基于信標和DVB信號的對星伺服控制系統

劉光倫，陳 志，陳玲玲

（四川九洲電器集團有限責任公司第四研究所，四川 綿陽 621000）

衛星通信系統是集天線與微波技術、微電子技術、自動控制技術、數據采集及信號處理技術、計算機仿真技術、精密機械設計技術、衛星通信技術和機電一體化技術等多學科和多項技術有機結合的產物[1]。高精度天線跟蹤控制技術是實現高質量衛星通信的前提。最初的對星方式均是由人手動對星，后來隨著技術的發展，出現了依靠自動控制技術進行自動對星。目前無論是便攜站還是固定站的衛星對星技術均基于衛星信標信號的方式，手段比較單一，在遇到衛星上信標信號比較弱或是沒有信標信號時，基于信標的跟蹤方式就無能為力了。本文討論的系統不僅可以用衛星信標信號來進行自動對星，也能用衛星上DVB電視信號來進行自動對星，這樣控制系統就能應用在沒有信標信號或是衛星信標信號比較差（受干擾）的衛星上。這種采用雙信號跟蹤的方式，解決了目前單一依靠信標信號來進行自動對星的問題，使對星方式更加靈活，不僅系統的可靠性更高，而且應用的范圍也更廣。

1 控制部分原理設計

在整個系統中，伺服控制部分有著至關重要的作用，天線控制系統必須保證天線波束主軸準確指向衛星而且對準衛星的下行發射波束，通信系統才能夠正常工作。為達到這一目標，在進行系統設計時除了在機械結構、傳感器選擇、硬件設計方面應充分考慮可能帶來的影響和精度誤差外，還必須設計合適的信號跟蹤方式以提高系統的指向精度[2]。

本系統通過將GPS、數字羅盤、天線控制器、執行電機，結合信標信號和DVB信號電平反饋形成系統大閉環控制，完成拋物面天線準確對準指定衛星的發射波束。如圖1為整個伺服控制系統的硬件原理框圖。

圖1 伺服控制系統硬件原理框圖

對星控制裝置的工作原理為：在系統上電后首先通過電子羅盤獲取拋物面天線本身的姿態信息，然后通過GPS接收機獲取接收天線所在地的高度、經度和緯度，再讀取E2PROM配置芯片里面的對星參數，E2PROM里的對星參數是通過手持端機把對星參數發送給主控單片機，由主控單片機把對星參數寫入E2PROM。單片機程序再根據這些數據信息計算出天線對準該衛星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。主控單片機先控制極化電機轉動相應的極化角，然后通過RS-422發送指令給方位角控制單片機和俯仰角控制單片機轉動俯仰角和方位角到指定位置完成天線初始對準。初始對準完成后，主控單片機程序控制方位角和俯仰角電機在一個20°范圍內進行梯形掃描并開始搜索衛星信號，此時信標接收機和調諧器不斷輸出信號電平值到主控單片機進行信號強度判斷。如果采用衛星信標信號對星則信標接收機輸出對應衛星的信標信號電平到主控單片機，如果采用DVB信號對星，則主控單片機讀取調諧器的信號電平值，一旦主控單片機接收到的電平值達到一個設定的閾值時，說明天線已進入了衛星的波束范圍。此時主控單片機程序進入衛星極大值定位程序，再分別控制方位角電機和俯仰角電機轉動使其達到信號最強的位置，即實現了天線對衛星的精確對準。在整個對星的過程中，手持終端實時地接收和顯示天線轉臺的當前方位角、俯仰角以及信號強度值。

2 天線指向角計算

天線指向角就是根據衛星位置信息、接收天線位置信息以及接收天線的姿態信息計算出極化角、俯仰角和方位角。主控單片機根據計算出的極化角、俯仰角和方位角來控制電機轉動天線到相應位置，完成天線的粗對準[3]。

考慮接收天線的方位角、俯仰角、傾斜角，所以地理坐標系和載體坐標系重合，接收天線指向衛星的角度計算涉及到三個坐標系的轉換，如圖2所示。

圖2 坐標系轉換

假設地面接收天線的大地坐標系即經度、緯度、高度，表示為（L1，B1，H1），飛機的大地坐標系即經度、緯度、高度，表示為（L2，B2，H2）。由接收天線的大地坐標系計算接收天線在地心直角坐標系中的坐標為

由衛星的大地坐標系，計算衛星在地心直角坐標系中的坐標為

計算衛星在接收天線的地理坐標系中的坐標為

式中：T1是從地心直角坐標系到地理坐標系的轉換矩陣。即

通過方位角和俯仰角的計算公式，得到接收天線的指向角。方位角公式為

接收天線指向飛機的向量為

由于俯仰角定義在[0°，90°]，和反正弦的主值區間相同，所以實際俯仰角就等于E，方位角定義在[0°，360°]，和反正切函數的主值區間不一致，故應判斷實際方位角所在的象限（以逆時針為正）。

