1 引 言
隨著衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信息通過衛(wèi)星進行傳輸。車載衛(wèi)星通信由于基本不受地域和自然條件的限制，以及其通信距離遠、質(zhì)量好和靈活機動性等特點，逐漸受到人們的青睞。為了使載體運動中穩(wěn)定收發(fā)衛(wèi)星信號，實現(xiàn)運動中穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)、話音、圖像的傳輸，必須為動中通天線系統(tǒng)引入穩(wěn)定控制功能，這類天線穩(wěn)定系統(tǒng)國外發(fā)達國家已經(jīng)有了成熟的技術(shù)解決方案，而且被廣泛應(yīng)用于軍事和商業(yè)領(lǐng)域。國內(nèi)研制起步較晚，目前也取得了一定的成果[1]。
隨著車載衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，用戶對產(chǎn)品的功能、可靠性、價格、體積等方面的要求越來越高。本文研究的動中通天線系統(tǒng)工作于Ku頻段，采用O．6 M小口徑天線，天線控制系統(tǒng)選用高性能高速單片機C8051F130為系統(tǒng)處理器，提高了系統(tǒng)處理速度，同時采用圓錐掃描自動跟蹤機制，構(gòu)成了天線位置反饋閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)天線姿態(tài)的高快速穩(wěn)定跟蹤，使天線的中心軸始終對準衛(wèi)星，從而保證在運動中實現(xiàn)可靠的衛(wèi)星通信。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

動中通天線控制系統(tǒng)主要由傳感系統(tǒng)(三軸陀螺和HMR3000)、監(jiān)控計算機以及系統(tǒng)處理器C8051F130等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

C8051F130是一款由Cygnal公司新推出的高性能高速單片機，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，執(zhí)行指令快速度可達100 MIPS，與8051系列比較增加了很多的資源，他在片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采樣或控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件。將C8051F130應(yīng)用于動中通天線控制系統(tǒng)，可加快處理速度、充分利用其片上的功能模塊，達到更好的控制效果，并可簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

在系統(tǒng)設(shè)計中用到了C8051F130以下外圍模塊功能：
(1)A／D采樣：將敏感天線姿態(tài)變化的方位、俯仰、橫滾三軸陀螺的傳感信號通過A／D轉(zhuǎn)換通道送給處理器。
(2)定時模塊：實現(xiàn)采樣定時(5 ms)和控制周期定時(20 ms)。
(3)異步通信：C8051F130提供2個串行通信口Vart0和Uart1，通過RS 232模塊MAX202ECPE實現(xiàn)處理器和HMR3000、監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)通訊。
(4)FLASH數(shù)據(jù)存儲：存儲控制系統(tǒng)的一些固定參數(shù)。
(5)基本I／O口：實現(xiàn)執(zhí)行電機的驅(qū)動和控制。
整個系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)初始化后，首先進行衛(wèi)星參數(shù)選擇，然后監(jiān)控計算機通過接收GPS信號獲取動中通天線當前經(jīng)緯度(φ1，θ1)定位坐標，根據(jù)公式(1)解算[2]得到跟蹤衛(wèi)星的天線方位A、俯仰E角(φ2為所選衛(wèi)星經(jīng)度，φ=φ2-φ1為星下點對所在位置的經(jīng)度差)。

當天線擾動時，敏感天線姿態(tài)變化的角速度壓電陀螺繞著相應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)速度成線性比例關(guān)系的輸出電壓，處理器每隔5 ms定時對陀螺輸出電壓信號進行A／D采樣，根據(jù)陀螺測得的運動角速度，解算出系統(tǒng)穩(wěn)定的角位置，經(jīng)三軸陀螺回路校正，采用閉環(huán)控制策略將角位置補償信號送入伺服系統(tǒng)，天線在驅(qū)動電機的控制下迅速捕獲衛(wèi)星。
由于載體的機動性強、姿態(tài)變化快、幅度大，以及陀螺的零點漂移等諸多復(fù)雜因素的影響，會引起原對準衛(wèi)星的天線偏離衛(wèi)星，使通信中斷，因此系統(tǒng)在陀螺穩(wěn)定的基礎(chǔ)上還需配以圓錐掃描跟蹤體制[3]，使衛(wèi)星接收機輸出的AGC信號超過預(yù)設(shè)門限值，達到高跟蹤衛(wèi)星，從而實現(xiàn)移動中穩(wěn)定地通信。 3控制策略和圓錐掃描

3．1控制策略
根據(jù)角速度壓電陀螺測得的運動角速度，解算出系統(tǒng)穩(wěn)定的角位置補償量δ=η×[A]×T(η為陀螺輸出，[A]為坐標轉(zhuǎn)換矩陣，T為控制周期)，驅(qū)動步進電機作前饋補償保證了系統(tǒng)穩(wěn)定的快速性；同時根據(jù)HMR3000高空間指向的輸出進行系統(tǒng)指向閉環(huán)修正，彌補了開環(huán)控制中由于陀螺零點漂移所帶來的系統(tǒng)偏差，兩者相輔相成，完成了天線系統(tǒng)的高快速穩(wěn)定[4]。如圖2所示。

