高精度衛(wèi)星天線自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】 在衛(wèi)星直播技術(shù)應(yīng)用逐步趨向常態(tài)化、主流化的背景下，傳統(tǒng)的依靠人工、手動(dòng)調(diào)整衛(wèi)星天線接收的方式顯然已經(jīng)不再適應(yīng)發(fā)展需求，具備高精度、高機(jī)動(dòng)性的伺服跟蹤衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。南京電視臺(tái)電視播出部作為全臺(tái)信號(hào)傳輸調(diào)度中心，搭建了一套高精度伺服跟蹤衛(wèi)星天線自動(dòng)控制系統(tǒng)，初步具備了安全、高效、準(zhǔn)確的衛(wèi)星天線自動(dòng)控制能力。

【關(guān)鍵字】 衛(wèi)星天線 伺服跟蹤 自動(dòng)控制 高精度

一.前言

隨著我國廣播電視事業(yè)的飛速發(fā)展，各類先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)應(yīng)用手段也隨之進(jìn)入廣播電視行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，數(shù)字衛(wèi)星電視傳輸系統(tǒng)因其具有覆蓋面大、傳輸距離遠(yuǎn)、信息量大、信號(hào)質(zhì)量高、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，使之具備了實(shí)現(xiàn)跨地域服務(wù)或國際化服務(wù)的能力。近年來，步入數(shù)字時(shí)代的衛(wèi)星廣播事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，在拓寬衛(wèi)星廣播的多功能應(yīng)用的同時(shí)，也推動(dòng)了信息的全面交流，促進(jìn)了數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展。

南京電視臺(tái)作為全國城市臺(tái)的排頭兵，對衛(wèi)星直播類節(jié)目的需求日益強(qiáng)烈，我臺(tái)作為城市電視臺(tái)的領(lǐng)軍者，又加入了由中央電視臺(tái)牽頭組織的中國電視新聞直播聯(lián)盟。該聯(lián)盟作為國內(nèi)最大的電視新聞資源收集和播發(fā)平臺(tái)，通過信息平臺(tái)共享直播選題內(nèi)容、共享衛(wèi)星直播設(shè)備等技術(shù)手段，搭建了一個(gè)全國范圍的直播體系。該聯(lián)盟成員可利用直播手段，播發(fā)重要新聞，其他成員可通過衛(wèi)星傳輸設(shè)備同步采用。此種播出理念和播出方式的重大變革，也對各成員電視臺(tái)衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)提出了更高的要求，要求其衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)，不僅僅具備節(jié)目接收、節(jié)目錄制的單一功能，還要具備高機(jī)動(dòng)性和節(jié)目直播能力。

二.系統(tǒng)介紹

南京電視臺(tái)電視播出部搭建了一套高精度伺服跟蹤衛(wèi)星接收天線控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)是專門為4.5M衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)制作，通過本控制系統(tǒng)可方便地進(jìn)行天線的方位、俯仰角度調(diào)整。由于其采用了新型交流伺服控制器，使天線的各角度的控制精度得以大幅提高。

1.天線控制系統(tǒng)部分

該天線控制系統(tǒng)由天線控制器、方位傳感器、俯仰傳感器、極化傳感器、方位馬達(dá)、俯仰馬達(dá)、極化馬達(dá)、方位限位裝置、俯仰限位裝置、極化限位裝置等部分組成，采用手控或定位操作的方式使天線波束中心對準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.03°/s，并帶有軟，硬件限位保護(hù)功能，顯示分辨率為0.1°，指示精度0.1°RMS。

其中天線控制分機(jī)為19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱安裝在室內(nèi)，其他均安裝在天線座上，各單元之間的連接依靠電纜實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

（1）天線控制器

4.5M衛(wèi)星天線是一種標(biāo)準(zhǔn)的天線結(jié)構(gòu)，它由主反射面，副反射面，饋源及套筒構(gòu)成。天線控制器是該伺服系統(tǒng)的智能部分，可通過鍵盤控制天線手動(dòng)及遙控，能實(shí)時(shí)指示天線的方位角、俯仰角、極化角、工作方式及參數(shù)等。系統(tǒng)的參數(shù)包括補(bǔ)償角（方位補(bǔ)償角、俯仰補(bǔ)償角）、方位軟限位參數(shù)、俯仰軟限位參數(shù)、三個(gè)定位參數(shù)（方位參數(shù)、俯仰參數(shù)），這些參數(shù)利用鍵盤對其查詢或修改，當(dāng)天線進(jìn)入硬極限范圍內(nèi)，單元便出現(xiàn)告警指示。整個(gè)控制器由控制變換板、顯示鍵盤板及電源、驅(qū)動(dòng)元件等部分組成。天線控制器組成如圖2所示。

控制變換板作為控制器的核心部件，由單片機(jī)、外圍接口芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤顯示接口、400Hz勵(lì)磁電源、傳感器歸一化電路、光隔輸出、時(shí)鐘等電路組成。功能圖如圖1.3所示。

其作用是給方位、俯仰傳感器提供400Hz勵(lì)磁電壓，并把各傳感器的角度正、余弦電壓變換成相應(yīng)的角度值，多路開關(guān)采樣保持器在固定時(shí)間將角度值取出，并將該伺服自追蹤模擬信號(hào)放大存儲(chǔ)，保持一段時(shí)間后，經(jīng)由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過此采樣新號(hào)所對應(yīng)的電壓幅值，自動(dòng)調(diào)整天線對應(yīng)最大場強(qiáng)信號(hào)，即波束中心[1]。在控制的同時(shí)，相關(guān)信號(hào)也被輸入指示器，方便工作人員直觀的監(jiān)看實(shí)時(shí)情況。

