卫星天线自动控制器的设计实现j

数字卫星天线跟踪控制器的研制*

卢洪武李天平杜军周茂霞

（山东师范大学传播学院，250014，济南；第一作者49岁，男，教授）

摘要本文介绍了一种用A T89C51单片机实现的卫星天线跟踪控制器的控制原理，硬件结构及软件设计方法.

关键词卫星天线；跟踪控制；单片机

中图分类号

由于地球重力分布的不规则性及太阳风压等对地球同步轨道上的通信广播卫星的影响，使卫星在轨道位置上发生偏移。当卫星使用年久时，其姿态控制能力下降，漂移现象更为严重。因此，没有跟踪控制系统的天线指向将偏离卫星。从另一方面考虑，采用大口径天线接收Ku波段信号时，因频率高主波束宽度较窄，因此，易受风力或自身形变等因素的影响，造成天线指向偏离卫星，使天线接收增益大幅度下降，造成通信或广播信号中断。所以研制一种高可靠性的卫星天线自动跟踪控制系统，对保证卫星信号接收质量意义重大。

1天线控制原理

卫星天线跟踪控制系统构成如图1所示。卫星天线的调整分搜索和自动跟踪两个过程。搜索是调整天线对准预设卫星的过程，事先操作者将卫星天线接收不同卫星所对应的天线俯仰角和方位角及星号输入控制器并保存，系统工作时，首先根据输入的星号由微控制器发出控制指令，使天线转动到预存的指向位置，此时天线已基本对准卫星，可以收到信号。之后，控制系统进入寻优和自动跟踪状态。

自动跟踪与搜索过程不同的是它以实际接收的卫星信号大小作为调节依据，搜索完毕时接收机已接

收到卫星信号，但是天线并未准确对星，控制器控制天线在一定范围内反复扫描，找到接收信号最强的位置，测出信号的大小并存储，以后即以此信号与后续信号比较。当发现接收信号与存储的极值之差，超过了规定的范围时，则应控制天线重新寻优，使天线指向最佳，找到新的信号最大值，并用新极值代

替原极值，从而保证天线处于最佳指向状态。【3】

2 硬件电路设计

系统采用AT89C51微处理器做主控制器，扩展一片8255 I/O接口芯片，组成键盘和显示电路，用作卫星编号，接收点经纬度及跟踪控制方式命令的输入和天线俯仰角、方位角、跟踪控制反馈信号的显示。P1口和3位半A/D转换器MC14433连接，通过AD625仪用放大器及数控模拟开关组成天线俯仰、方位角度信号和天线自动跟踪信号的调理和输入通道。系统扩展一片74LS377做输出控制通道。MPU根

*山东省教育厅科技计划项目（115009）

收稿日期：2005-12-18

据欲寻卫星的所需角度及E b/N o信号的大小，经过分析比较、计算处理，发出控制指令，控制俯仰、方位电机驱动天线进行上、下、左、右扫描，从而自动对准和跟踪卫星。AT89C51的串行口经MAX232电平转换后和PC机通信记录不同卫星的天线角度信息或漂移卫星不同时间的运动规律，作为卫星天线控制器的自动跟踪控制依据。

2.1角度信号和跟踪控制参考信号采集电路设计

卫星天线跟踪控制器是闭环控制系统，为保证系统可靠工作，必须选取稳定可靠的角度传感器，使采集的角度数据准确可靠。图2给出具体设计电路。综合考虑成本、技术要求和技术难度，经分析比较、实验，角度传感器采用了旋转电阻式，它由精度高，线性好，温度系数小的恒流源3R3和多圈电位器与传动机构组成。当天线转动时，由传动机构带动俯仰、方位角度传感器中的多圈电位器旋转，使多圈电位器的阻值发生变化，因为多圈电位器与集成恒流源3CR3串联，所以多圈电位器中间抽头输出的电压和天线转动角度成线性关系。当3CR3输出10mA电流，多圈电位器W7、W8的阻值为500欧时，方位角的转动范围是±90.0°，对应的电压变化范围是0～5000mV，当角度变化0.1°时，电压变化2.78mV。经AD625仪表放大器调理变成稳定的0～2000mV的电压变化，以适应MC14433A/D转换器的输入要求。

A/D转换后的数字信号经MPU换算显示±90.0°范围的角度信号。跟踪控制参考信号E

b /N

o

经

LM741调理与俯仰、方位角度信号同时送入模拟切换开关4052分时进行A/D转换后，送入MPU作为搜索和自动跟踪的依据。

2.2跟踪控制参考信号的选择

选取与接收卫星信号成线性关系且稳定可靠，不受干扰的跟踪控制参考信号，它是控制天线跟踪

3跟踪控制软件设计【1】

对卫星的跟踪有两种方式：程序跟踪和自动跟踪，程序跟踪是根据预测的卫星轨道信息和天线波束

的指向信息来驱动跟踪系统的；自动跟踪是地球站根据收到卫星所发射的信标信号来驱动跟踪系统使天

线自动对准卫星。由于卫星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目前大部分地球站都采

用自动跟踪方式。按跟踪原理，自动跟踪可分为三种：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。由于步

进跟踪原理和设备比较简单，并能很方便的与计算机结合。在卫星定位精度不断提高和计算机控制技术

飞速发展的今天，越来越多的地球站使用步进跟踪制。因此本文重点分析步进跟踪方法。

3.1 步进跟踪方法比较【1】

在步进跟踪体制中，天线的进动分为搜索步和调整步两种，搜索步动作之后，整个跟踪系统就开始

工作，包括对角度数据采样，场强记忆和比较等，待经过若干次搜索，并确定天线应该调整的方向后，

天线就回到原来的位置，然Array后向卫星方向转动一步，这

最后一步就称为调整步。调

整步和搜索步的主要区别在

于经调整步后天线不会回到

原处，而搜索步则不一样，

不管搜索步动作多少次，只

要完成规定的次数后，天线

就回到原处。搜索步和调整

步可以是分开的，也可以是

同一步。同一步的逻辑关系

简单，但由于干扰的影响会

引起误动作。例如天线本身

是向偏离卫星的方向转动，

收到的场强信号应该比原来

位置的小，如果此时出现偶

然的干扰影响使收到的瞬时

场强大于原来位置的场强，

这时就会得到错误信息，认

为转动方向正确，天线仍向

原方向继续转动，结果使天

线偏离卫星。因此，同一步

式步进跟踪体制一般不采

用。如果搜索步与调整步分

开，以双向搜索等调整步步

进跟踪为例，搜索开始时，

天线先向右运动四步，取场

强值为a，然后向左退八步

取场强值为b。如果a>b，则

调整步走五步，相当于天线

在原出发点向右调整一步；

如果a

相当于天线在原出发点向左

退一个调整步。相距八步的