X1＞0，Z3＞0時，方位角 A=2π-A ；X1＞0，Z3＜0時，方位角A=-A；

X1＜0，Z3＞0時，方位角 A=π-A；X1＜0，Z3＜0時，方位角A=π-A。

為了達到好的接收效果，除調整天線的方位角和俯仰角外，還應根據極化角的數值來調整饋源矩形波導口的方向，使得極化振子調整到與電磁波一致的方向，此時極化完全匹配與衛星傳送來的極化，振子感應的信號強度最大，接收效果最佳[4-5]。不同地理位置的接收天線其極化角也不同，令?1，θ1，?2分別表示接收天線的經度、緯度和靜止衛星的在軌經度，則接收天線對準目標衛星所需的理論極化角θ為

ρ為接收天線到衛星的距離公式為

3 最大值定位算法設計

采用粗對準算法能夠大致對準衛星所在的方向，但是還不能對準衛星發射信號波束，此時無論是衛星信標接收機的信標電平值還是DVB調諧器輸出的信號電平值都是一個很低的值。此時在轉臺走到初始對準位置后，以初始對準位置為圓心，在一個很小的范圍內進行梯形掃描或十字掃描。在掃描的過程中，實時監測DVB調諧器或信標機輸出的信號電平值，如果輸出的信號電平值達了設定的閾值，則說明接收天線進入了衛星的發射波束，但此時，接收天線還沒有準確對準，信號電平值還不是最大值，最后再用最大值定位算法來找準信標電平的最大值或DVB調諧器輸出的信號最大值。最大值定位算法程序先進行水平方向的最大值定位，再進行俯仰方向最大值定位。圖3為最大值定位算法的基本原理。

圖3 最大值定位算法原理圖

最大值定位算法，主要思想是用前后兩次讀取到的信號電平值來決定轉臺走的方向和步進電機走的步數。如果當前讀出的電平值比前一次讀出的電平值高，說明還要繼續往前走才是信號最大值的位置，此時轉臺繼續往本次前進的方向上走N步，走完后，讀取當前的信號電平值，該電平值又與前一次的電平值進行比較，如果此次的電平值還大于前一次的電平值則繼續往前走N步，否則，轉臺往回走K（K=N/2）步，以此類推，只要是往回走，走的步數都是上次所走步數的1/2，直到走的步數為0。此時，接收天線轉臺就停在信號電平最大值的位置。俯仰方向的最大值定位，再重復以上的步驟。經過水平方向的最大值定位和俯仰方向的最大值定位后，接收天線就準確對準衛星的發射波束。

4 實驗驗證

整個伺服系統在1.2 m的便攜式衛星地面站上進行了戶外的對星測試，圖4為對星測試的天線轉臺和對星測試控制軟件的主界面。

圖4 對星測試平臺和測試軟件界面（截圖）

伺服控制系統在不同地點、不同時間進行了多次多顆衛星的對星測試。每次進行測試時，首先對每顆衛星先進行10次以上垂直極化的衛星信標信號對星，再進行10次以上的水平極化的信標信號對星，然后再進行10次以上不同節目的DVB信號對星。判斷是否對準衛星發射波束的標準，一是通過便攜式頻譜儀進行信標信號的強度測量，二是通過衛星上的電視節目清晰度和流暢性來直觀判斷。測試分別對亞洲3號、亞太5號、中星6A、亞太2R、亞太6號共5顆衛星上的信標信號和DVB信號進行了對星測試，對星準確率都達到了100%，實驗也充分證明在衛星上沒有信標信號的情況下或信標信號被干擾的情況下，用衛星上的DVB信號也能準確對星[6]。

5 結論

本文提出的一種基于衛星信標信號和衛星DVB信號的對星伺服控制系統，采用了信標和DVB兩種對星方式，與傳統單一的對星方式不同，兩種對星方式互為補充，進一步提高系統的可靠性，同時也拓寬了適用衛星的范圍，既適用于有信標信號的衛星，也適用于沒有信標信號的衛星或是信標信號被干擾的衛星。系統經過室外反復的對星測試，無論是采用信標對星方式還是采用DVB對星方式，都能準確地對準衛星波束而且找到信號電平最大值，達到了設計目標。

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[1]曹志剛.移動衛星通信天線自動跟蹤方法[D].重慶：重慶大學，2005.

[2]魏海濤.一種新型的便攜式衛星通信地球站[D].南京：南京郵電大學，2006.

[3]孫興邦.衛星天線自動跟蹤算法的研究[D].大連：大連海事大學，2008.

[4]康春鎖，何彪.衛星地球站天線極化的調整[J].廣播與電視技術，2000（1）：104-106.

[5]葉修怡.衛星電視的極化及其調整與測量[J].廣播與電視技術，2001（2）：96-100.

[6]申宇.移動衛星電視接收伺服系統的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2006.