DZT-55型動(dòng)中通控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

密級(jí)內(nèi)部

階段

S

標(biāo)記

版本號(hào)

VI.01

DZT-55型動(dòng)中通控制

分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

DZT-55-FA01

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1概述

DZT-55型動(dòng)中通天線系統(tǒng)是一種Ku頻段低剖面型動(dòng)中通天線。該天線用多喇叭線

性陣作饋源，照射一個(gè)矩形反射面形成一個(gè)收發(fā)共用的高增益天線。與傳統(tǒng)拋物面式動(dòng)

中通天線比較，具有低高度、一體化、裝車(chē)方便等特點(diǎn)。

2引用文件

a）《DZT-55型動(dòng)中通系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議》

b）《DZT-55型動(dòng)中通系統(tǒng)研制任務(wù)書(shū)》

3任務(wù)要求及分析

3.1任務(wù)要求

3.1.1伺服控制與跟蹤技術(shù)要求

a）天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)：選用微波中頻混合型雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

b）天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)：用直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變換為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械關(guān)節(jié)。

c）天線位置確定：用GPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天線座位置確定，并用控制軟件計(jì)算出天線

預(yù)定的方位角、俯仰角和極化角。

d）天線位置變化：用陀螺儀、位置傾斜儀作傳感器把位置變化信息輸入到控制軟

件，調(diào)整姿態(tài)變化。

e）驅(qū)動(dòng)裝置：天線方位、俯仰、發(fā)射極化、接受極化各用一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和相關(guān)的

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。保證天線波束跟蹤和極化跟蹤。

f）天線低頻：直徑小于1300mm,包含結(jié)構(gòu)布局。整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均置于其上：包括,

天線反射面及其運(yùn)動(dòng)部件；線源及其饋電網(wǎng)絡(luò)；微波部件（含收發(fā)雙工器、極

化合成器、極化跟隨器等）；伺服控制部件、傳感器及馬達(dá)，以及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等,

均置于其上。

g）跟蹤方式：自動(dòng)跟蹤

h）速度和加速度

汽車(chē)行駛速度：不小于160Km/h；火車(chē)350Km/h

天線轉(zhuǎn)動(dòng)最大角速度（方位、俯仰）：50°/s

天線轉(zhuǎn)動(dòng)最大角速度（極化）：20°/s

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天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（方位）：200°/s2

天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（俯仰）：100°/s2

天線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度（極化）：50°/s2

i）跟蹤精度

跟蹤精度（RMS）：W0.5°

j）跟蹤范圍

方位：360°連續(xù)

俯仰：20°-70°

極化：+95°

k）再捕獲：（信號(hào)丟失3分鐘內(nèi)）＜3秒

1）由跟蹤誤差產(chǎn)生的天線增益下降（均方根值）＜0.2dB

3.1.2環(huán)境適應(yīng)性要求

a）工作溫度：-20°C-+55°C；

b）儲(chǔ)存溫度：-40°C?+70。C；

c）結(jié)構(gòu)要求：防塵，防雨，抗風(fēng)；

d）天線應(yīng)具有三防；

e）在六級(jí)風(fēng)的環(huán)境條件下應(yīng)能保證精度，8級(jí)風(fēng)不應(yīng)損壞；

3.2任務(wù)分析

根據(jù)以上任務(wù)要求，伺服分系統(tǒng)要完成的主要工作有以下幾個(gè)方面。

a）選擇合適的跟蹤控制方案；

b）選擇標(biāo)定方位、俯仰和極化的起始零位的方法；

c）選擇消除由于天線運(yùn)動(dòng)引入偏差的方法；

d）選用感知方位、俯仰、極化位置的傳感器；

e）選用感知姿態(tài)（偏航、滾動(dòng)、俯仰）的傳感器；

f）根據(jù)GPS給出的站址（經(jīng)度、維度、海拔）位置和選用的衛(wèi)星位置，計(jì)算出天

線的方位、俯仰和極化方向，利用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)天線的方位、俯仰和極化進(jìn)行預(yù)

