船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)開發(fā)

高慧良

（武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

目前，船舶工程事業(yè)發(fā)展進入新的歷史時期，對船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求。在此背景下，有必要基于船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體運行環(huán)境，靈活運用多樣化的系統(tǒng)開發(fā)方式方法，全面提升其穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的實施成效。

1 船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)原理

1.1 平臺式穩(wěn)定性系統(tǒng)

平臺式穩(wěn)定性系統(tǒng)是船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵構成要素，在優(yōu)化衛(wèi)星通信質量與效果等方面扮演著不可替代的關鍵作用。在平臺式穩(wěn)定性系統(tǒng)的支持下，船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可被單獨細化，分為多個特定功能模塊，實現獨立化的平臺式運行，并以伺服控制的方式在多類型平臺模塊與船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間實現信息交互補償，且具有連續(xù)性強、不間斷的現實優(yōu)勢[1,2]。

1.2 慣性導航穩(wěn)定性系統(tǒng)

1.2.1 天線模塊

現代通信技術與控制方法的持續(xù)快速發(fā)展為船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定構建提供了更為豐富的技術手段，使得傳統(tǒng)技術條件下難以完成的穩(wěn)定性系統(tǒng)開發(fā)構造目標任務更具實現可能。在慣性導航穩(wěn)定性系統(tǒng)中，天線模塊可充分銜接與貫穿伺服控制功能和慣性導航功能等，可實現對通信信號的連續(xù)性傳輸，將天線的波束信號進行集中發(fā)送[3]。

1.2.2 信號處理模塊

信號處理模塊的關鍵作用在于處理加工與分析衛(wèi)星信號。在當前技術條件下，船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸的信號具有相對分散的特點。為了有效彌補信號傳輸過程中的類型匹配等問題，應充分構造有效的信號處理模塊，將傳輸與收集的衛(wèi)星信號進行有層次的解析和處理，實現定向渠道傳輸。隨著技術方法的革新，信號處理模塊開始將上位機和信號傳輸端口等納入構造系統(tǒng)之中。

1.2.3 天線穩(wěn)定性控制器

船舶衛(wèi)星通信穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的核心構造要素為天線穩(wěn)定性控制器，具備完善的穩(wěn)定性控制功能。在天線穩(wěn)定性控制器中，主要包括傳感器、執(zhí)行器以及控制電路等部分。各部分共同構造形成控制系統(tǒng)，在伺服電機的作用下降低船舶船體相對不穩(wěn)定而造成的信號傳輸誤差，充分提升信號處理能力與傳輸能力[4]。

2 船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)設計與性能分析

2.1 硬件控制電路設計

船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定性系統(tǒng)的基礎在于硬件控制電路設計。在此環(huán)節(jié)，應構造基于特定類型處理芯片的控制器電路，具體包括處理器、顯示器、數模轉換電路、步進電機、時序電路以及存儲器等硬件。不同的硬件類型在標準確定、銜接方法與運行環(huán)境等方面存在顯著差異，應結合船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的宏觀穩(wěn)定性要求予以有序選擇。以處理器為例，應使其具備較高的穩(wěn)定性，可完成浮點運算等，滿足衛(wèi)星通信信息高速高效處理的現實要求，并擁有一定的儲存器尋址能力。此外，時序電路則應在觸發(fā)器的支持作用下完成電路的輸入與輸出狀態(tài)控制[5]。

2.2 通信系統(tǒng)穩(wěn)定性控制平臺的伺服控制原理

船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號覆蓋能力較強，但信號的真實率會隨著傳輸距離等客觀條件的影響而出現衰變，若不能夠對信號衰減等問題做出有效控制，則難以達到最優(yōu)的衛(wèi)星通信效果。對此，應通過穩(wěn)定性控制平臺滿足伺服控制需求，以步進電機為主要面向對象進行強化控制，并有效銜接位置矯正系數、電阻值、電流值、電機轉動角度以及定子電感等技術參數，并有效優(yōu)化其與步進電機時間常數之間的關系，形成相應的電機輸出響應曲線。在伺服控制體系下，船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠更加高效穩(wěn)定地參與到廣播、導航以及氣象監(jiān)測等現實任務中。

