0 引言

天線伺服系統(tǒng)在確保地面站天線精確指向中繼衛(wèi)星的同時(shí)，還要求具備高平穩(wěn)、高可靠和長(zhǎng)壽命等特殊性能，是衛(wèi)星地面站中不可或缺的較為復(fù)雜的電子設(shè)備之一。隨著電力電子、控制理論、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)由液壓發(fā)展到電動(dòng)。隨著衛(wèi)星地面站建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，很多地面站保有的大型天線數(shù)量己經(jīng)從一套增加到多套。對(duì)這些地面站來說，以中心機(jī)房的位置為參照物，天線及其伺服系統(tǒng)的分布通常呈現(xiàn)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在地面站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)成一體化發(fā)展的趨勢(shì)下，對(duì)各天線伺服系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控勢(shì)在必行。通常情況下，不同型號(hào)天線伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議不能互相兼容，多部套天線伺服系統(tǒng)并行監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性。多型號(hào)、多部套天線伺服系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控問題逐漸成為地面站電子設(shè)備一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成為必要。

Rs，代表地球半徑(6378km)，H代表同步衛(wèi)星距地球表面的高度(35786km)。

當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€位于南半球時(shí)，天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角AZ，，其計(jì)算公式為：

 

AZ為地球站天線位于北半球時(shí)，天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角。

1.2 天線伺服的組成與原理

天線伺服系統(tǒng)，是指完成天線驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)及各種控制功能的設(shè)備。天線伺服系統(tǒng)、天線上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號(hào)回路設(shè)備等共同組成天線伺服跟蹤系統(tǒng)。一般可分為以下五個(gè)部分:電源、系統(tǒng)控制、方位驅(qū)動(dòng)、俯仰驅(qū)動(dòng)、人機(jī)接口等。天線伺服系統(tǒng)一般包含三個(gè)控制回路:信號(hào)控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天線伺服系統(tǒng)框圖，如圖1

 

圖1 天線伺服控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)天線工作在跟蹤模式時(shí)，所有控制回路都正常工作，最終被控量是天線的接收信號(hào)。當(dāng)天線工作在各種位置控制模式時(shí)，信號(hào)控制回路開環(huán)，位置控制回路和速度控制回路工作，最終被控量是方位、俯仰位置。

 

 

2天線伺服集中監(jiān)控的工作原理

 

天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)一般由多部套(最多8套)天線伺服系統(tǒng)，天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備和地面站監(jiān)控上位機(jī)等組成。天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)組成圖，如圖2所示。天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備兼容雙電機(jī)消隙、交流調(diào)速、交直流調(diào)速、簡(jiǎn)易天線控制器、饋源極化控制器等多種型號(hào)伺服設(shè)備的通信協(xié)議，通過RS485串口實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控最多八部套天線伺服系統(tǒng)。[3]

 

圖2 天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

 

天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備的功能有兩大部分:遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控多型號(hào)、多部套天線伺服系統(tǒng)，響應(yīng)地面站監(jiān)控上位機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控操作。地面站監(jiān)控上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議，借助第三方軟件對(duì)該設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程桌面控制，從而實(shí)現(xiàn)通過該設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控各天線伺服系統(tǒng)的功能。

 

3 天線伺服集中監(jiān)控硬件組成  

 

天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備主要由天線伺服集中監(jiān)控軟件、工控機(jī)、RS485通信卡等部分構(gòu)成。其中工控機(jī)與RS485通信卡均為外購(gòu)件。在具備光纖通信網(wǎng)絡(luò)的地面站或者幾個(gè)地面站之間，可選用RS485/光轉(zhuǎn)換模塊來大大延伸串行通信的距離，同時(shí)解決了電磁干擾、地環(huán)干擾以及雷擊和浪涌的難題，可極大的提高數(shù)據(jù)通信的可靠性、安全性和保密性。如圖3所示

圖3 RS485/光轉(zhuǎn)換模塊后的天線伺服集中監(jiān)控部署圖

3.1 LabVIEW工研語(yǔ)言的特點(diǎn)

LabVIEW語(yǔ)言的主要特點(diǎn)如下[4]:

(l)提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù);

(2)提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)單步運(yùn)行，同時(shí)提供獨(dú)具特色的執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，有利于設(shè)計(jì)開發(fā)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，從而提高程序的調(diào)試和開發(fā)效率;

(3)32位編譯器編譯生成32位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試測(cè)量方案的高速執(zhí)行;

(4)集成了PCI、GPIB、PXI、VXI、 RS232/485、USB等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，便于開發(fā)者使用不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。

(5)提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，諸如DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、DDE(共享庫(kù))、AetiveX等;

(6)具有強(qiáng)大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。

(7)使用 ApplicationBuilder軟件包生成脫離源代碼環(huán)境的可執(zhí)行應(yīng)用程序以及獨(dú)立的安裝程序。

 

3.2虛擬儀器程序的開發(fā)步驟

 

LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱VI。一個(gè)最基本的VI由3個(gè)部分組成:前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口。[3]

一個(gè)虛擬儀器程序的開發(fā)步驟如下:

(l)在前面板設(shè)計(jì)窗口

(2)在流程圖編輯窗口，放置節(jié)點(diǎn)、框圖。

(3)數(shù)據(jù)流編程

(4)運(yùn)行檢驗(yàn)

(5)程序調(diào)試

(6)數(shù)據(jù)觀察

(7)命名存盤

 

4 具體功能實(shí)現(xiàn)

 

考慮到天線伺服集中監(jiān)控軟件的配置項(xiàng)分布，天線伺服集中監(jiān)控軟件采用了三層式軟件編程結(jié)構(gòu)19進(jìn)行開發(fā)，如圖4所示為軟件層次結(jié)構(gòu)圖。

 

 

如圖4 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

 

三層式結(jié)構(gòu)由上而下依次為：MainLeve1(頂層)、TestLeve1(功能層)和DriverLevel(驅(qū)動(dòng)層)。驅(qū)動(dòng)層包含了程序與所有硬件或其它應(yīng)用軟件的溝通、控制等較底層的功能。在功能層中，則是如何連接各個(gè)驅(qū)動(dòng)層的函數(shù)功能，以實(shí)現(xiàn)一套連續(xù)、有意義的流程，完成一定的功能。三層式軟件結(jié)的最大好處是程序代碼的重用程度達(dá)到最大化。[5]

 

4.1輪詢算法

 

輪詢算法體現(xiàn)的是對(duì)設(shè)備管控的一種思路。本軟件分別開發(fā)了并發(fā)輪詢算法，來滿足并行監(jiān)測(cè)伺服系統(tǒng)的軟件需求;開發(fā)了串行輪詢算法，來滿足操控選定的伺服系統(tǒng)的軟件需求。并行監(jiān)測(cè)利用的是多串口通信卡的各串口之間沒有數(shù)據(jù)、資源的必然聯(lián)系，具備任務(wù)與數(shù)據(jù)的可分解性，可以采用任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行的編程模式。如圖5所示為形成并發(fā)輪詢隊(duì)列的源代碼和串行輪詢隊(duì)列的源代碼。