置；當(dāng)位置發(fā)生變化時(shí)，利用位置變化的傳感器得到的誤差信號(hào)，饋入伺服驅(qū)

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動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制天線指向；可采用信號(hào)峰值跟蹤方法對(duì)較小的偏差進(jìn)行補(bǔ)償式

跟蹤。極化跟蹤也可利用峰值跟蹤完成。

4方案設(shè)計(jì)

4.1伺服控制系統(tǒng)功能

a）手控功能，用于調(diào)試時(shí)對(duì)天線方位、俯仰和極化軸的運(yùn)動(dòng)控制。增強(qiáng)了使用的

可靠性和操作及調(diào)試的方便性。

b）指向功能，完成對(duì)多個(gè)姿態(tài)和位置傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，同時(shí)輸出相應(yīng)的

電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而來(lái)調(diào)整天線的方位角、俯仰角和極化

角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)星。

c）自動(dòng)跟蹤功能。

d）監(jiān)控功能，可通過(guò)上位機(jī)方便實(shí)現(xiàn)對(duì)天線系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及操作。

4.2分系統(tǒng)工作原理

伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖見(jiàn)圖1.該系統(tǒng)由上位機(jī)、主控單元、驅(qū)動(dòng)單元以及電

機(jī)組成。

圖1伺服控制分系統(tǒng)組成原理框圖

伺服系統(tǒng)主要伺服控制單元、控制處理電路（PID板和電平轉(zhuǎn)換板）、方位、俯仰極

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化電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、GPS、慣導(dǎo)裝置和方位角度編碼器等部分組成。系統(tǒng)為指向工作方式。

該方式是由主控單元根據(jù)跟蹤信息和當(dāng)前角位置信息，所完成的位置及速度控制。

4.3指向子系統(tǒng)工作原理

已知靜止衛(wèi)星的位置，經(jīng)度入s,距地面高度hs,地球半徑R,對(duì)于動(dòng)中通系統(tǒng)來(lái)

講，主要是因?yàn)檩d體本身處在不斷運(yùn)動(dòng)中，此時(shí)車(chē)輛（或其他載體）有姿態(tài)角：偏航角

巾，俯仰角3,滾動(dòng)角8。

天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)的方位角N,俯仰角E、極化角P'（線極化時(shí)），應(yīng)按下列公式

計(jì)算：

A'=tg-1*...................................（1）

Z*

,,/x,2y2z，2,、

E=sin-1l++...................................（2）

Pz=tg-l[sin（Xg-Xs）/tg4>g]...........................（3）

（P'是定義為：系統(tǒng)LNA的寬邊與大地垂直時(shí)為0°,從天線后端旋轉(zhuǎn)饋源，順時(shí)

針轉(zhuǎn)P'為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)P'為負(fù)）

而x',y,'z'滿足

X

cosw.cosipcosco.sinipsino)irx,

ysinto.sinS.cosip-cos6.sinipcosS.cosip+sino).sin6.sini|j-sinS.coscoy

-sinS.sinip-sintocosS.cosipsinS.cosijj-sinw.cosS.simpcosu).cos6z.....(4)

x=cosA.cosE

y=cosE.sinA

其中z=sinE............................................................................................................................................⑸

從以上一些關(guān)系式中，我么可以看到，如果車(chē)輛的位置（入g,6g,hg）和姿態(tài)（中，

3,6）一旦確定，便可以迅速計(jì)算出天線的狀態(tài)：A'、E'、P'。一般來(lái)講，應(yīng)用電子

羅盤(pán)，可迅速得到車(chē)輛航向角力；用陀螺儀可得到車(chē)輛的俯仰角3,橫滾角6。如果將

這些參數(shù)輸給計(jì)算機(jī)，便可迅速計(jì)算出天線的A'、E，、P，；將它們與天線當(dāng)前位置V、

E'、P'比較，得到AA=A-A',△E=E-E,,AP=P-P\用這些誤差信號(hào)去驅(qū)動(dòng)天線使天線

向消除誤差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至，便可實(shí)現(xiàn)天線的準(zhǔn)確指向。

