潘玲云，王慶林，張磊
（南京郵電大學(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。由于車輛行駛速度、路況的高度不確定性，車載“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)施帶來的破壞，車載能夠第一時(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FuzzyPID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FuzzyPID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)星的中心軸畫微小的圓，在捕獲到目標(biāo)衛(wèi)星之后，通過圓錐掃描運(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)這樣的掃描過程，不停地比較偏離方向來調(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)車載“動(dòng)中通”系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。車載“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
（1）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刷電機(jī)輸入控制電壓的接通和斷開的占空比從而改變直流無刷電機(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)而改變直流無刷電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。直流無刷電機(jī)輸入控制電壓的接通和斷開在第二個(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，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)
（2）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來表示。
（3）建立系統(tǒng)模型
在MATLAB仿真軟件中通過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，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。
車載“動(dòng)中通”伺服控制系統(tǒng)通過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)過反復(fù)測(cè)試，該車載衛(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)
［1］ 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)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006(3):46.［2］ 梁佰祥.車載“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.
［4］ 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.
［5］ 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):4042.
［6］ 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)：912.
［8］ 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.