天线与伺服控制技术在卫星通信中的能耗优化研究

唐魏兴

（石家庄诺通人力资源有限公司，河北 石家庄 050081）

0 引 言

卫星通信方式主要是使用中低轨道的卫星作为连接站，接收周边地区的语音信息，然后将这些信息传送给相应的接收者。随着卫星通信的持续进步，卫星不仅具备基本的语音通信功能，且具备全球性的通信功能。此外，由此产生的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）已成为人们日常生活和各个行业发展的关键技术，尤其在军事、工业和交通等领域产生了巨大的影响[1]。伺服控制系统是机载卫星运作中的关键部分，可以确保地面目标和机载卫星的实时联络，对该系统的研究有助于推动卫星通信的进步。

1 卫星通信系统概述

1.1 卫星通信系统的构成

卫星通信系统通常包括通信卫星、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统、监督管理分系统。

1.1.1 通信卫星

通信卫星主要包含通信设备、远程操纵设备、管理设备以及电源设备（如太阳能电池和蓄电池）。其中，通信设备是通信卫星的核心，由1 个或更多的传输设备组成。这些设备可以同步接收并传输来自不同地理位置的信息，起到传输站的作用。

1.1.2 通信地球站分系统

在通信地球站分系统中，微波无线电收发信站的作用是让用户能够连接到卫星线路，从而实现通信。

1.1.3 跟踪遥测及指令分系统

遥测跟踪和指令分系统的主要职责是追踪测量卫星，以确保其精确地进入静止轨道的预定位置。在卫星正常运作后，需要定期对其进行轨道位置的调整和姿态的维持。

1.1.4 监控管理分系统

监督管理部门的职责是在业务启动之初和业务启动之后，评估并调整特定卫星的通信效果。例如，审查卫星转换器的功率、卫星的天线增益，以及每个地面站的发射功率、射频的频率、带宽等关键通信指标，从而确保其能够正常通信[2]。

1.2 卫星通信系统的特点

卫星通信具有以下4 个特点：第一，覆盖区域大，通信距离远。1 颗地球同步卫星就能覆盖整个地球的1/3，因此只需3 颗合适的地球同步卫星，就能完成全球范围内除两极之外的通信。第二，具有多址连接功能。所有卫星覆盖区域内的地球站都能通过同一卫星进行互相连接，即多址连接。此外，地球站的建立并不受地理环境限制，可以在偏远的地方、岛屿、汽车、飞机及舰艇上建立。第三，频段宽、容量大。微波频段被用于卫星通信，每个卫星都可以配备多个转发器，因此其通信容量非常大。第四，质量好、可靠性高。卫星通信的电磁波大部分是在无人区域内进行的，其噪声较低且通信品质优秀。从稳定性的角度来看，卫星通信的稳定工作频率超过99.8%。

2 卫星天线伺服控制系统的设计

2.1 数学模型的建立

伺服控制系统的主要功能是通过算法程序来执行自动化操作，属于非线性系统。其内部关系极为复杂，需要多个变量协同工作，并采用强耦合的方法来构建线性关系。因此，在创建数学模型的过程中，必须深度剖析系统的运动状况，并将系统的运动规则与算法的变量建立线性关系。同时，了解伺服系统的全面动态模型和相关数据，构建相关的函数关系和数学模型，为系统设计奠定基础[3]。

2.2 硬件结构的设计

构建伺服系统的操作框架，为伺服电机的连接提供可能。该系统的核心构造包括伺服控制器、电源、轴角解码器以及限位检测开关，这些硬件的结合有助于相应的程序与算法在硬件中进行准确的操作。为确保伺服系统能够顺利运行，就必须依照具体的环境来挑选合适的控制芯片。控制芯片不仅是伺服控制器电路的关键部分，还是构成整个伺服系统的关键硬件设备。控制芯片能够通过其内部的储存功能和对程序的控制，来完成预设的控制任务，从而使伺服控制器能够按照设计好的算法进行自动控制。位移检测电路的职责是确保所有旋转部分都可以在预定的区域执行操作，因此必须在伺服系统中安排一些位移开关。位移开关的状况直接决定位移检测电路的计算，能够利用软件来执行全系统的位移操作。

在构建电源电路的过程中，需要配备适当的伺服电机来提供电力，确保电机的电流和电压处于系统能承受的范围之内，同时借助适当的稳压器来确保电源电路的电流和电压供应充分稳定。系统的电压和电流在实际运行中的数值会有所差异，因此需要使用稳压器来实时调节电流和电压。在电源电路中，稳压器的输出精度必须足够高，且能够对系统提供保护，确保电源的正常供应[4]。此外，需要利用差分放大器来管理电压信号。当电源电路输出正电压时，电机会向正方向旋转；如果电压信号的绝对值较大，电机就会向反方向旋转。采用一种具有高效率的内部补偿运算放大器，可以通过降低功耗实现对电压电路的补偿，且能够迅速断开保护电源电路。

