自动寻星卫星电视天线控制系统

自动寻星卫星电视天线控制系统 第19卷第4期 2007年12月 甘肃科学 JournalofGansuSciences Vo1.19NO.4 Dec.2007 自动寻星卫星电视天线控制系统 李涛,郝东亮,刘建中 (1.甘肃省科学院自动化研究所,甘肃兰州730000; 2.甘肃省广播电影电视总台.甘肃兰州730000) 摘要:介绍了基于DSP自动寻星卫星电视天线控制系统,阐述了系统的软硬件结构及各部分功 能.实现了卫星地面站天线的自动寻星和实时跟踪. 关键词:卫星电视天线;自动寻星;自动实时跟踪 中图分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:1004—0366(2007)04—0085—04 AntennaControlSystemofSatelliteTelevisionforAutomaticSatellite SearchingandTracking LITao,HA0Dong—liang,LIUJian-zhong (1.InstituteofAutomation,GansuAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.GaRndi0,FZ,,王&ZP0SP,I口cP,L4ho730000chin) basedsystemforsatellitetelevisionantennacontrolisintr Abstract:ADSP— oduced,whichisdesignedfor searchingandtrackingsatellitesautomatically.Thearchitecturesofthesoftwareandhardwareofthecon— trolsystemaregiven,andthefunctionsofdifferentcomponentsaredescribedindetail.Theautomaticsat— ellitesearchingandthereal—timetrackingarerealizedinthisantennacontrolsystemforsatellitetelevision. Keywords.satellitetelevisionantenna;automaticsatellitesearching;automaticreal—timesatellitetrack- ing 电视卫星天线是卫星电视传输中必不可少的组 成部分,卫星天线随着科技的发展,正向集成化,智 能化,高科技方向发展L1].自动寻星卫星电视天线控 制系统,以最大的仰角开始,变动天线的方位角,自 动搜索卫星电视信号,找出最接近当地地理经度的 卫星,经确认出该卫星的位置参数后,根据天线所处 地理位置以及卫星经度,自动确定以水平面为基准 的天线仰角和天线的方位角.采用自主跟踪方式,以 电视信号极大值方式自动对准卫星,同时实时地显 示天线的状态参数,并将所有收到电视卫星位置参 数存储在系统中,可方便快速的对准其中任何一颗 电视卫星.存储数据量不受限制.在卫星的位置发生 漂移和卫星电视天线地理位置发生变化时,自动寻 星卫星电视天线控制系统依然可调整其姿态始终对 准电视卫星. 1系统构成 控制系统由DSP作为主控制核心扪,由倾角传感 器,简易场强仪作为测量传感器,由低压伺服电机和电 动推杆组成运动执行部件,由抛物面偏馈天线及其支 架作为卫星电视信号接收单元.其功能见框图1. 收稿日期:2007—07—10 基金项目:甘肃省科学事业费项目(QSO31一C32—1),中圉科学院自 动化研究所开放课题(20050202) 图1系统功能 86甘肃科学2007年第4期 1.1电视天线 卫星电视接收天线支架的结构采用俯仰方位式 见图2.它可以使天线锅面在支架上作上,下,左,右 的姿态调整.采用了偏馈式的Ku波段天线锅面和 双极化高频头构成高频信号接收系统.