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　　引言
　　
　　天線伺服系統(tǒng)在確保地面站天線指向中繼衛(wèi)星的同時，還要求具備高平穩(wěn)、高可靠和長壽命等特殊性能，是衛(wèi)星地面站中*的較為復(fù)雜的電子設(shè)備之一。隨著電力電子、控制理論、計算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)由液壓發(fā)展到電動。隨著衛(wèi)星地面站建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，很多地面站保有的大型天線數(shù)量己經(jīng)從一套增加到多套。對這些地面站來說，以中心機(jī)房的位置為參照物，天線及其伺服系統(tǒng)的分布通常呈現(xiàn)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在地面站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)成一體化發(fā)展的趨勢下，對各天線伺服系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程集中監(jiān)測監(jiān)控勢在必行。通常情況下，不同型號天線伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議不能互相兼容，多部套天線伺服系統(tǒng)并行監(jiān)測監(jiān)控軟件設(shè)計具有一定的復(fù)雜性。多型號、多部套天線伺服系統(tǒng)集中監(jiān)測監(jiān)控問題逐漸成為地面站電子設(shè)備一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)成為必要。
　　
　　1、天線伺服基本知識
　　
　　早在1934年，“伺服機(jī)構(gòu)”一詞己經(jīng)出現(xiàn)。隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)這個自動控制分支的理論與實(shí)踐也逐漸成熟，并于20世紀(jì)50年代開始得到廣泛應(yīng)用。[1]伺服技術(shù)在衛(wèi)星通信地球站分系統(tǒng)中的應(yīng)用，形成了天線伺服技術(shù)。早期的直流伺服系統(tǒng)大都由晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動柜和工控機(jī)為核心的ACU組成。通用伺服系統(tǒng)還存在交流化的趨勢，主要原因在于交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的*性。
　　
　　1.1天線伺服的功能
　　
　　天線伺服系統(tǒng)的主要功能及性能指標(biāo)如下:
　　
　?。?）主要功能指標(biāo)
　　
　　1.方位、俯仰軸電機(jī)驅(qū)動控制及制動控制;
　　
　　2.方位、俯仰軸位置檢測及多種模式的天線控制;
　　
　　3.可存儲多個衛(wèi)星位置;
　　
　　4.軟限位、開關(guān)預(yù)限位和終限位三級限位保護(hù);
　　
　　5.俯仰收藏鎖定控制;
　　
　　6.故障顯示、告警及記錄。
　　
　　地球站天線觀察衛(wèi)星的參數(shù)是由地球站天線的位置和同步軌道衛(wèi)星的位置共同確定的。靜止衛(wèi)星的位置用其星下點(diǎn)的經(jīng)度表示，地球站天線的位置用所在地的地理經(jīng)度和地理緯度表示。根據(jù)地球站天線所在地的經(jīng)度和緯度以及衛(wèi)星經(jīng)度就可計算出天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角（AZ）、俯仰角（EL），并用AZ和EL來調(diào)整天線，使其對準(zhǔn)相應(yīng)的衛(wèi)星。設(shè)地球站的緯度為。。（北緯為正.南緯為負(fù)），經(jīng)度為凡（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)），衛(wèi)星經(jīng)度為凡（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)），方位以正北為零，順時針方向為正，利用靜止衛(wèi)星和地球站的幾何關(guān)系，由幾何學(xué)和球面三角學(xué)很容易推導(dǎo)出地球站天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角Az、俯仰角EL的計算公式[2]。
　　
　　當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€位于北半球時，其對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、俯仰角的計算公式分1-1、1-2：　　
　　Rs，代表地球半徑（6378km），H代表同步衛(wèi)星距地球表面的高度（35786km）。
　　
　　當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€位于南半球時，天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角AZ，，其計算公式為：　　
