潘玲云,，王慶林，張磊

　?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,，江蘇 南京 210003）

　　摘要：目前,，國(guó)內(nèi)大多數(shù)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)是以固定站衛(wèi)星通信為主，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中通信,。因而,，基于衛(wèi)星通信的運(yùn)動(dòng)中通信設(shè)備－“車(chē)載動(dòng)中通”系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。文章研究了兩軸捷聯(lián)式車(chē)載移動(dòng)衛(wèi)星通信地球站,，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)衛(wèi)星通信,。車(chē)載“動(dòng)中通”伺服控制系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模與仿真,。由于車(chē)輛行駛速度,、路況的高度不確定性,，車(chē)載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)采用模糊PID控制，對(duì)星策略采用圓錐掃描算法,。系統(tǒng)仿真采用MATLAB中Simulink模塊完成,，仿真結(jié)果表明，車(chē)載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)輸入與輸出的穩(wěn)態(tài)誤差很小,，動(dòng)態(tài)性能良好,。

　　關(guān)鍵詞：車(chē)載“動(dòng)中通”；伺服控制系統(tǒng),；建模與仿真,；圓錐掃描算法；模糊PID控制

0引言

　　車(chē)載“動(dòng)中通”衛(wèi)星地球站主要應(yīng)用于自然災(zāi)害應(yīng)急通信,、治安管理通信以及商業(yè)信息化等,。我國(guó)地域廣闊、環(huán)境多樣,，通信自然災(zāi)害時(shí)常發(fā)生,，當(dāng)面對(duì)自然給基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的破壞，車(chē)載能夠第一時(shí)間為受災(zāi)區(qū)域與外界建立聯(lián)系,，交互受災(zāi)情況信息,，及時(shí)準(zhǔn)確地采取應(yīng)對(duì)措施。車(chē)載“動(dòng)中通”可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸,、搶險(xiǎn)救災(zāi),、新聞采訪、科考探險(xiǎn),、公安和軍事等應(yīng)急和特殊通信領(lǐng)域,，具有廣闊的市場(chǎng)需求［1］ 。正因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì),，車(chē)載成為各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目,。

　　伺服控制系統(tǒng)是車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)的核心組成部分，優(yōu)良的伺服控制系統(tǒng)是“動(dòng)中通”能夠正常工作的重要前提［2］,。伺服系統(tǒng)通過(guò)各種位置狀態(tài)傳感器,、微處理器和驅(qū)動(dòng)設(shè)施，隨動(dòng)地調(diào)整系統(tǒng)天線的指向,，保持天線穩(wěn)定地指向同一位置而不受載體姿態(tài)影響,。跟蹤衛(wèi)星結(jié)合FuzzyPID算法和圓錐掃描算法，能夠快速準(zhǔn)確地捕獲目標(biāo)衛(wèi)星,，并使得天線持續(xù),、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。

1伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1伺服系統(tǒng)工作原理

　　車(chē)載“動(dòng)中通”主要由空間天線、信號(hào)處理系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)組成,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。圖1車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)框圖其中天線用于指向同步衛(wèi)星接收和發(fā)送視頻、圖像,、語(yǔ)音等信號(hào)［3］,。信號(hào)處理系統(tǒng)用于調(diào)制解調(diào)空間信號(hào),，并通過(guò)功分器,、信標(biāo)機(jī)等將空間信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)直觀的數(shù)字量，將該數(shù)字量作為伺服控制系統(tǒng)的一個(gè)輸入控制量,。伺服控制系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器獲取天線指向狀態(tài),，然后根據(jù)輸入控制量信息輸出相應(yīng)的輸出控制信號(hào)，來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線修正其指向,，以達(dá)到移動(dòng)中對(duì)星,、隨動(dòng)跟蹤的功能。

　　1.2伺服隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　伺服控制系統(tǒng)是車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)的核心,，天線的對(duì)星運(yùn)動(dòng)都是由伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé),。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)C0851F120、傳感器,、存儲(chǔ)芯片,、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行電機(jī)組成,。該伺服控制系統(tǒng)采用C8051F120作為其核心控制器［4］,，如圖2所示。

　　陀螺傳感器反饋天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,，控制器對(duì)該加速度進(jìn)行積分便可獲得轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,，這使得天線可以智能地轉(zhuǎn)動(dòng)各種指定角度；當(dāng)載體運(yùn)動(dòng)范圍比較大,，需要重新測(cè)量天線理論方位俯仰時(shí),，GPS將測(cè)量當(dāng)前載體的經(jīng)緯度用于理論值的計(jì)算；傾斜儀測(cè)量天線俯仰相對(duì)于水平面的角度,，根據(jù)傾斜儀的測(cè)量值可以知道天線的俯仰角值［5］,。