天线的立柱 采用直径9Omm的圆钢管加工而成;以30mm的 方钢管及角钢焊接为仰角调节架,仰角的调节范围 为O.,75.;仰角调节架安装在立柱上,相对立柱可 以在水平面做全方位转动. 1.高频头2.高频头支架3.天线锅面 4.运动架S.电动推杆6.立拄 图2卫星电视接收天线支架 1.2机械执行机构 在俯仰方位式的机架结构上面配置2个伺服电 机,在俯仰轴安装一个倾角传感器,分别实现对方位 角和仰角运动的驱动功能.使得天线可以在水平方 向作360.自由旋转,在75.的俯仰范围升降.构成具 有2个自由度的运动系统,完成对天线的姿态控制. 2运动控制系统 2.1数宇控制单元 数字控制单元采用TI公司的32位定点数字信 号处理器(DSP)TMS320F28120].它采用高性能的 静态CM0S技术,主频达150MHz,指令周期仅为 6.67ns,具有强大的实时控制能力.其32位的 CPU,单周期32×32乘法累加运算操作,64位的数 据处理能力等特点,能够完成高精度的处理任务,并 且具有高效的代码转换功能,支持C/C++和汇编 语言编程.片上Flash/ROM具有可编程加密特性, 可以方便现场软件升级.该芯片上集成有l2位的模 数转换器(ADC),A/D转换速度仅200ns,可进行快 速实时采样.其标准的通信接口(SCI等)可方便与 其他设备的数据交换. F2812数字信号处理器(DSP)采用增强的哈佛 总线结构,能够并行访问程序和数据存储空间. F2812处理器采用专用的存储器流水线操作,保证 Flash存储器能够获得良好的性能.TMS320F2812 芯片作为运动控制器的核心处理器,具有信息处理 能力强,开放程度高,控制准确,通用性好的特点.主 要完成信号的处理判断,自动控制输出,键盘输人和 数显控制.其功能模块主要包括DSP主控单元,键 盘输人单元,LED液晶显示单元,位置传感输人单 元,串行口上位机通讯以及输出,伺服控制执行单元 等部分组成.通过串行接口可以与上位Pc机通 信,接受干预指令或将本系统信息传送到上位PC机. 2.2位置传感和伺服控制执行单元 天线的水平方向的转动伺服系统,选用了和利 时公司生产的HUM+D0L一5O型伺服驱动器,它 具有运动控制特性,可以执行由数字控制单元发来 的运动指令,带动交流伺服电机按预定的轨迹运动. 实现天线在水平方向的方位角的运动. 在俯仰轴安装一个倾角传感器.倾角传感器的 输出电压与倾角位置的关系是连续函数关系,是一 个模拟量,它可以反映出0~~90.范围内天线仰角的 即时姿态.倾角信号首先进行模拟量采样和A/D转 换(量化)L4],送人数字处理单元.数字处理单元送出 天线垂直方向的运动控制信号,由电动推杆驱动仰 角执行机构,实现天线仰角的调整. 接收到的卫星信标信号的强弱作为天线是否对 准卫星的依据.我们利用宽带指针式寻星仪经改造 后,将其lV,3V的输出电压送至DSP的A/D转 换电路作为系统的反馈信号. 3控制策略 针对实际应用的需要,我们采用了”卫星定位” 的控制策略.具体措施就是利用”盲搜法”找到一颗 卫星,根据该卫星信号确定它的在轨位置,由已 知的该颗卫星的位置再结合当地的地理坐标值,经 运算求得当前天线所处的方位角L5j,再将其作为基 准进行其他卫星的搜索. 在伺服控制执行单元中,由微处理器输出的状 态控制信号(开,停机,正反转,位移量等),经光电耦 合器输出,去控制伺服电机做相应的动作,从而驱动 天线方位,俯仰姿态的变化.在程序的控制下天线锅 第19卷李涛等;自动寻星卫星电视天线控制系统87 面精确运动到既定姿态,使卫星电视接收天线对准 所要接收电视信号的卫星. 3.1数据处理 倾角传感器输出的是0V,4.5V的模拟信号, 先将其调理成0V,3V的电压范围,以适应DSP 模数转换输入接口的规范D].首先经DSP内12位 的A/D转换器进行模数转换,再用反函数arcsin将 其换算成相对应的角度数值. 接收到的卫星信标信号的强度作为天线是否对 准卫星的依据.