基于LabVIEW的天線伺服集中監控系統設計

0 引言

天線伺服系統在確保地面站天線精確指向中繼衛星的同時，還要求具備高平穩、高可靠和長壽命等特殊性能，是衛星地面站中不可或缺的較為復雜的電子設備之一。隨著電力電子、控制理論、計算機等技術的快速發展以及電機制造工藝水平的不斷提高，伺服系統由液壓發展到電動。隨著衛星地面站建設規模的擴大，很多地面站保有的大型天線數量己經從一套增加到多套。對這些地面站來說，以中心機房的位置為參照物，天線及其伺服系統的分布通常呈現星形拓撲結構。在地面站設備監控系統成一體化發展的趨勢下，對各天線伺服系統實施遠程集中監測監控勢在必行。通常情況下，不同型號天線伺服系統的通信協議不能互相兼容，多部套天線伺服系統并行監測監控軟件設計具有一定的復雜性。多型號、多部套天線伺服系統集中監測監控問題逐漸成為地面站電子設備一體化集中監控系統設計與實現成為必要。

1 天線伺服基本知識

早在1934年，“伺服機構”一詞己經出現。隨著自動控制理論的不斷發展，伺服系統這個自動控制分支的理論與實踐也逐漸成熟，并于20世紀50年代開始得到廣泛應用。[1] 伺服技術在衛星通信地球站分系統中的應用，形成了天線伺服技術。早期的直流伺服系統大都由晶閘管直流調速驅動柜和工控機為核心的ACU組成。通用伺服系統還存在交流化的趨勢，主要原因在于交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現交流伺服系統的優越性。

1.1 天線伺服的功能

天線伺服系統的主要功能及性能指標如下:

(1)主要功能指標

1.方位、俯仰軸電機驅動控制及制動控制;
2.方位、俯仰軸位置檢測及多種模式的天線控制;
3.可存儲多個衛星位置;
4.軟限位、開關預限位和終限位三級限位保護;
5.俯仰收藏鎖定控制;
6.故障顯示、告警及記錄。

地球站天線觀察衛星的參數是由地球站天線的位置和同步軌道衛星的位置共同確定的。靜止衛星的位置用其星下點的經度表示，地球站天線的位置用所在地的地理經度和地理緯度表示。根據地球站天線所在地的經度和緯度以及衛星經度就可計算出天線對準衛星的方位角(AZ)、俯仰角(EL)，并用AZ和EL來調整天線，使其對準相應的衛星。設地球站的緯度為。。(北緯為正.南緯為負)，經度為凡(東經為正，西經為負)，衛星經度為凡(東經為正，西經為負)，方位以正北為零，順時針方向為正，利用靜止衛星和地球站的幾何關系，由幾何學和球面三角學很容易推導出地球站天線對準衛星的方位角Az、俯仰角EL的計算公式[2]。

當地球站天線位于北半球時，其對準衛星的方位角、俯仰角的計算公式分1-1、1-2：



Rs，代表地球半徑(6378km)，H代表同步衛星距地球表面的高度(35786km)。
當地球站天線位于南半球時，天線對準衛星的方位角AZ，，其計算公式為：


AZ為地球站天線位于北半球時，天線對準衛星的方位角。

1.2 天線伺服的組成與原理

天線伺服系統，是指完成天線驅動、位置檢測及各種控制功能的設備。天線伺服系統、天線上的驅動電機、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號回路設備等共同組成天線伺服跟蹤系統。一般可分為以下五個部分:電源、系統控制、方位驅動、俯仰驅動、人機接口等。天線伺服系統一般包含三個控制回路:信號控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天線伺服系統框圖，如圖1


圖1 天線伺服控制系統框圖