一种新的动中通天线伺服结构布局布线的设计

潘青亮　苗晓峰　林柳梦

摘 要：动中通卫星通信系统是一种能够在运动过程中不间断的实时通信的现代卫星通信系统。本文介绍了一种新的伺服控制系统布局布线方法，将惯性器件固定在伺服机构上，采用工业排线布局，节省了资源和空间。

关键词：动中通；卫星通信；布局布线；惯导

1 动中通系统简介

动中通卫星通信系统是移动中的地面卫星通信系统，通过动中通卫星通信系统，车辆、轮船、飞机等各种移动载体，可以实现运动中不间断的语音、数据、图像等业务的传输功能。

2 传统动中通伺服结构

动中通系统一般由天线系统、伺服系统和稳控系统等组成。其中，稳控系统通过罗盘、加表、倾角仪等敏感器件对载体的运动姿态进行感应和反馈，借助伺服系统，实时的调整卫星天线的姿态角度，保证天线面始终指向通信卫星。

图1给出了动中通系统的组成示意图，其中常用的敏感系统一般为陀螺和加速度计等元器件（惯性导航原理）；控制系统一般采用微机或者单片机等实现；驱动系统主要由驱动器及伺服电机组成；监控系统主要由角度编码器及控制软件构成；通信部分主要由天线面、低噪放大器和功放等射频单元组成。

图2给出了传统动中通系统的原理，其中天线系统包括天线反射面及伺服控制系统的驱动器、电机、编码器、驱动齿轮、限位器等；控制部分包括控制电脑及敏感元器件等。

传统系统中，这两个部分是分开放置的，控制电脑可能放置在设备机柜中，而敏感系统会尽量靠近天线系统，以便能更真实更准确的感应天线的姿态变化情况。

敏感系统要求安装平面与天线平面尽可能的平行，对安装角度及安装方式都有严格要求，需要特别注意。驱动器位置摆放一般比较灵活，电机及编码器一般要按照齿轮的具体安装情况进行布置。

整个伺服系统安装在一整块平板上，通过方位电机驱动整个平台向期望的角度旋转。这种情况下，电机、驱动器及编码器都必须跟随着天线的旋转而旋转。

而惯性系统则固定在载体上，不随天线系统旋转。这种情况下，控制系统通过采集惯性系统的数据（载体的运动姿态）以及天线系统的姿态角度，就可以计算出期望偏移角度，通过下发指令给伺服系统，完成系统跟踪功能。

3 新的动中通天线结构

3.1 新的动中通天线结构

图3中给出了新的天线的布局情况，其中信息处理单元就是上位处理机，用户通过该单元进行人机交互处理；敏感单元即惯导系统，被安置在天线部分，跟随天线系统一起运动；伺服单元包括驱动器及电机，通过齿轮带动平台部分旋转到指定的角度，随着天线面一起运动。

与传统天线布局不相同的是，新的天线布局中，将敏感元器件（惯性系统）安装在天线伺服机构平台上，要求敏感系统随着天线平台的转动而转动，这就大大提升了动中通天线系统的集成度，使得系统对外更加独立，更加健全。

3.2 新的动中通天线原理

新方案中，将敏感元器件安装在天线平台上，使得惯导随着天线的转动而转动，这样天线系统对外只有一个上位机人机交互界面，增加了系统的集成度。系统开始工作时，敏感元器件（惯导系统）将感应到的当前天线的姿态情况反馈给上位机系统，上位机根据用户需求，结合天线姿态信息，计算出天线需要转动的角度情况，指导伺服驱动系统去执行。同时，敏感元器件（惯导系统）不断的对天线的实时姿态进行监控与上报，使得伺服系统不断的对天线姿态角度进行修正，使其始终指向卫星方向，不至于在運动过程中出现丢星、掉线现象。

3.3 新的动中通天线布线

传统布线过程中，要将天线部分的所有电源线及信号线通过滑环系统传递到控制计算机系统及惯导系统，需要较多线数的滑环，价格比较昂贵。

图4给出了新天线的布线格局，这里将惯导安装在了天线部分，这样就能直接将天线上的相关线缆布置到惯导部分。图中红色线缆表示连接至敏感元器件（惯导系统）的线缆，可以直接由工业排线进行布线；绿线为控制线缆；蓝色为电源线缆，通过使用标准排线就可以将天线相应的信号及电源线缆引向滑环并导出到天线外接口板上，系统整齐、方便、可靠。

传统系统中，敏感元器件（惯导系统）相对于车体是固定不动的，可以认为敏感元器件（惯导系统）安装在车体坐标系中且二者的相对位置不变，在计算天线对星角度时，可以直接进行坐标变换。

但在新的系统中，由于惯导作为敏感元器件被放置在可以转动的天线平面上，随着天线本身相对于车体进行转动，故原来惯导中对星及跟踪算法就不再合适了，还必须考虑惯导本身在车体坐标系中的运动情况。

新算法首先完成当前天线姿态角的记录工作；其次根据目标卫星坐标值，计算期望旋转角度；再次根据惯性器件反馈过来 天线角度变化数据，完成系统更新及跟踪功能。

4 优劣比较

4.1 节省空间

敏感元器件（惯导系统）安装在天线部分，随着天线面的转动而转动，这样就使得整个平台部分体积大为减少，所有伺服系统都能放置在天线罩中，节省了更多空间，同时也使得系统的集成度更高，独立性更高，受外界影响更小。

4.2 可靠性

敏感元器件（惯导系统）固定在天线部分，紧随天线系统，天线的运动轨迹及方式能够真实完整的被其感应和记录，进而能够给上位机一个更准确的姿态信息。同时由于缩短了信号控制线路，有效的避免外界信号对天线编码器的干扰，大大增强了系统的可靠性。

4.3 规范化

将敏感元器件（惯导系统）放置在天线上，就能直接连接敏感元器件到驱动器及编码器的线缆，布线方式更加便捷，采用标准排线方式时，系统会更加整齐便捷。

4.4 经济性

滑环的价格跟线数有着密切的关系，线数越多，价格越贵，故能尽可能的减少出局的线数就能更经济的压缩成本。相比原先敏感元器件（惯导系统）放在天线外面需要额外滑环的线数，新的方案减少了大部分滑环线数，节省了开支。

5 总结

本文通过对两种不同天线结构的分析与比较，从中可以明显看出来，无论是从整体规划、设备通信还是经济角度来分析，新的天线虽然会在上位机软件里面增加一点复杂度，但是整体看来，还是会在经济性、实用性、标准性等方面更具优势，特别在大批量投产情况下，效果会更加明显。

本文为后续动中通天线伺服系统设计工作提供了一定的参考依据。

参考文献：

[1] 梁佰祥.车载"动中通"卫星通信地球站伺服控制系统的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2012.

[2] 冯伟，潘青亮.定位数据采集与网络传输系统的实现[J].电脑编程技巧与维护，2015，（9）.

[3] 杨春香，赵书伦，杨帆.现代应急卫星通信系统应用综述[J].导航与控制，2011，（2）：75-78.

[4] 潘青亮，林柳梦.公安系统应急通信中混合网络体制的设计[J].信息通信，2016，（5）.

[5] 伍宗伟主编.车载低轮廓动中通的三轴稳定系统分析与设计[J].压电与声光，2010.

作者简介：潘青亮，男，硕士，北京航天控制仪器研究所，中级工程师，研究方向：卫星通信系统。