基于LabVIEW的天線(xiàn)伺服集中監控系統設計

0 引言

天線(xiàn)伺服系統在確保地面站天線(xiàn)精確指向中繼衛星的同時(shí)，還要求具備高平穩、高可靠和長(cháng)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(zhù)電力電子、控制理論、計算機等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的不斷提高，伺服系統由液壓發(fā)展到電動(dòng)。隨著(zhù)衛星地面站建設規模的擴大，很多地面站保有的大型天線(xiàn)數量己經(jīng)從一套增加到多套。對這些地面站來(lái)說(shuō)，以中心機房的位置為參照物，天線(xiàn)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(fā)展的趨勢下，對各天線(xiàn)伺服系統實(shí)施遠程集中監測監控勢在必行。通常情況下，不同型號天線(xiàn)伺服系統的通信協(xié)議不能互相兼容，多部套天線(xiàn)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(xiàn)伺服系統集中監測監控問(wèn)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(shí)現成為必要。

1 天線(xiàn)伺服基本知識

早在1934年，“伺服機構”一詞己經(jīng)出現。隨著(zhù)自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展，伺服系統這個(gè)自動(dòng)控制分支的理論與實(shí)踐也逐漸成熟，并于20世紀50年代開(kāi)始得到廣泛應用。[1] 伺服技術(shù)在衛星通信地球站分系統中的應用，形成了天線(xiàn)伺服技術(shù)。早期的直流伺服系統大都由晶閘管直流調速驅動(dòng)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(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機的過(guò)負荷特性和低慣性更體現交流伺服系統的優(yōu)越性。

1.1 天線(xiàn)伺服的功能

天線(xiàn)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(dòng)控制及制動(dòng)控制;
2.方位、俯仰軸位置檢測及多種模式的天線(xiàn)控制;
3.可存儲多個(gè)衛星位置;
4.軟限位、開(kāi)關(guān)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(xiàn)觀(guān)察衛星的參數是由地球站天線(xiàn)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(diǎn)的經(jīng)度表示，地球站天線(xiàn)的位置用所在地的地理經(jīng)度和地理緯度表示。根據地球站天線(xiàn)所在地的經(jīng)度和緯度以及衛星經(jīng)度就可計算出天線(xiàn)對準衛星的方位角(AZ)、俯仰角(EL)，并用AZ和EL來(lái)調整天線(xiàn)，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(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負)，衛星經(jīng)度為凡(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負)，方位以正北為零，順時(shí)針?lè )较驗檎?，利用靜止衛星和地球站的幾何關(guān)系，由幾何學(xué)和球面三角學(xué)很容易推導出地球站天線(xiàn)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(xiàn)位于北半球時(shí)，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(xiàn)位于南半球時(shí)，天線(xiàn)對準衛星的方位角AZ，，其計算公式為：


AZ為地球站天線(xiàn)位于北半球時(shí)，天線(xiàn)對準衛星的方位角。

1.2 天線(xiàn)伺服的組成與原理

天線(xiàn)伺服系統，是指完成天線(xiàn)驅動(dòng)、位置檢測及各種控制功能的設備。天線(xiàn)伺服系統、天線(xiàn)上的驅動(dòng)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(xiàn)伺服跟蹤系統。一般可分為以下五個(gè)部分:電源、系統控制、方位驅動(dòng)、俯仰驅動(dòng)、人機接口等。天線(xiàn)伺服系統一般包含三個(gè)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(xiàn)伺服系統框圖，如圖1


圖1 天線(xiàn)伺服控制系統框圖