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4.4主控和驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

主控機(jī)驅(qū)動(dòng)單元主要由信號(hào)處理單元、控制處理單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、角度編碼器、

姿態(tài)位置傳感器和模塊電源等電源等組成，詳見(jiàn)圖2。

姿態(tài)

位置

傳感器

姿態(tài)角度

位置編碼器

傳感器

L

圖2主控及驅(qū)動(dòng)單元組成框圖

本系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，不再有主控和驅(qū)動(dòng)機(jī)箱，而是將主控單元和驅(qū)動(dòng)單元一體

化放在了天線轉(zhuǎn)臺(tái)上面，隨方位一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其中主控單元包括信號(hào)處理單元、信號(hào)采集

單元和控制處理單元，完成數(shù)據(jù)采集運(yùn)算并對(duì)驅(qū)動(dòng)單元下發(fā)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令。驅(qū)動(dòng)單元主

要是直流伺服放大器、電機(jī)、電源模塊等，完成對(duì)主控部門(mén)輸出量的控制與執(zhí)行。

4.4.1主控單元設(shè)計(jì)

主控單元包括信號(hào)處理單元、控制處理單元、信號(hào)采集單元以及電源模塊等，主控

單元的工作原理框圖見(jiàn)圖3。

至

RS232,RS232〉

驅(qū)

主

RS232,控RS232卜

--------->'------------?

軟動(dòng)

件

RS232,區(qū)+電平轉(zhuǎn)換-?

單

RS232控制

叫->

處理板元

圖3主控單元功能圖

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信號(hào)處理單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分之一，完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和處理。信號(hào)

處理單元通過(guò)串口完成對(duì)來(lái)自慣導(dǎo)裝置和GPS模塊等車(chē)體姿態(tài)航向信息的采集，解算出

車(chē)體當(dāng)前位置所對(duì)應(yīng)的天象方位角、俯仰角和極化角信息，通過(guò)串口得到方位軸角度，

通過(guò)啟動(dòng)時(shí)的初始化和相對(duì)運(yùn)動(dòng)量實(shí)時(shí)計(jì)算得到俯仰軸和極化軸角度，相比較得到方

位、俯仰、和極化角度誤差量，通過(guò)D/A模塊把方位角度誤差輸出到控制處理單元、通

過(guò)I/O接口、RS232出口分別把俯仰角度誤差和極化角度誤差輸出到俯仰極化驅(qū)動(dòng)器，

完成對(duì)整個(gè)伺服控制的位置控制。

控制處理單元主要為PID控制電路,其功能是改善和提高這個(gè)伺服系統(tǒng)的相應(yīng)特性,

使之具有良好的跟蹤性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用經(jīng)典模擬PID控制電路結(jié)合數(shù)字PID控制方

法，指向誤差電壓或跟蹤誤差電壓通過(guò)比例放大環(huán)節(jié)一一微分環(huán)節(jié)一一積分環(huán)節(jié)一一比

例放大環(huán)節(jié)，輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

PID調(diào)節(jié)由于能夠改善動(dòng)態(tài)性能，又能改善穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)具備簡(jiǎn)單的行使，所以

是一種非常常用的串聯(lián)校正裝置。設(shè)計(jì)上采兩級(jí)放大，放大電路除了具備放大作用外，

還具有一定的隔離作用，電路在設(shè)計(jì)上也對(duì)引導(dǎo)誤差電壓信號(hào)進(jìn)行了濾波設(shè)計(jì)，此外，

考慮到運(yùn)放到工作特性，還設(shè)計(jì)了調(diào)零電路消自振電路。跟蹤方式的自動(dòng)切換和手控狀

態(tài)跟蹤狀態(tài)的切換都是在PID控制電路板上實(shí)現(xiàn)的。

4.4.2驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)單元主要部件是直流伺服放大器及直流電機(jī)，完成對(duì)主控部分輸出量的執(zhí)行與

反饋。與電機(jī)一體的增量編碼器輸出速度反饋介入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)速度環(huán)的調(diào)整使系