　　AZ為地球站天線位于北半球時，天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角。
　　
　　1.2天線伺服的組成與原理
　　
　　天線伺服系統(tǒng)，是指完成天線驅(qū)動、位置檢測及各種控制功能的設(shè)備。天線伺服系統(tǒng)、天線上的驅(qū)動電機(jī)、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號回路設(shè)備等共同組成天線伺服跟蹤系統(tǒng)。一般可分為以下五個部分:電源、系統(tǒng)控制、方位驅(qū)動、俯仰驅(qū)動、人機(jī)接口等。天線伺服系統(tǒng)一般包含三個控制回路:信號控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天線伺服系統(tǒng)框圖，如圖1　　　　
　　當(dāng)天線工作在跟蹤模式時，所有控制回路都正常工作，zui終被控量是天線的接收信號。當(dāng)天線工作在各種位置控制模式時，信號控制回路開環(huán)，位置控制回路和速度控制回路工作，zui終被控量是方位、俯仰位置。
　　
　　2、天線伺服集中監(jiān)控的工作原理
　　
　　天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)一般由多部套（zui多8套）天線伺服系統(tǒng)，天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備和地面站監(jiān)控上位機(jī)等組成。天線伺服集中監(jiān)控系統(tǒng)組成圖，如圖2所示。天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備兼容雙電機(jī)消隙、交流調(diào)速、交直流調(diào)速、簡易天線控制器、饋源極化控制器等多種型號伺服設(shè)備的通信協(xié)議，通過RS485串口實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控zui多八部套天線伺服系統(tǒng)。　　　　
　　天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備的功能有兩大部分:遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控多型號、多部套天線伺服系統(tǒng)，響應(yīng)地面站監(jiān)控上位機(jī)的監(jiān)測監(jiān)控操作。地面站監(jiān)控上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議，借助第三方軟件對該設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程桌面控制，從而實(shí)現(xiàn)通過該設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控各天線伺服系統(tǒng)的功能。
　　
　　3、天線伺服集中監(jiān)控硬件組成
　　
　　天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備主要由天線伺服集中監(jiān)控軟件、工控機(jī)、RS485通信卡等部分構(gòu)成。其中工控機(jī)與RS485通信卡均為外購件。在具備光纖通信網(wǎng)絡(luò)的地面站或者幾個地面站之間，可選用RS485/光轉(zhuǎn)換模塊來大大延伸串行通信的距離，同時解決了電磁干擾、地環(huán)干擾以及雷擊和浪涌的難題，可極大的提高數(shù)據(jù)通信的可靠性、安全性和保密性。如圖3所示　　　　
　　3.1LabVIEW工研語言的特點(diǎn)
　　
　　LabVIEW語言的主要特點(diǎn)如下[4]:
　　
　　（l）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù);
　　
　?。?）提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)單步運(yùn)行，同時提供*特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運(yùn)行，有利于設(shè)計觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，從而提高程序的調(diào)試和開發(fā)效率;
　　
　?。?）32位編譯器編譯生成32位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試測量方案的高速執(zhí)行;
　　
　　（4）集成了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，便于使用不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。
　　
　　（5）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，諸如DLL（動態(tài)鏈接庫）、DDE（共享庫）、AetiveX等;
　　
　?。?）具有強(qiáng)大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。
　　
　?。?）使用ApplicationBuilder軟件包生成脫離源代碼環(huán)境的可執(zhí)行應(yīng)用程序以及獨(dú)立的安裝程序。