2.3 主程序的设计流程

为确保伺服系统的正常运行，需要通过精密的算法来进行控制，即对主程序进行复杂的设计流程。这样才能确保系统内的各个功能和各个部分能够协同工作，保证卫星系统的特定任务能够顺利完成。输入相关数据后，系统需要根据这些数据进行筛选和调整，并依据需求选择最适合的频段，以便在不同的需求下找到最优的工作路径。同时，系统需要通过相应的算法来清除伺服控制系统的相关参数，及时归零卫星天线的位置和参数。在修改和储存待传输的数据后，使用其他算法来生成相应的指令，并根据这些指令决定是否执行下一步操作。一旦确定下一步操作需要执行，就要根据数据和频段重新载入相关参数，计算预设的角度，并根据这个角度来设定相应的运动。在获取相应的参数后，伺服系统会根据角度调整电路的输出状态。伺服电机的直流状态能够产生正负电压，以确保能够执行相关任务，常见的电压状态包括+3.3 V 和±15 V 等。

3 卫星通信系统中天线与伺服控制技术的能耗分析

3.1 天线与伺服控制技术的能耗分析

在卫星通信系统中，天线是接收和发送信号的主要设备之一，但能耗较高。因此，如何降低天线的能耗已经成为当前研究的重要方向。在实际应用中，天线的能耗主要来自2 个方面：一是发射功率的影响；二是天线本身的设计和制造工艺对能耗的影响。其中，发射功率是最为显著的因素之一。当天线需要向远距离的目标发射信号时，发射功率会随着距离的增加而增大。同时，天线自身的设计会影响其能耗。例如，采用低质量材料制作的天线通常会产生较大的损耗率，从而导致更高的能耗。因此，要实现节能降耗，必须采取有效的措施来减少天线的能耗。

除天线，伺服控制也是一个重要的能耗因素。伺服控制指通过调节电机位置或速度来达到某种目的的技术手段。在卫星通信系统中，伺服控制主要用于调整天线的方向和倾角，以保证信号的质量和覆盖范围。但是这种技术存在一定的能源消耗问题，如何提高伺服控制的效率并减小其能耗成为当前的研究热点之一。

3.2 天线与伺服控制技术的能耗模型

传统的天线结构往往存在较大的功率损耗问题，不利于提高系统的效率并降低成本。近年来出现许多新型的天线结构设计方法，如基于多馈源的天线和可调谐天线等。这些新的设计方法可以有效降低天线的功率损耗，从而提高系统的性能。同时，伺服控制技术广泛应用于卫星通信系统。通过调解天线和伺服控制器之间的反馈关系，可以实现更加精确的信号传输和更高的信噪比。但是，这种技术需要消耗一定的能量来完成工作。如何合理地利用天线和伺服控制技术，以达到最优的能耗效果成为当前的研究热点之一[5]。

4 天线与伺服控制技术在卫星通信中的能耗优化

4.1 天线单元能耗优化

4.1.1 结构的优化

卫星天线的结构设计很关键。一般来说，结构越简单，天线的承载性能就越好，信号传输能力越强。

4.1.2 照明电源的优化

为保持天线的正常使用，应控制照明电源的能耗。如果功耗太大，可能会对天线的工作产生影响。因此，在设计时应考虑照明电源的能效问题。

4.1.3 射频设计的优化

射频安全是天线优化设计的关键因素之一，应确保射频信号传输和接收的稳定性，对天线进行抗干扰设计。

4.1.4 天线兼容性的优化

在设计中应同步考虑天线的兼容性。互动效果好的天线与卫星之间可建立更可靠的通信网络，提高通信效率。

4.2 伺服控制单元能耗优化

第一，选择高效的伺服驱动器。第二，优化运动控制算法。第三，使用能量回收系统，将制动能量转化为电能并存储起来，以供后续使用。第四，优化传动系统。选择高效的传动系统，如直线电机和无级变速器等，同时定期检查和维护传动系统，以确保其正常运行。第五，使用节能设备，如低功耗伺服电机、高效能耗的传感器等。第六，定期维护和检查伺服系统，确保其正常运行。

4.3 天线单元与伺服控制单元联合能耗优化

4.3.1 基于聚类的能耗模型优化方案

在构建能源消耗模型和优化能效的过程中，首先要选择适当的聚类算法；其次调整参数以实现对收集数据的类别划分；最后挑选各类别的中心，为研究基础探索能效优化的策略。在数据中心的运营管理过程中，利用聚类技术建立能源消耗模型，其优势在于简洁易操作，但也存在精确度不高、优化计划的工作量过大等问题。

4.3.2 基于线性回归的能耗模型优化方案

通过构建线性回归模型，探索自变量和因变量的关联性。这种模型在变量关系的分析、预测和时间序列问题的研究等领域起着关键作用。回归分析可以划分为线性回归和逻辑回归等。线性回归技术不仅适用于构建数据中心的整体能源消费模型，还广泛运用于构造服务器、空调系统等设备及其子系统的能源消费模型。

与聚类技术相比，线性回归技术能够更精确地构造出能源消耗模型。如果能源消耗的变量过多或数据量过大，构造的模型就需要不断调整，以达到性能最佳。

5 结 论

天线与伺服控制技术在卫星通信中的能耗是一个复杂的问题，需要综合考虑多种因素才能得到最佳的优化结果。文章介绍天线与伺服控制技术在卫星通信中的能耗模型和能耗优化的方法，重点阐述天线单元和伺服控制单元的能耗优化方法。在未来的研究中，可以继续深入挖掘天线与伺服控制技术在卫星通信其他方面的潜力，不断推动卫星通信技术的发展，为用户带来更便捷和高效的通信体验。