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关于便携式卫星通信系统设计问题的探讨HYPERLINK"https://m.zqwdw.com/zhifu/2020/1208/1069027.html"贺晓文何建东【摘要】当前地质灾害事故时有发生，在救援过程中，往往是利用卫星通信系统来完成灾区信号的传输。便携式卫星通信系统可随身携带，方便信号传输工作的开展，目前已经在很多的领域得到了广泛的应用。本文作者将针对便携式卫星通信系统的设计问题展开探讨。【关键词】便携式卫星通信；天线；信号；设计【中图分类号】P185.18【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0013-02一、总体结构设计便携式卫星通信控制系统整体结构组成及其中各模块主要设计和功能如下：1、测量与信号调理模块用于测量天线姿态和位置。本系统采用GPS、三轴电子罗HMR3300和信标机实现天线位置和姿态测量：GPS用于测量通信系统所在地的地理位置，HMR3300用于测量天线的方位、俯仰姿态信息，信标机则通过输出AGC电平检测天线的对星精度；GPS和HMR3300均通过串口输出数据，而信标机的AGC电平模拟信号经过信号调理模块进行滤波、放大。2、天线控制器模块和电机及驱动模块相结合，用于实现天线的卫星跟踪和指向对准。对于控制器，考虑到系统实时性和快速性要求较高，选用了低功耗和高性能的TMS320F2812作为系统的主控芯片；为使系统结构紧凑，驱动电机采用MT57STH52-3008A混合步进电机。3、液晶显示模块用于实时显示天线的方位、俯仰指向和信标接收机输出的电平值等信息。4、无线监控模块用于实现用户对控制系统的实时监控，向控制系统发送指令，同时接收控制系统发送过来的数据并将其显示在上位机上，一方面便于用户掌握天线的实时状态信息，另一方面可切换为天线遥操作。二、控制系统工作原理控制系统所能实现的天线对星性能决定了系统通信质量。为了实现高精度、快速对星，本系统采用粗精对准相结合的方法，实现卫星信号的快速搜索与高精度指向：系统的卫星信号搜索是一个粗对准的过程，通过程序跟踪的方法实现；天线的高精度指向是一个精对准的过程，通过步进跟踪的方法实现。1、天线搜索与控制（1）方位角、俯仰角计算。天线对星指向角的计算需同时知道地球站所在地的经度、纬度和静止卫星的在轨经度。静止卫星S与地球站A之间的几何关系如图1所示。图中，A表示地球站，S表示静止卫星，B为地球站A的经线与赤道的交点，O与S的连线在地球表面上的交点C称为星下点，地球表面上通过A点和C点的弧线AC称为方位线，AN为AC的切线，AM为AB的切线，面OAS为方位面，D为切线AM与赤道平面的交点，E为切线AN与赤道平面的交点。地球站与静止卫星的连线称为直视线，直视线在地面上的投影，即地球站与星下点间的弧线称为地球站对静止卫星的方位线，方位线与直视线确定的平面称为方位面。方位角是指地球站所在经线的正南方向按顺时针方向与方位面所构成的夹角，用∠MAN表示，俯仰角是指地球站的方位线与直视线的夹角。设地球站A的经度和纬度分别为φ和θ1，静止卫星经度为φ2，经度差△φ=φ1-φ2，以下具体给出地球站天线对准卫星所需的方位角φa和俯仰角φe的推导过程。对于方位角，由图可得：AD=ODsinθ1①tanφa=DE/AD②tan△φ=DE/OD③由以上三式可以得出天线方位角：tanφa=tan△φ/sinθ1④由于利用上式求出的方位角是以正南方向为基准求得的，故实际的方位角可用下述方法求出：方法一：地面站位于北半球：一是卫星位于地面站东南方向：方位角=180°-φa；二是卫星位于地面站西南方向：方位角=180°+φa。方法二：地面站位于南半球：一是卫星位于地面站东北方向：方位角=φa；二是卫星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。如果计算出的方位角是正值，则天线向正南偏东转动，反之，则天线向正南偏西转动。对于俯仰角，同样计算可得。（2）基于分区PID的天线控制算法。得到方位角和俯仰角度后，需要对电机进行控制，驱动其又快又好地到达期望的位置。常规的PID控制器采用固定的控制参数，难以兼顾快速性和平稳性的控制要求。为实现天线快速、平稳控制，本系统设计了基于分区PID的控制算法，即根据误差将系统分为若干区，不同的分区采用不同的PID控制策略，引导系统又快又好地到达指令位置。为简化控制器设计，对误差分区时采用对称分区。具体原理和设计如图2所示。O-A阶段：此时偏差很大，系统远离期望位置，考虑采用控制器输出的最大值进行控制，即Bang-bang控制；A-C阶段：此时偏差较大，但为防止系统上升过快导致较大超调，考虑采用比例控制；C-D阶段：此时偏差在一定范围内，为实现系统平稳控制，采用比例-微分控制；D-E阶段：此时偏差较小，为实现系统平稳、准确控制到位，采用PID控