛星通信系統中，地面站天線的波束要精確指向衛星才能保證通信質量，尤其是對于漂移角度較大的衛星更需要通過及時跟蹤來調整天線的指向，保證接收信號處于最強狀態。因此在衛星通信地面站中，天線伺服系統是不可或缺的重要組成部分，通過伺服系統的跟蹤控制使天線始終對準衛星以保證通信鏈路的暢通。對桁架結構的天線來說，伺服系統由天線控制單元、天線驅動單元、軸角傳感器和交流電機等多個電氣部件組成［6］，伺服系統的可靠性直接影響通信系統的整體性能。國內對通信可靠性要求較高的衛星地面站通常采用進口伺服設備來控制天線跟蹤。雖然進口伺服設備工作穩定，但也面臨隨機性的電子設備故障帶來的停機隱患。針對上述問題，設計了冗余的天線伺服系統，提高了可靠性。

1 可靠性分析

在可靠性工程中，平均無故障時間(MTBF)和平均修復時間(MTTR)是用來衡量系統可靠性的2個重要指標［1］。平均無故障時間是指系統在2次故障之間的平均工作時間，MTBF越長表明系統越可靠。平均修復時間是指從出現故障到恢復正常的這段時間，MTTR短表明系統恢復得快。系統的可用度A由下式定義:

由式(1)可知提高系統的可靠性可以通過增加MTBF或減少MTTR來實現，在工程設計中元器件降額使用、簡化電路、使用標準化模塊和電路以及增強軟件的容錯性等都是為了增加MTBR。當故障的產生難以預測和消除時，如何降低MTTR成為重點考慮的對象，冗余設計是提高系統可靠性的有效途徑。冗余設計可以得到多種系統結構，并且每個系統的可靠性及性能、價格等方面各具特色，在實際工程應用中綜合考慮系統成本、復雜度以及設計的難度，通常使用1∶1冗余。1∶1冗余系統的可用度Ar表示為:

根據式(2)的計算，假設單系統的可用度為0.9，冗余后的可用度為0.99，系統的可靠性大大增加。

冗余設計提高系統可靠性的同時需要增加監測/切換部件用于監測主、備系統的運行狀態，當發生故障時切換到備用系統，一般監測/切換部件的可靠性等級要高于要備份的單系統。

2 冗余設計

冗余天線伺服系統的組成如圖1所示，天線控制單元是控制核心，由工控機和各種數據采集板卡組成，它提供人機界面、采集角度傳感器提供的天線位置信息和接收機模擬電壓輸出，根據控制算法產生目標角度。天線控制單元將轉動指令發送給天線驅動單元，天線驅動單元由內部邏輯電路控制功率器件驅動交流電機轉動，電機經過減速機帶動天線轉動。天線驅動單元采集限位開關信息，如果發生限位則停止驅動電機。交流電機是驅動部件，角度傳感器和限位開關是測量部件，三者都和天線直接連接，而且隨著技術的發展目前已經非常可靠，不能也不必熱備份。天線控制單元和天線驅動單元內部電子元器件眾多，發生故障的幾率遠遠大于電機、限位開關和角度傳感器，因此冗余天線伺服系統主要是解決雙套天線控制單元、雙套天線驅動單元協調工作的問題。

圖1 冗余天線伺服系統組成

在冗余系統中，切換單元用來監測/切換2套天線控制單元和2套天線驅動單元的工作狀態。切換單元由可靠性較高的單片機配合成熟的外圍電路實現，通過串口和2臺天線控制單元通信，根據串口通信狀態向天線控制單元發送主、備設置指令。單片機I/O口通過中間繼電器控制驅動單元的上電接觸器。當天線控制單元A作為主機工作時，如果A套系統檢測有故障或者與切換單元的通信中斷，切換單元切斷驅動單元A的驅動電源并向B套系統發送主備切換指令，天線控制單元B作為主機馬上開始工作，保證通信業務不中斷。

2.1 角度同步設計

在常規的地面站天線伺服系統中，一般選用正余弦旋轉變壓器作為天線角度傳感器［2］。旋轉變壓器的工作原理如圖2(a)所示。在激磁電源的作用下，旋轉變壓器會輸出兩相正交的的模擬信號，模擬信號的幅值隨著轉角做正余弦變化，頻率和激磁頻率相同。模擬信號通過旋轉變壓器-數字轉換(RDC)芯片轉換產生數字信號送給計算機處理。通常，軸角信息的處理由天線控制單元來完成，激磁電源也由天線控制單元提供。在使用旋轉變壓器作為測角元件的伺服系統中要想解決2臺天線控制單元角度同步的問題，簡單的實現方法有2種:

①2臺天線控制單元各自獨立提供激磁電源，在切換單元中加入電源切換電路，在切換驅動單元的同時切換激磁電源;

②將激磁電源獨立出來，作為公共模塊同時為2臺天線控制單元供電。

圖2 旋變和碼盤比較

對上述2種方法進一步分析就會發現不足，作為冗余系統發揮高可靠性的關鍵部件，希望切換單元工作穩定可靠，電路盡量簡單。第1種方法會增加切換單元的復雜度，降低可靠性，而第2種方法會使2套伺服系統的獨立性降低。

在本系統中使用CAN總線碼盤作為測角元件來實現角度同步。CAN總線是一種支持分布式控制和實時控制的串行通信局域網絡［5］，具有速率高、可靠性高和實時性好的特性。CAN總線是典型的半雙工串行總線結構，采用基于數據的傳輸方式工作。消息可以在任何時候由任何節點發送到空閑的總線上，被所有的節點接收、判斷后決定是否接受這個消息。CAN總線的主要特點:

①CAN總線傳輸介質為雙絞線，通信速率最大到1 Mbps，節點數最多到110個。

②CAN總線節點工作于多主方式，任何一個節點都可以根據總線訪問優先權采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，數據通信實時性強。

③CAN總線的報文采用短幀結構，每幀信息都有CRC校驗以及其他檢錯措施，平均誤碼率小于10-13，可靠性高。

④出現嚴重錯誤時，總線上的節點具有自動關閉總線的功能，切斷本節點和其他節點的聯系，使總線上的操作不受影響。

如圖2(b)所示，掛在總線上的2臺天線控制單元會同時收到碼盤送出的角度數據，不僅電路簡單、易于實現，而且減少了2套系統中的RDC芯片和激磁電源，降低了成本。

2.2 電源冗余和邏輯互鎖設計

天線驅動單元內部的邏輯電路和天線座上的碼盤使用的24 V直流電源都由天線驅動單元中的24 V開關電源供電。如果2臺電源單獨使用，則達不到驅動單元冗余的效果，2臺電源的輸出端也不能簡單并聯，那樣會導致電流倒灌將電源燒毀。常規的電源冗余［3］做法是將電源輸出端連接二極管正極并聯成“或門”再輸出到電源總線上。本系統雙電源冗余電路如圖3所示。電路中使用大功率金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)來代替傳統電路中的二極管，MOSFET管的控制芯片選用LINEAR公司的 LTC4357［4］。同二極管相比較，MOSFET 管導通內阻小，大大降低了壓降損耗，發熱量也小，不用考慮散熱問題。

圖3 電源冗余電路

因為本系統中2臺驅動單元驅動一臺電機，必須要設計邏輯互鎖電路實現某一時刻只能由一臺驅動單元驅動電機轉動。在天線驅動單元的電機驅動輸出端加上交流接觸器，接觸器線包上用邏輯互鎖電路保證對電機的驅動不沖突。

2.3 數據同步設計

天線控制單元在跟蹤過程中不斷記錄天線指向角度作為記憶跟蹤的數據庫，這些數據應該在主備機之間實時同步，確保天線控制單元切換平滑，業務不受影響。天線控制單元A、B通過網絡設置共享文件來交換數據，并且用心跳程序向對方發送本機聯網狀態。處于主控狀態的主機在寫本機文件的同時向備機的共享文件夾寫入跟蹤數據，由于通過切換單元統籌控制不會出現同時主控的情況，可以避免寫文件的沖突，數據通信流程如圖4所示。

3 結束語

天線伺服系統通過冗余設計，在切換單元的可靠性足夠高的前提下能夠縮短MTTR，提高系統的可靠性。冗余天線伺服系統并非2套伺服系統的簡單并聯，不僅要在硬件電路和軟件上實現數據同步、電源冗余和邏輯互鎖等功能，而且單套系統本身的工作流程要相應地修改，使得整體的復雜度大大提高。隨著衛星通信技術的發展，天線伺服系統需要更長時間地穩定工作，在軟、硬件可靠性設計無法進一步提升的情況下，冗余設計是一種有效手段并且成效顯著。

［1］李海泉，李剛.系統可靠性分析與設計［M］.北京:科學出版社，2003:8-9.

［2］秦繼榮，沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計［M］.北京:機械工業出版社，1993:201-241.

［3］周志敏，周紀海，紀愛華.現代開關電源控制電路設計及應用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:238-245.

［4］付蔚，劉成濤，王平.基于LTC4357的工業用冗余電源的實現［J］.電力電子，2009(2):35-36.

［5］唐繼英.現場總線技術［M］.天津:天津大學出版社，2008:161-188.

［6］杜振權，宮豫燕.一種新型實用的天線控制器的設計［J］.無線電工程，2009，39(2):59-61.