　　
　　3.2虛擬儀器程序的開發(fā)步驟
　　
　　LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。一個zui基本的VI由3個部分組成:前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口。[3]
　　
　　一個虛擬儀器程序的開發(fā)步驟如下:
　　
　　（l）在前面板設(shè)計窗口
　　
　?。?）在流程圖編輯窗口，放置節(jié)點(diǎn)、框圖。
　　
　　（3）數(shù)據(jù)流編程
　　
　?。?）運(yùn)行檢驗
　　
　?。?）程序調(diào)試
　　
　　（6）數(shù)據(jù)觀察
　　
　?。?）命名存盤
　　
　　4、具體功能實(shí)現(xiàn)
　　
　　考慮到天線伺服集中監(jiān)控軟件的配置項分布，天線伺服集中監(jiān)控軟件采用了三層式軟件編程結(jié)構(gòu)19進(jìn)行開發(fā)，如圖4所示為軟件層次結(jié)構(gòu)圖。　　　　
　　三層式結(jié)構(gòu)由上而下依次為：MainLeve1（頂層）、TestLeve1（功能層）和DriverLevel（驅(qū)動層）。驅(qū)動層包含了程序與所有硬件或其它應(yīng)用軟件的溝通、控制等較底層的功能。在功能層中，則是如何連接各個驅(qū)動層的函數(shù)功能，以實(shí)現(xiàn)一套連續(xù)、有意義的流程，完成一定的功能。三層式軟件結(jié)的zui大好處是程序代碼的重用程度達(dá)到zui大化。[5]
　　
　　4.1輪詢算法
　　
　　輪詢算法體現(xiàn)的是對設(shè)備管控的一種思路。本軟件分別開發(fā)了并發(fā)輪詢算法，來滿足并行監(jiān)測伺服系統(tǒng)的軟件需求;開發(fā)了串行輪詢算法，來滿足操控選定的伺服系統(tǒng)的軟件需求。并行監(jiān)測利用的是多串口通信卡的各串口之間沒有數(shù)據(jù)、資源的必然，具備任務(wù)與數(shù)據(jù)的可分解性，可以采用任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行的編程模式。如圖5所示為形成并發(fā)輪詢隊列的源代碼和串行輪詢隊列的源代碼。　　　　
　　天線伺服集中監(jiān)控軟件根據(jù)各種告警信息，對各種遠(yuǎn)程控制功能的開放或封鎖進(jìn)行了實(shí)時準(zhǔn)確地判斷，以避免出現(xiàn)用戶通過天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備的人機(jī)界面進(jìn)行了控制操作而伺服系統(tǒng)沒有執(zhí)行的控制失靈狀況。用戶界面的主要要求為:采用并列窗口界面顯示8套天線伺服系統(tǒng)的狀態(tài)，采用彈出式窗口顯示單套天線伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。具體可分為以下幾大部分:（1）主界面為八套天線伺服系統(tǒng)的狀態(tài)顯示界面;通過此界面可進(jìn)行操控天線的對象選擇，以及結(jié)束程序;
　　
　　（2）天線位置控制界面，實(shí)現(xiàn)了預(yù)置位置、計算衛(wèi)星、預(yù)置衛(wèi)星等功能;
　　
　　5、研究成果驗證
　　
　　天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備的樣機(jī)，該設(shè)備適用場合有:天線伺服設(shè)備離開中央機(jī)房數(shù)百米、數(shù)公里甚至更遠(yuǎn)距離，或者天線伺服設(shè)備數(shù)量眾多，或者上述兩種情況都存在的衛(wèi)星地面站。目前已有六部該型號天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備投入各衛(wèi)星地面站實(shí)際使用。天線伺服集中監(jiān)控設(shè)備的特點(diǎn)有:（1）功能完備:該設(shè)備實(shí)現(xiàn)八部套天線伺服設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測控制，全面實(shí)時監(jiān)測各伺服系統(tǒng)的運(yùn)行信息，提供預(yù)置位置、手控速度、存儲并預(yù)置衛(wèi)星、自動跟蹤、自動搜索、極化控制等多種控制模式，此外還有告警日志、操作日志等輔助功能。
　　
　?。?）兼容性好:該設(shè)備兼容雙電機(jī)消隙、交直流調(diào)速、交流調(diào)速、簡易天線控制器、饋源極化控制器等當(dāng)前主流型號的天線伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了多型號伺服系統(tǒng)的集中監(jiān)測控制。
　　
　?。?）根據(jù)用戶反饋信息來看，人機(jī)界面友好。
　　
　　6、小結(jié)
　　
　　本文通過對天線伺服的集中監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的研究，以及軟件工程化方法與過程的實(shí)踐，圓滿解決了多型號天線伺服設(shè)備通信協(xié)議互不兼容、多部套天線伺服設(shè)備并行集中監(jiān)測監(jiān)控軟件設(shè)計難題，為今后地面站設(shè)備系統(tǒng)監(jiān)控工程積累了知識和經(jīng)驗。