　　傳感器將測(cè)量值反饋到控制器中，控制器對(duì)各反饋信息進(jìn)行識(shí)別,、處理后產(chǎn)生控制信息,，這些控制信息驅(qū)動(dòng)著方位、俯仰及極化電機(jī),，帶動(dòng)天線進(jìn)行初始化,、盲掃、跟蹤和隨動(dòng)，確保車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)能隨時(shí)發(fā)現(xiàn)并跟蹤鎖定衛(wèi)星以進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,。伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

　　信號(hào)處理系統(tǒng)將一路信號(hào)輸出給伺服控制系統(tǒng)中的信標(biāo)機(jī)，信標(biāo)機(jī)能根據(jù)空間信號(hào)強(qiáng)度輸出一個(gè)相應(yīng)的模擬量或者數(shù)字量AGC,，根據(jù)該AGC可以判斷天線指向是否接近并跟蹤上衛(wèi)星,。

2伺服控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

　　該伺服系統(tǒng)采用模糊控制算法的FuzzyPID算法，防止衛(wèi)星跑偏,；采用圓錐掃描算法使天線持續(xù),、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。該系統(tǒng)結(jié)合這兩種算法,，能夠不斷調(diào)整自身的姿態(tài),，從而克服因載體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的天線指向誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中不間斷通信,。

　　2.1模糊PID算法

　　天線伺服控制系統(tǒng)若使用傳統(tǒng)PID控制器,，當(dāng)理論值與實(shí)際值存在差值，積分環(huán)節(jié)就會(huì)不停地積分,，最終可能會(huì)導(dǎo)致積分飽和［6］,，影響控制速度和精度，從而影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能,。因此,，車(chē)載“動(dòng)中通”伺服系統(tǒng)使用模糊控制改變積分環(huán)節(jié)的控制。圖4為模糊PID算法流程圖,。

　　當(dāng)理論值與實(shí)際值的偏差變大時(shí),，說(shuō)明天線移動(dòng)的方向與衛(wèi)星方向背離［7］，增大積分環(huán)節(jié),，阻止天線偏離衛(wèi)星方向,，將天線拉回衛(wèi)星指向；當(dāng)理論值與實(shí)際值的偏差變小時(shí),，說(shuō)明天線移動(dòng)的方向與衛(wèi)星方向靠近,，減小積分環(huán)節(jié)，天線指向逐步靠近衛(wèi)星方向,。

　　2.2圓錐掃描跟蹤算法

　　無(wú)論載體怎么運(yùn)動(dòng),，天線都能始終準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星，其關(guān)鍵在于天線的掃描算法［8］,。該系統(tǒng)采用的是圓錐掃描跟蹤算法,。驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓天線面繞指向衛(wèi)星的中心軸畫(huà)微小的圓，在捕獲到目標(biāo)衛(wèi)星之后,，通過(guò)圓錐掃描運(yùn)動(dòng)反饋的狀態(tài)誤差對(duì)天線進(jìn)行閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償,。

　　在伺服控制系統(tǒng)中，信號(hào)處理系統(tǒng)將一路信號(hào)輸出給伺服控制系統(tǒng)中的信標(biāo)機(jī)，信標(biāo)機(jī)根據(jù)空間信號(hào)強(qiáng)度輸出一個(gè)相應(yīng)的模擬量或者數(shù)字量AGC,，再根據(jù)該AGC來(lái)判斷天線指向是否接近并跟蹤上衛(wèi)星,。

　　當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)同步衛(wèi)星時(shí)，采集到的AGC信號(hào)是最大的,，在采集到最大AGC信號(hào)的位置上下左右各采集4個(gè)點(diǎn),，以T為周期轉(zhuǎn)圈，則4個(gè)點(diǎn)的采集時(shí)間為：t=0,、T/4,、T/2、3T/4的AGC信號(hào),，采集到的4個(gè)點(diǎn)的AGC值應(yīng)該是相同的,。如果不同,，則表示天線的指向存在一定的偏差,。不停重復(fù)這樣的掃描過(guò)程，不停地比較偏離方向來(lái)調(diào)整天線的姿態(tài),，從而保證通信的穩(wěn)定和持續(xù)性,。圓錐掃描算法的天線波束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

　　記左右上下4點(diǎn)的AGC值分別為：L_AGC,、R_AGC,、U_AGC和D_AGC。實(shí)現(xiàn)程序如下：

　　if(i ==0)

　　R_AGC = CurrentAGC;

　　if(i ==TABLE_SIZE/4)

　　D_AGC = CurrentAGC;

　　if(i ==TABLE_SIZE/2)

　　L_AGC = CurrentAGC;

　　if(i ==TABLE_SIZE/4* 3)

　　圖6Simulink系統(tǒng)框圖U_AGC = CurrentAGC;

　　if(++i > = TABLE_SIZE) {

　　i = 0;

　　if(R_AGC >L_AGC) {

　　AZ_Error += DEGREE0_1;