2.3 通信傳輸控制協(xié)議

通信傳輸控制協(xié)議需要完成對整個衛(wèi)星通信過程的銜接有序控制，使通信資源數據信息能夠在相對穩(wěn)定的過程中完成傳輸。一般情況下，通信傳輸控制協(xié)議需要對整個傳輸過程進行動態(tài)化監(jiān)視和反饋，對其整體控制質量進行綜合有效把握，對不同字段與不同內容的通信資源進行綜合優(yōu)化處理。從傳統(tǒng)的通信傳輸控制過程來看，存在一定的周期性傳送控制不到位等狀況，影響通信傳輸速率，導致通信傳輸過程起伏波動突出。基于此，需要依托多類型、多維度的控制協(xié)議方法完善傳輸流程，提高通信資源傳輸質量，達到最佳通信效率[6]。

3 船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)開發(fā)探討

3.1 系統(tǒng)方案設計

3.1.1 衛(wèi)星通信接入體制設計

為有效實現船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)多個點位之間的多用戶接入，應進行衛(wèi)星通信接入機制設計，采用統(tǒng)一化與標準化的接入方式為多用戶的串聯(lián)貫通提供保障與參考，從而更加精準有效地傳輸預警信息和水聲信息。在衛(wèi)星通信接入體制的統(tǒng)一銜接作用下，特定長度的待傳輸信息可被加工處理壓縮到多個數據段內，并按照傳輸方法規(guī)則的控制形成多條連續(xù)報文組包，充分提高穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的整體構造效果。在小衛(wèi)星單次過境狀態(tài)下，不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶均可以通過預先分配的時隙向小衛(wèi)星發(fā)送數據。在此過程中，衛(wèi)星通信接入體制可全面精準計算最大信息長度，用以標明不同時段下的水文特征信息，同時基于時分多址將多個時隙轉換為可識別的數據信息進行傳輸[7]。

3.1.2 通信天線選擇

采用波束覆蓋范圍相對較廣的通信天線，最大限度上減少通信信息收集盲區(qū)，實現最大化通信信號增益。在現代通信技術的支持下，通信天線的類型日趨細化，包括鞭狀天線、四壁螺旋天線和微帶貼片天線等。上述不同的天線類型具有不同構造特點和不同空間波長，在衛(wèi)星通信覆蓋中的效果存在一定差異。以鞭狀天線為例，其優(yōu)勢在于結構相對簡單，能夠實現全向垂直極化的輻射方向，但劣勢則主要表現在波束覆蓋角度較低，尤其是在衛(wèi)星過頂仰角超過特定幅值時難以精準有效地滿足船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)運行需求，且存在一定意義上的極化損耗等。通信天線結構如圖1所示。

圖1 通信天線結構

3.1.3 鏈路增益預算

由于在衛(wèi)星系統(tǒng)功耗和構件尺寸等因素的影響下會使功放增益、天線增益等受到一定限制，因此為了有效保障鏈路增益能夠滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行需求，應先進行必要的鏈路增益預算。對鏈路增益預算的目標值與實際值進行動態(tài)化比對分析，全面精準掌握兩者之間存在的幅值偏差波動狀況，并在衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術規(guī)范的參照下進行波動幅值調整，以更好地實現與小衛(wèi)星之間的數據發(fā)送與接收。預警信息、水文特征信息和水聲原始數據是船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關鍵傳輸要素，應在鏈路增益預算的導向下選用右旋圓極化通信天線，為其傳輸渠道設定多個不同頻段，防止頻段之間彼此干擾，確保通信數據信息能夠始終沿著正確高效的方向傳輸[8]。

