天線與伺服控制技術在衛星通信中的能耗優化研究

唐魏興

（石家莊諾通人力資源有限公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛星通信方式主要是使用中低軌道的衛星作為連接站，接收周邊地區的語音信息，然后將這些信息傳送給相應的接收者。隨著衛星通信的持續進步，衛星不僅具備基本的語音通信功能，且具備全球性的通信功能。此外，由此產生的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）已成為人們日常生活和各個行業發展的關鍵技術，尤其在軍事、工業和交通等領域產生了巨大的影響[1]。伺服控制系統是機載衛星運作中的關鍵部分，可以確保地面目標和機載衛星的實時聯絡，對該系統的研究有助于推動衛星通信的進步。

1 衛星通信系統概述

1.1 衛星通信系統的構成

衛星通信系統通常包括通信衛星、通信地球站分系統、跟蹤遙測及指令分系統、監督管理分系統。

1.1.1 通信衛星

通信衛星主要包含通信設備、遠程操縱設備、管理設備以及電源設備（如太陽能電池和蓄電池）。其中，通信設備是通信衛星的核心，由1 個或更多的傳輸設備組成。這些設備可以同步接收并傳輸來自不同地理位置的信息，起到傳輸站的作用。

1.1.2 通信地球站分系統

在通信地球站分系統中，微波無線電收發信站的作用是讓用戶能夠連接到衛星線路，從而實現通信。

1.1.3 跟蹤遙測及指令分系統

遙測跟蹤和指令分系統的主要職責是追蹤測量衛星，以確保其精確地進入靜止軌道的預定位置。在衛星正常運作后，需要定期對其進行軌道位置的調整和姿態的維持。

1.1.4 監控管理分系統

監督管理部門的職責是在業務啟動之初和業務啟動之后，評估并調整特定衛星的通信效果。例如，審查衛星轉換器的功率、衛星的天線增益，以及每個地面站的發射功率、射頻的頻率、帶寬等關鍵通信指標，從而確保其能夠正常通信[2]。

1.2 衛星通信系統的特點

衛星通信具有以下4 個特點：第一，覆蓋區域大，通信距離遠。1 顆地球同步衛星就能覆蓋整個地球的1/3，因此只需3 顆合適的地球同步衛星，就能完成全球范圍內除兩極之外的通信。第二，具有多址連接功能。所有衛星覆蓋區域內的地球站都能通過同一衛星進行互相連接，即多址連接。此外，地球站的建立并不受地理環境限制，可以在偏遠的地方、島嶼、汽車、飛機及艦艇上建立。第三，頻段寬、容量大。微波頻段被用于衛星通信，每個衛星都可以配備多個轉發器，因此其通信容量非常大。第四，質量好、可靠性高。衛星通信的電磁波大部分是在無人區域內進行的，其噪聲較低且通信品質優秀。從穩定性的角度來看，衛星通信的穩定工作頻率超過99.8%。

2 衛星天線伺服控制系統的設計

2.1 數學模型的建立

伺服控制系統的主要功能是通過算法程序來執行自動化操作，屬于非線性系統。其內部關系極為復雜，需要多個變量協同工作，并采用強耦合的方法來構建線性關系。因此，在創建數學模型的過程中，必須深度剖析系統的運動狀況，并將系統的運動規則與算法的變量建立線性關系。同時，了解伺服系統的全面動態模型和相關數據，構建相關的函數關系和數學模型，為系統設計奠定基礎[3]。

2.2 硬件結構的設計

構建伺服系統的操作框架，為伺服電機的連接提供可能。該系統的核心構造包括伺服控制器、電源、軸角解碼器以及限位檢測開關，這些硬件的結合有助于相應的程序與算法在硬件中進行準確的操作。為確保伺服系統能夠順利運行，就必須依照具體的環境來挑選合適的控制芯片。控制芯片不僅是伺服控制器電路的關鍵部分，還是構成整個伺服系統的關鍵硬件設備。控制芯片能夠通過其內部的儲存功能和對程序的控制，來完成預設的控制任務，從而使伺服控制器能夠按照設計好的算法進行自動控制。位移檢測電路的職責是確保所有旋轉部分都可以在預定的區域執行操作，因此必須在伺服系統中安排一些位移開關。位移開關的狀況直接決定位移檢測電路的計算，能夠利用軟件來執行全系統的位移操作。

在構建電源電路的過程中，需要配備適當的伺服電機來提供電力，確保電機的電流和電壓處于系統能承受的范圍之內，同時借助適當的穩壓器來確保電源電路的電流和電壓供應充分穩定。系統的電壓和電流在實際運行中的數值會有所差異，因此需要使用穩壓器來實時調節電流和電壓。在電源電路中，穩壓器的輸出精度必須足夠高，且能夠對系統提供保護，確保電源的正常供應[4]。此外，需要利用差分放大器來管理電壓信號。當電源電路輸出正電壓時，電機會向正方向旋轉；如果電壓信號的絕對值較大，電機就會向反方向旋轉。采用一種具有高效率的內部補償運算放大器，可以通過降低功耗實現對電壓電路的補償，且能夠迅速斷開保護電源電路。