并且該系統(tǒng)可通過按鍵操作進(jìn)入相應(yīng)的工作方式，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）天線控制分機(jī)面板布局

該控制分機(jī)面板由電源開關(guān)、方位左右限位指示、俯仰上下限位指示、極化左右限位指示，8段數(shù)碼顯示器和11個(gè)功能鍵的按鍵等組成。圖4為控制分機(jī)面板布局圖。

（3）天線控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本天線控制系統(tǒng)參數(shù)分兩類，均存于掉電保護(hù)的RAM中，第一類為系統(tǒng)參數(shù)，如角度補(bǔ)償角等，工作時(shí)一般不作改動(dòng)。第二類為軟限位參數(shù)和定位參數(shù)，可以在工作時(shí)修改。

系統(tǒng)參數(shù)列于下表中：

2.計(jì)算機(jī)程序控制部分

該衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)通過RS-485轉(zhuǎn)RS-232串口通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。該部分控制軟件設(shè)計(jì)由我部自行研制開發(fā)。

該控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：自動(dòng)信息采集、天線控制以及程序自動(dòng)執(zhí)行。

自動(dòng)信息采集模塊，負(fù)責(zé)與天線控制機(jī)通信，獲取天線的姿態(tài)信息。開啟天線系統(tǒng)后，采集并輸送數(shù)據(jù)到控制單元，作為下一步遙控的依據(jù)。

天線控制以及程序自動(dòng)執(zhí)行模塊，根據(jù)天線控制系統(tǒng)反饋的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息判別并制定遙控方案，按照先俯仰后方位的順序驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使天線指向預(yù)期位置[2]。

上位機(jī)程序采用C + + Builder軟件編制。主要實(shí)現(xiàn)從控制面板中獲取信息，可以看到存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的衛(wèi)星信號(hào)參數(shù)，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、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

三.系統(tǒng)對比

1. 系統(tǒng)操作性對比

傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)調(diào)整，大多采用現(xiàn)場、人工、手動(dòng)方式。首先，需根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)信息，通過羅盤和量角器大致確定衛(wèi)星方位，然后采取手動(dòng)或者電動(dòng)方式對衛(wèi)星接收天線進(jìn)行預(yù)調(diào)整，同時(shí)使用尋星儀器或者衛(wèi)星接收機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場接收，并通過接收情況再繼續(xù)微調(diào)天線姿態(tài)，最終達(dá)到最大接收強(qiáng)度[3]。

而我臺(tái)搭建的衛(wèi)星自控制系統(tǒng)可以讓調(diào)星人員可以無需在天線現(xiàn)場，就對天線的方位和俯仰等姿態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。配合計(jì)算機(jī)控制軟件的使用，更可實(shí)現(xiàn)僅輸入衛(wèi)星天線姿態(tài)信息，就可以控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)完成對方位角和俯仰角的調(diào)整。操作更快速便捷。

2. 系統(tǒng)精度對比

隨著電視事業(yè)發(fā)展，直轉(zhuǎn)播要求也不斷提高，而衛(wèi)星方位角和俯仰角的精度對信號(hào)質(zhì)量有著非常大的影響，傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)調(diào)整方法精度很低，經(jīng)常錯(cuò)過信號(hào)主瓣，從而加大接收系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度和復(fù)雜度，極易出現(xiàn)跑星情況。而我臺(tái)搭建的自控系統(tǒng)，在可靠的自反饋調(diào)節(jié)前提下，同時(shí)可進(jìn)行人工微調(diào)，方位角和俯仰角的調(diào)整精度高達(dá)0.1°，有效的保證了直轉(zhuǎn)播質(zhì)量。

3. 系統(tǒng)安全性對比

傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)改造難度大，不易調(diào)整，極端天氣更是加大了操作難度，對工作人員的人身安全也帶來一定的隱患。而本系統(tǒng)采用軟件控制，除了保證工作人員安全的同時(shí)，也在天線控制器變換板中引入了掉電保護(hù)模塊，該模塊不僅在主電源失去時(shí)，能夠用外部電池保證單片機(jī)的運(yùn)作，并且存儲(chǔ)預(yù)設(shè)的各種天線坐標(biāo)角度等。保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)作。

四.應(yīng)用情況

自該衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，已多次完成緊急衛(wèi)星跟蹤、調(diào)整任務(wù)，其快速、準(zhǔn)確的技術(shù)特點(diǎn)，極大地縮短了衛(wèi)星調(diào)整時(shí)間，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)調(diào)整，也大大節(jié)約了我部衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)資源，豐富了衛(wèi)星直播手段。

自我臺(tái)加入中國電視新聞直播聯(lián)盟以來，已多次聯(lián)合各地媒體實(shí)現(xiàn)了全國重大新聞活動(dòng)的直播聯(lián)動(dòng)，該套衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)在各重大衛(wèi)星直播活動(dòng)中均性能穩(wěn)定，表現(xiàn)出色。近期的市兩會(huì)直播以及城市春晚等節(jié)目也都成功播出。該系統(tǒng)的自反饋調(diào)整能力大大降低了人工干預(yù)調(diào)整的頻率，提高了工作效率。

五.結(jié)束語

該高精度伺服跟蹤衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)，單機(jī)作業(yè)時(shí)所表現(xiàn)出來的強(qiáng)大功能，為日后我部搭建伺服跟蹤衛(wèi)星天線接收網(wǎng)絡(luò)也提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著衛(wèi)星直播的日益發(fā)展，在不久的將來，建立衛(wèi)星天線接收聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將是電視臺(tái)衛(wèi)星接收系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。BP

參考文獻(xiàn)

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[3]張世生. 數(shù)字衛(wèi)星天線自適應(yīng)控制器的研制[D]. 山東師范大學(xué) 2006