　　}

　　else if(R_AGC <L_AGC) {

　　AZ_Error - = DEGREE0_1;

　　}

　　if(U_AGC>D_AGC) {

　　EL_Error + = DEGREE0_1;

　　}

　　else if(U_AGC< D_AGC) {

　　EL_Error - = DEGREE0_1;

　　}

　　}

3伺服系統(tǒng)模型搭建與仿真結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性,，對(duì)車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真,。車(chē)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)的建模與仿真建立在控制理論、相似理論,、計(jì)算機(jī)理論的基礎(chǔ)上,，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成建立其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)性能,。

　　3.1系統(tǒng)模型搭建與仿真

　?。?）PWM功率放大電路數(shù)學(xué)模型

　　PWM功率放大電路其原理就是改變直流無(wú)刷電機(jī)輸入控制電壓的接通和斷開(kāi)的占空比從而改變直流無(wú)刷電機(jī)電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；當(dāng)輸入控制電壓的極性改變時(shí),，MOSFET管狀態(tài)會(huì)隨之改變,，從而改變輸出控制電壓的極性，進(jìn)而改變直流無(wú)刷電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),。直流無(wú)刷電機(jī)輸入控制電壓的接通和斷開(kāi)在第二個(gè)周期時(shí)輸出控制電壓才會(huì)改變,。由于輸入控制電壓與輸出控制電壓存在時(shí)間差，因此PWM功率放大電路存在一定的滯后,。式（1）中,，Kpwm是電壓放大的倍數(shù)，Ts表示輸入控制電壓與輸出控制電壓滯后時(shí)間。則功率放大電路的傳遞函數(shù)為：

　　H(s)=Kpwme－Tss(1)

　　對(duì)式（1）按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),，可以知道輸入控制電壓與輸出控制電壓的滯后時(shí)間非常小,，因此高次項(xiàng)系數(shù)可以忽略，對(duì)式（1）進(jìn)行簡(jiǎn)化為：

　　同時(shí)由于輸入控制電壓與輸出控制電壓的滯后時(shí)間Ts非常小,，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

　　H(s)=Kpwm(3)

　?。?）傳感器數(shù)學(xué)模型

　　本文中的傳感器是對(duì)天線實(shí)時(shí)位置信號(hào)的反饋，因此傳感器數(shù)學(xué)模型可以用傳遞函數(shù)H(s)=1來(lái)表示,。

　?。?）建立系統(tǒng)模型

　　在MATLAB仿真軟件中通過(guò)Simulink建立系統(tǒng)模型如圖6所示。

　　3.2仿真結(jié)果分析

　　當(dāng)給輸入一個(gè)正弦控制信號(hào)時(shí),，正弦控制信號(hào)的幅度為π/12,，設(shè)置頻率為2 Hz。正弦控制信號(hào)的輸出響應(yīng)圖如圖7所示,。由圖7可以看出,，給定輸入灰色部分與實(shí)際輸出黑色部分幾乎重合，因此系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能和跟蹤性能,；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差如圖8所示,，由此可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.008，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好,。

　　車(chē)載“動(dòng)中通”伺服控制系統(tǒng)通過(guò)GPS對(duì)當(dāng)前載體所在位置進(jìn)行測(cè)量,，由設(shè)定的衛(wèi)星參數(shù)計(jì)算得到理論方位，將理論值與實(shí)際值的偏差送到伺服控制系統(tǒng)中,，從而得出電機(jī)為縮小偏差值所要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角速度,。天線運(yùn)動(dòng)后，再次計(jì)算理論值與實(shí)際值的偏差,，不斷重復(fù)形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),，逐步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的實(shí)際值與理論值的吻合，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤,。

4結(jié)論

　　本文主要對(duì)車(chē)載“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),。車(chē)載“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)的跟蹤同步衛(wèi)星的能力直接取決于伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試,，該車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在各種假想的工況環(huán)境下,，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確對(duì)星并跟蹤，滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo),。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 胡正飛,謝繼東. 便攜式衛(wèi)星通信地球站結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2006(3):46.［2］ 梁佰祥.車(chē)載“動(dòng)中通”衛(wèi)星地球站伺服控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.南京：南京郵電大學(xué),2012.

　　［3］ 郭慶,王振永,顧學(xué)邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

　?。?］ 張帥.一種新型的船用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)［D］.南京：南京郵電大學(xué),2008.

　?。?］ 周文虎.“動(dòng)中通”用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信［J］.上海信息化,2010(8):4042.

　?。?］ 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

　　［7］ 韓春生,劉劍,汝福興,等.基于PID算法的船舶航跡自動(dòng)控制［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2012,31(4)：912.

　?。?］ 王鵬程.基于復(fù)合控制技術(shù)的陸上移動(dòng)衛(wèi)星通信地球站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京郵電大學(xué),2013.