2.3 主程序的設計流程

為確保伺服系統的正常運行，需要通過精密的算法來進行控制，即對主程序進行復雜的設計流程。這樣才能確保系統內的各個功能和各個部分能夠協同工作，保證衛星系統的特定任務能夠順利完成。輸入相關數據后，系統需要根據這些數據進行篩選和調整，并依據需求選擇最適合的頻段，以便在不同的需求下找到最優的工作路徑。同時，系統需要通過相應的算法來清除伺服控制系統的相關參數，及時歸零衛星天線的位置和參數。在修改和儲存待傳輸的數據后，使用其他算法來生成相應的指令，并根據這些指令決定是否執行下一步操作。一旦確定下一步操作需要執行，就要根據數據和頻段重新載入相關參數，計算預設的角度，并根據這個角度來設定相應的運動。在獲取相應的參數后，伺服系統會根據角度調整電路的輸出狀態。伺服電機的直流狀態能夠產生正負電壓，以確保能夠執行相關任務，常見的電壓狀態包括+3.3 V 和±15 V 等。

3 衛星通信系統中天線與伺服控制技術的能耗分析

3.1 天線與伺服控制技術的能耗分析

在衛星通信系統中，天線是接收和發送信號的主要設備之一，但能耗較高。因此，如何降低天線的能耗已經成為當前研究的重要方向。在實際應用中，天線的能耗主要來自2 個方面：一是發射功率的影響；二是天線本身的設計和制造工藝對能耗的影響。其中，發射功率是最為顯著的因素之一。當天線需要向遠距離的目標發射信號時，發射功率會隨著距離的增加而增大。同時，天線自身的設計會影響其能耗。例如，采用低質量材料制作的天線通常會產生較大的損耗率，從而導致更高的能耗。因此，要實現節能降耗，必須采取有效的措施來減少天線的能耗。

除天線，伺服控制也是一個重要的能耗因素。伺服控制指通過調節電機位置或速度來達到某種目的的技術手段。在衛星通信系統中，伺服控制主要用于調整天線的方向和傾角，以保證信號的質量和覆蓋范圍。但是這種技術存在一定的能源消耗問題，如何提高伺服控制的效率并減小其能耗成為當前的研究熱點之一。

3.2 天線與伺服控制技術的能耗模型

傳統的天線結構往往存在較大的功率損耗問題，不利于提高系統的效率并降低成本。近年來出現許多新型的天線結構設計方法，如基于多饋源的天線和可調諧天線等。這些新的設計方法可以有效降低天線的功率損耗，從而提高系統的性能。同時，伺服控制技術廣泛應用于衛星通信系統。通過調解天線和伺服控制器之間的反饋關系，可以實現更加精確的信號傳輸和更高的信噪比。但是，這種技術需要消耗一定的能量來完成工作。如何合理地利用天線和伺服控制技術，以達到最優的能耗效果成為當前的研究熱點之一[5]。

4 天線與伺服控制技術在衛星通信中的能耗優化

4.1 天線單元能耗優化

4.1.1 結構的優化

衛星天線的結構設計很關鍵。一般來說，結構越簡單，天線的承載性能就越好，信號傳輸能力越強。

4.1.2 照明電源的優化

為保持天線的正常使用，應控制照明電源的能耗。如果功耗太大，可能會對天線的工作產生影響。因此，在設計時應考慮照明電源的能效問題。

4.1.3 射頻設計的優化

射頻安全是天線優化設計的關鍵因素之一，應確保射頻信號傳輸和接收的穩定性，對天線進行抗干擾設計。

4.1.4 天線兼容性的優化

在設計中應同步考慮天線的兼容性。互動效果好的天線與衛星之間可建立更可靠的通信網絡，提高通信效率。

4.2 伺服控制單元能耗優化

第一，選擇高效的伺服驅動器。第二，優化運動控制算法。第三，使用能量回收系統，將制動能量轉化為電能并存儲起來，以供后續使用。第四，優化傳動系統。選擇高效的傳動系統，如直線電機和無級變速器等，同時定期檢查和維護傳動系統，以確保其正常運行。第五，使用節能設備，如低功耗伺服電機、高效能耗的傳感器等。第六，定期維護和檢查伺服系統，確保其正常運行。

4.3 天線單元與伺服控制單元聯合能耗優化

4.3.1 基于聚類的能耗模型優化方案

在構建能源消耗模型和優化能效的過程中，首先要選擇適當的聚類算法；其次調整參數以實現對收集數據的類別劃分；最后挑選各類別的中心，為研究基礎探索能效優化的策略。在數據中心的運營管理過程中，利用聚類技術建立能源消耗模型，其優勢在于簡潔易操作，但也存在精確度不高、優化計劃的工作量過大等問題。

4.3.2 基于線性回歸的能耗模型優化方案

通過構建線性回歸模型，探索自變量和因變量的關聯性。這種模型在變量關系的分析、預測和時間序列問題的研究等領域起著關鍵作用。回歸分析可以劃分為線性回歸和邏輯回歸等。線性回歸技術不僅適用于構建數據中心的整體能源消費模型，還廣泛運用于構造服務器、空調系統等設備及其子系統的能源消費模型。

與聚類技術相比，線性回歸技術能夠更精確地構造出能源消耗模型。如果能源消耗的變量過多或數據量過大，構造的模型就需要不斷調整，以達到性能最佳。

5 結 論

天線與伺服控制技術在衛星通信中的能耗是一個復雜的問題，需要綜合考慮多種因素才能得到最佳的優化結果。文章介紹天線與伺服控制技術在衛星通信中的能耗模型和能耗優化的方法，重點闡述天線單元和伺服控制單元的能耗優化方法。在未來的研究中，可以繼續深入挖掘天線與伺服控制技術在衛星通信其他方面的潛力，不斷推動衛星通信技術的發展，為用戶帶來更便捷和高效的通信體驗。