3.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)低功耗技術應用

3.2.1 低功耗管理系統(tǒng)

通常而言，在長期連續(xù)的工況運行狀態(tài)下，船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)需要消耗很大一部分能量，若不注重低功耗管理系統(tǒng)的配置與構造，則難以實現低功耗管理成效，縮短系統(tǒng)工作時間。結合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的各類系統(tǒng)模塊，強化運用軟件技術，通過特定軟件算法對各類設備與構件的啟閉進行精準控制，以降低功耗。在長時間閉合狀態(tài)下，低功耗管理系統(tǒng)可對部分構件進行中斷供電或休眠供電。當部分指令信息被激發(fā)后，則應第一時間恢復供電，使衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的相關模塊和設備恢復原有正常工作狀態(tài)。發(fā)射機功放由電源模塊供電，僅在有上星信號待發(fā)送時才開啟。

3.2.2 基于姿態(tài)信息的高增益天線

高增益天線的現實價值作用在于實現更大范圍的數據信息搜集與處理。寬波束天線往往在增益方面表現的相對被動，在極端情況下難以有效保障船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效運轉，對此需要通過高增益天線的實際功能獲取較大功率的功放，以更好地滿足穩(wěn)定性控制系統(tǒng)精細化與可靠化的基本需求。在高增益天線配置中，可融合采用智能天線技術方法，最大限度上減少與控制共道干擾，增強目標節(jié)點方向增益，充分彰顯其在實踐應用領域中的高靈敏度、低功耗等優(yōu)勢。雖然基于姿態(tài)信息的傳感器性能得到了極大程度的優(yōu)化提升，無論是功耗、體積還是精度等均實現了突破，但是受船舶自然振動等因素影響，其漂移誤差依舊存在[9]。

3.3 穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的實時姿態(tài)解算

3.3.1 姿態(tài)傳感器的數據融合

實現數據融合是姿態(tài)傳感器的關鍵功能，可通過配置多個不同類型與功能的傳感器進行數據整合，并通過特定分析規(guī)則方法對數據進行分析匯總，完成數據信息處理的整個過程。在數據融合中，部分數據存在互補性和冗余性等鮮明特征，因此應通過更為合理有效的融合算法最大限度上減少冗余信息和錯誤信息，更好地滿足船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體工況需求。在多傳感器的數據融合算法中，可靈活采用加權平均法、卡爾曼濾波法以及人工神經網絡法等，以有效消除多傳感器協(xié)同工作對數據信息準確性造成的交叉影響。依托傳感器數據融合，對濾波算法進行仿真模擬，從而獲得更準確、更穩(wěn)定的姿態(tài)信息。

3.3.2 姿態(tài)數據的獲取實現

姿態(tài)數據的獲取需要有效形成硬件設計方案、軟件系統(tǒng)實現以及系統(tǒng)功能驗證等，并在波束控制技術的支持下完成信號仿真與解調。在硬件設計中，應配置性能符合技術要求的傳感器、陀螺儀、敏感軸等，形成銜接有序、匹配優(yōu)良的硬件系統(tǒng)，以促進其通過快速通信模式進行通信。在軟件系統(tǒng)功能實現中，應基于姿態(tài)信息的解算，通過數據包傳輸對驅動庫進行移植，有序完成對傳感器采樣率設置、加載固件等操作，并向寄存器寫入頻率配置。在系統(tǒng)功能驗證中，則應對衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的整體運行效果進行預測分析與模擬，對比分析原始數據值，優(yōu)化實時解算功能[10]。

4 結 論

綜上所述，技術人員應立足實際，細化完善其穩(wěn)定性控制系統(tǒng)開發(fā)標準體系，優(yōu)化整合既有穩(wěn)定性系統(tǒng)開發(fā)資源要素，提高船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體效能，為全面促進船舶衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展貢獻力量。