宽带寻星仪可以输出1V,3V的场 强信号电压,将其送至DSP的A/D转换电路,即可 获取反映是否对准卫星的参考数字信号. 3.2寻星算法 在微控制器内预存储了所需寻找的静止卫星轨 道位置的星下点地理经度.当输入了由GPS测量得 的天线所在地的地理经,纬度以及海拔高度数值后, 结合卫星电视信号的场强电平和以上数据进行相应 运算后产生天线姿态的控制信号,经输出接口传至 相应的机械执行机构,即可对天线的姿态进行控制, 还可采用极值跟踪体制进行实时跟踪,同时实时地 显示天线的状态参数. 天线的方位角A的计算公式如下[5]: arctan, A— 其中n为当地地理经度与卫星定点经度之差;13为 当地地理纬度(以下公式中字母的含义相同). 天线的俯仰角E的计算公式如下: COS0~×c.sp—N- ~ /—l--(cos—acosp)2’ 其中r为地球半径;R为卫星轨道半径. 4软件设计 采用TI公司DSP芯片构建的DEC8212开发 板及其配套的编程器,自行开发针对控制对象的程 序,构成独立的运动控制系统[6]. 应用程序由支持DSP芯片的c及汇编语言编 写.包含了主函数,中断服务函数和各功能子函数. 为便于程序的设计,分析与调试,采用了结构化模块 设计方法L7]. 系统软件由主程序和各功能子函数构成. 4.1主函数 主函数主要完成系统初始化,即对扩展电路,中 断矢量,TMS320F2812芯片内部RAM及各寄存 器进行初始正确状态的设置.初始化还包括对 ADC,SCIES~,脉冲发生器,显示输出等有关功能单 元状态的设置.然后扫描键盘,根据键值散转至各键 处理功能子函数.主函数的程序流程见框图3. 图3主函数的程序流程 88甘肃科学2007年第4期 4.2子函数 功能子函数主要包括A/D转换中断程序,电机 运行中断程序和通讯中断程序等.功能函数模块主 要有查表,显示,数制转换,自动寻星控制算法,极值 式自寻最优实时跟踪等.在此只介绍自寻极大值式 实时跟踪模块. 当天线基本对准目标卫星时,即可测试到该卫 星电视载波信号的场强,并且此载波信号的强度也 对应着天线对准卫星的程度.由此可采用微步调整 方位角和俯仰角的方法,同时测试各个位置的接收 信号场强,场强最强处就必然是精确对准卫星的姿 态.其流程如图4所示. 图4卫星搜索流程 在天线的实时跟踪中,天线的动作分为试探步 和调整步2种,在试探步动作中,首先使天线的方位 角和仰角微动一小步,然后对信号取样,场强记忆以 及比较等,待经过若干次搜索并确定了天线应该转 动的方向后,就将天线调整到此最佳位置. 5结束语 利用TMS320F2812数字信号处理器开发的智 能卫星电视天线控制系统,功能齐全,自动化程度 高,不但能够做到自动寻星,而且还具有实时自寻优 跟踪功能,因此具有较高的推广应用价值和广阔的 开发前景. 参考文献: [1]刘进军.卫星电视接收技术[M]北京国防工业出版社,2007. [2]韩安太.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]. 北京;清华大学出版社,2003 [3]苏奎峰TMS32OF2812原理与开发[M].北京.电子工业出版 社,2005 [4]王茁机电一体化系统设计[M].北京:化学工业出版社,2005. [5]沈永明.卫星接收器材的安装和调整[J].无线电,2006,523 (4):9-10 [63彭启琮TIDSP集成化开发环境(CCS)使用手册[M].北京: 清华大学出版社,2005 [71松桥工作室深入浅出C&c+十程序设计[M].北京:中国铁 道出版社,2006 [8]张卫宁TI.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设[M]北 京:清华大学出版社,2005 作者简介: 李涛,(1965一)男.甘肃省秦安人.1988年毕业于甘肃工业大学自动控制系获工学学士学位.现任甘肃省科学院自动化 研究所所长.高级工程师.