統(tǒng)具備更高的跟蹤性能，提高跟蹤精確度；俯仰及計(jì)劃部分設(shè)計(jì)限位開(kāi)關(guān)，限位信號(hào)引

入驅(qū)動(dòng)器，確保天線運(yùn)動(dòng)到極限位置的時(shí)候及時(shí)停止電機(jī)工作，保證設(shè)備安全。驅(qū)動(dòng)單

元功能圖詳見(jiàn)圖4o

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圖4驅(qū)動(dòng)機(jī)箱功能圖

4.5主要器件選擇

4.5.1主控平臺(tái)選擇

本系統(tǒng)選擇DSP+FPGA控制器作為主控平臺(tái)。

4.5.2驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)選擇

系統(tǒng)采用進(jìn)口低壓無(wú)刷伺服電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快，機(jī)械特性的線性

好，能夠在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)小，經(jīng)常用于對(duì)位置和速度的控制精

度要求較高的系統(tǒng)中。

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表1電機(jī)主要參數(shù)

項(xiàng)目方位電機(jī)技術(shù)指標(biāo)俯仰電機(jī)技術(shù)指標(biāo)計(jì)劃電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

最高機(jī)械轉(zhuǎn)速3000r/min

堵轉(zhuǎn)電流13.8A

轉(zhuǎn)矩重量比率0.95Nm/kg

電動(dòng)勢(shì)常數(shù)0.13Vs/rad

轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.13Nm/A

機(jī)械時(shí)間常數(shù)1.63ms

表2驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)

項(xiàng)目方位驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)俯仰驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)

額定電流15A

峰值電流30A

最大功率1800W

4.5.3角度傳感器選

俯仰和極化采用開(kāi)環(huán)控制方式，未采用角度傳感器。

方位選用絕對(duì)式編碼器，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

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表3絕對(duì)式編碼器主要參數(shù)

項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)

精度

分辨率12位

電源要求+5V(30mA),+15V(40mA),-15v(40mA)

工作溫度-55°C?+105°C

4.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件與各模塊接口見(jiàn)圖50

RS232發(fā)極化

驅(qū)動(dòng)器

主

控

軟

件

俯仰

驅(qū)動(dòng)器

方位RS232D/A=控制4方位

----------------->.

編碼器處理板驅(qū)動(dòng)器

圖5軟件與各模塊接口框圖

主控單元控制軟件采用功能模塊流程來(lái)編寫(xiě)，完成對(duì)控制信號(hào)及系統(tǒng)采集信號(hào)的處

理分析，下發(fā)控制信息。軟件主要功能模塊見(jiàn)圖6。

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主捽軟件

圖6軟件模塊組成圖

軟件的基本流程見(jiàn)圖7。

圖7軟件流程圖

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5關(guān)鍵技術(shù)描述

5.1組合控制方式設(shè)計(jì)

當(dāng)前公司的動(dòng)中通系統(tǒng)均采用統(tǒng)一控制方式，即主控單元對(duì)驅(qū)動(dòng)器的指令輸出為模

擬量信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)，方位、俯仰和極化的位置傳感器

均選用旋轉(zhuǎn)變壓器。

本系統(tǒng)中方位控制方式為：主控單元輸出指令為模擬量信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反

饋為增量式編碼器，位置傳感器為絕對(duì)是角度編碼器。

俯仰控制方式為：主控單元輸出指令為脈沖信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為增量式

編碼器，無(wú)位置傳感器。

極化控制方式為：主控單元輸出指令為RS232信號(hào)，電機(jī)到驅(qū)動(dòng)器速度反饋為增量

式編碼器，無(wú)位置傳感器。

這種三個(gè)軸系采用不同的控制方式可稱(chēng)為組合式控制，對(duì)于組合控制方式目前還未

進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，具體實(shí)現(xiàn)方法也需要全新設(shè)計(jì)。

5.2一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與以往動(dòng)中通系統(tǒng)主控機(jī)箱、驅(qū)動(dòng)機(jī)箱