远程操控数字卫星天线控制器的研制

摘 要：随着社会的不断发展和进步，高科技以不同的方式逐渐渗入到人们生活的方方面面。卫星通信是通信领域最杰出的代表，逐步深入到政治、经济、军事、科研等不同的生活领域，是现代远程教育工程中最重要的技术方法。随着科技的发展，对卫星通信质量要求也在不断提高，这就需要通过引起卫星天线指向偏离卫星原因的分析，本文提出用AT89C51单片机来实现卫星天线跟踪控制器为控制原理的硬件电路结构和软件设计方法，通过简要概述这一跟踪控制软件使用的步进算法和误差补偿技术，以便更为精确地对卫星天线进行控制。

随着人们学习方式不断变化，远程教育的作用在日常生活中逐渐凸显，而卫星通信需要远程来实现操作，由于卫星通信具有迅速、灵活、方便和资源丰富的特征，为远程操作的推广带来了非常大的帮助。当前，卫星通信技术已经被广泛应用于政治、经济、军事、科技、教育等不同的生活领域之中，是现代远程教育最重要的媒介。信息技术的进步要求卫星通信技术具有更高的质量和使用效率，对卫星通信技术的发展提出了更高的要求。地球重力的分布不均以及太阳风压影响了同步通信广播卫星的正常工作，造成卫星在轨道上发生的位置偏移。随着卫星使用的时间更长，它的控制能力也会相应的下降，使漂移现象更加严重，造成没有使用跟踪控制系统的天线指向偏离卫星的轨道。另一方面，在使用大口径天线接收Ku波段的信号时，因为频率较高而天线的主要波束宽度比较窄，天线容易受到风力或自身的形变等方面的影响，减少了天线接收的增益，引起通信和广播信号使用的中断。所以，研究和制造一种可靠性更高的卫星天线自动跟踪控制系统具有非常重要的现实意义。

1 卫星天线跟踪控制器的控制原理

卫星天线跟踪控制器系统的操作原理较为简单。卫星天线的调整主要分为搜索和自动跟踪两个过程。通过搜索来调节天线俯仰的角度和方位，使其更好地接收卫星传来的信息，如果天线已经对准了卫星，可以在接收来自卫星的信息时，控制系统进行寻优和自动跟踪。其中，自动跟踪和搜索过程最大的不同是：自动跟踪以接收卫星传来的信息为调节的主要依据，搜索操作完成时所接受的卫星信号，但是天线并没有准确地对准卫星，由控制器所控制的天线在限定的范围内进行反复扫描，找到接收信息的最佳位置，测出信号的强弱并进行存储，之后再对这一信号与后续信号进行比较。如果发现所接收的信号与存储的极限值存在差别，超过了预先设定的范围，就要控制天线重新进行寻优，使天线的指向达到最佳状态，找到新信号的最大值，并且用新的极值替换旧的极值，确保天线指向处于最佳的状态。

2 卫星天线跟踪控制器硬件的电路设计

卫星天线跟踪控制器以AT89C51为主控制器，拓展出一片8255I/O为接口的芯片，形成键盘和显示的电路。通过角度传感器收集天线的俯仰方位的角度的信息，角度传感器由恒流源3R3、多圈电位器以及传动机构成，在天线转动时，让传动机构引起角度传感器中多圈电位器的旋转，改变其阻值，因为W7、W8与3CR3形成了串联的关系，所以在它们之间抽出的电压和天线转动的角度形成了线性联系。当3CR3输出的电流是10mA时，多圈电位器W7、W8的阻值是500Ω，方位角的转动范围控制在±90º时，与其相对应的电压范围是0～5000mV，每发生0.1度的变化，电压的变化为2.78mV。经过AD625仪表放大器调整，将电压变化稳定在0～2 000mV范围内，加强对MC14433A/D转换器的输入要求的适应，经过MPU转换后的AD625数字信号已经可以显示与其相对应角度的信号，跟踪控制器的参考信号通过LM741调节和整理，与俯仰角度和方位角度同时被送到4052模拟处分时间和阶段对其进行信号的调解和整理。在A/D转换后，MPU通过扩展对74LS377以及与之相适应的隔离控制器件的应用结合所需要的卫星角度及信号大小来进行全方位的扫描，以便精确地对准和跟踪卫星。

3 卫星天线跟踪控制器软件的设计

卫星的跟踪主要有程序跟踪和自动跟踪两种不同的方案，程序跟踪是利用预测的卫星轨道信息和天线波束的指向信息带动跟踪系统的工作；自动跟踪系统是地球基站通过接收到的卫星信号来促使跟踪系统精确地对准卫星。因为影响卫星位置的因素很多，无法对卫星轨道进行长期的预测，所以目前地球的大部分基站都会应用自动跟踪技术。从跟踪的原理来看主要有三个原理：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。目前我们采用的是设备比较简单、能方便地与计算机进行结合的步进跟踪方法。

制定天线控制信号的控制流程图，进入开始状态，出现初始化初始数据，制定工作周标志数P等于0，使P等于P+1，位置反馈书存于B，搜索步选择子程序，让B+S结果等于B，建立位置闭环子程序，建立取场强信号子程序，把平均值存入M1，让B-2S等于B，创建位置闭环的子程序，设立取场强信号子程序，把平均值存入M2，判断M1-M2的结果是否等于A：若是，在判断A是否大于等于0，在此分为两个阶段若是则进入1阶段；若不是，则进入2阶段。1阶段通过判断A是否小于0时也可以分为两个阶段，若是则进入3阶段反之则进入4阶段：进入3阶段时B+S等于B，让B+Z等于B，形成位置闭环的子程序，然后返回到P等于P+1与位置反馈数存于B的阶段之间；进入4阶段后，使B+S等于B，建立位置闭环的子程序，判断P是否等于2，若是则结束程序，若不是，则返回到P等于P+1阶段。

2阶段通过判断M1-M2=A，继而判断A是否小于0，再细致划分为5阶段（A小于0）和6阶段（A大于0），在进入5阶段时，让B+S等于B，建立位置闭环的子程序，继而判断P是否等于2，若是则结束程序，若不是，则返回到P=P+1阶段；在进入6阶段时，让B+S=B，继而确认让B+S=B，建立位置闭环子程序，返回到P=P+1阶段。

软件设计还使用了数字滤波的方法，通过过滤清除了因角度传感器受到外界的干扰而收集到的没有可靠性的信号；通过实际转动下搜索的步距和所调整的步距，确保反馈角度的数据准确性，而且可以按照反馈的角度数据和电机实际运行的时间两项因素来进行决定，从而有效地提高卫星天线自动跟踪控制系统的可靠性。

4 结语

远程操控数字卫星天线控制器的使用，充分体现了以计算机为核心的自动测试技术在发展上的方向，在设计上基本满足了预先设定设计的要求。但是，信息技术也在日益发展，用户的需求量还会不断提高。所以，这一系统还存在很多不是很完善之处，比如，系统安全上可靠性有待于进一步提高，尤其是要把计算机客户端作为服务器与互联网连接后，确保后台数据库的安全也变得非常重要，目前还需要以手动的方式完成接收天线极化角的调节。因此，要采取相关的措施着重加强对所存在的这些问题进行有效地处理。