3．2圓錐掃描自動跟蹤機制
本系統(tǒng)采用拋物面圓口徑天線，天線口徑D=0．6 m，焦距f=0．32 D，副面切向圓直徑d=70 mm，高h=9．48 mm，材料為鋁材，質(zhì)量約為51 g。傳統(tǒng)的圓錐掃描大多采用旋轉(zhuǎn)偏焦饋源的方式。鑒于本系統(tǒng)副面質(zhì)量輕，采用旋轉(zhuǎn)副面方式進行圓錐掃描，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)副面相比，無需空心電機，具有機械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)簡單、電路設(shè)計易于實現(xiàn)、造價低等特點。選用普通低速直流電機，先將天線波束軸偏離目標軸一定角度，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)副面使天線波束軸繞目標旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。如果跟蹤目標偏離旋轉(zhuǎn)軸，接收機輸出的信號幅度受波束掃描調(diào)制，形成調(diào)幅的誤差信號，調(diào)制度的大小與角誤差成正比，相位由目標偏離方向泱定。因此，波束掃描時形成的調(diào)幅誤差信號包含了目標角誤差的全部信息。圓錐掃描跟蹤天線輸出的誤差信號經(jīng)接收機放大和檢波后，輸送到方位、仰角誤差相位檢波器，誤差相位檢波器的基準信號分別是頻率相同(圓錐掃描頻率)而相位正交的正弦、余弦信號。相位檢波器的輸出即為方位，仰角誤差信號，經(jīng)功率放大后控制天線旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)軸指向朝著角誤差濺小方向運動[5]。天線波束圓錐掃描空間關(guān)系見圖3，ε為誤差角，δ為波束偏角。
為了實現(xiàn)系統(tǒng)對衛(wèi)星的快速跟蹤，還必須提高接收機AGC信號電平輸出的采樣速率，這樣可以加快天線的調(diào)整速率，相應(yīng)就該提高圓錐掃描頻率。然而掃描頻率的選擇受天線結(jié)構(gòu)抗震性能和信號接收機性能的影響，經(jīng)過反復(fù)試驗確定了一個比較適合本系統(tǒng)的2 Hz掃描頻率。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計
動中通天線控制系統(tǒng)軟件按其功能和結(jié)構(gòu)特點主要分為4個模塊，即初始化模塊、衛(wèi)星信息模塊、姿態(tài)解算模塊以及自動跟蹤模塊。
初始化模塊 主要完成系統(tǒng)的初始化，首先是單片機初始化，包括片內(nèi)外圍的初始化，RAM，A／D初始化，串口初始化，數(shù)字I／O口初始化，定時器初始化等；然后通過采樣HMR3000信號對天線的姿態(tài)進行初始化，建立初始化天線穩(wěn)定平臺。
衛(wèi)星信息模塊 主要完成衛(wèi)星參數(shù)輸入、修改、刪除和保存等編輯功能，實現(xiàn)從界面上監(jiān)視衛(wèi)星狀態(tài)、天線狀態(tài)以及AGC信號電平。
姿態(tài)解算模塊 主要完成天線對星角由地理坐標系到載體坐標系的坐標轉(zhuǎn)換和擾體誤差補償轉(zhuǎn)換等功能。
自動跟蹤模塊 實現(xiàn)天線穩(wěn)定的空間指向，他是整個軟件系統(tǒng)的，可分為定時中斷處理和串行中斷處理。定時中斷處理主要完成與時間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括陀螺輸出A／D采樣，驅(qū)動定時以及控制周期等。定時中斷設(shè)計為每5 ms，中斷處理程序內(nèi)部設(shè)計一個軟計數(shù)器，用于控制周期為20 ms的處理程序。串行中斷處理模塊主要完成監(jiān)控機指令，GPS數(shù)據(jù)，HMR3000，AGC信號等的接收。
系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語
C8051F130單片機運算速度快，可在線編程調(diào)試，片內(nèi)資源豐富，加上采用旋轉(zhuǎn)副面的圓錐掃描方式，提高了天線控制系統(tǒng)的整體性能且降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)難度。系統(tǒng)完成調(diào)試后在三軸轉(zhuǎn)臺上進行了測試，測試結(jié)果表明：天線跟蹤可達到0．1°(r．m．s)，初始對星時間≤1 min，滿足車、船用條件下的各種性能要求。隨著衛(wèi)星移動通信的進一步發(fā)展，具有高性能、低成本等特點的基于C8051F130的動中通天線控制系統(tǒng)將會有廣闊的市場前景。
  

參考文獻:

[1]. C8051F130 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/C8051F130_209862.html.
[2]. MAX202ECPE datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX202ECPE_1079683.html.
[3]. HMR3000 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/HMR3000_1553798.html.