维普资讯 http://www.cqvip.com 第１９卷第４期 ２００７年１２月 甘肃科学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｖｏ１．１９ ＮＯ．４ Ｄｅｃ．２００７ 自动寻星卫星电视天线控制系统 李 涛 ，郝东亮 ，刘建中 （１．甘肃省科学院自动化研究所，甘肃兰州７３００００； ２．甘肃省广播电影电视总台．甘肃兰州 ７３００００） 摘 要： 介绍了基于ＤＳＰ自动寻星卫星电视天线控制系统，阐述了系统的软硬件结构及各部分功 能．实现了卫星地面站天线的自动寻星和实时跟踪． 关键词： 卫星电视天线；自动寻星；自动实时跟踪 中图分类号：ＴＰ３９１．４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２００７）０４—００８５—０４ Ａｎｔｅｎｎａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ＬＩ Ｔａｏ ，ＨＡ０ Ｄｏｎｇ—ｌｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｚｈｏｎｇ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＧａｎｓｕＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇａ Ｒｎｄｉ０，Ｆ Ｚ，，王＆ ＺＰ ０ ＳＰ，Ｉ口 ｃＰ，Ｌ４ ｈｏ ７３００００ ｃｈｉ ｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ＤＳＰ—ｂａｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ ａｎｔｅｎｎａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓａｔ— ｅｌｌｉｔｅ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｎｔｅｎｎａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ． ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ ａｎｔｅｎｎａ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｔｒａｃｋ－ ｉｎｇ 电视卫星天线是卫星电视传输中必不可少的组 成部分，卫星天线随着科技的发展，正向集成化、智 能化、高科技方向发展Ｌ１］．自动寻星卫星电视天线控 １ 系统构成 控制系统由ＤＳＰ作为主控制核心 扪，由倾角传感 器、简易场强仪作为测量传感器，由低压伺服电机和电 动推杆组成运动执行部件，由抛物面偏馈天线及其支 架作为卫星电视信号接收单元．其功能见框图１． 制系统，以最大的仰角开始，变动天线的方位角，自 动搜索卫星电视信号，找出最接近当地地理经度的 卫星，经确认出该卫星的位置参数后，根据天线所处 地理位置以及卫星经度，自动确定以水平面为基准 的天线仰角和天线的方位角．采用自主跟踪方式，以 电视信号极大值方式自动对准卫星，同时实时地显 示天线的状态参数，并将所有收到电视卫星位置参 数存储在系统中，可方便快速的对准其中任何一颗 电视卫星．存储数据量不受．在卫星的位置发生 漂移和卫星电视天线地理位置发生变化时，自动寻 星卫星电视天线控制系统依然可调整其姿态始终对 准电视卫星． 收稿日期：２００７—０７—１０ 图１ 系统功能 基金项目：甘肃省科学事业费项目（ＱＳＯ３１一Ｃ３２—１），中圉科学院自动化研究所开放课题（２００５０２０２） 维普资讯 http://www.cqvip.com
８６ 甘肃科学学报 ２００７年第４期 １．１电视天线 速实时采样．其标准的通信接口（ＳＣＩ等）可方便与 其他设备的数据交换． Ｆ２８１２数字信号处理器（ＤＳＰ）采用增强的哈佛 总线结构，能够并行访问程序和数据存储空间． Ｆ２８１２处理器采用专用的存储器流水线操作，保证 Ｆｌａｓｈ存储器能够获得良好的性能．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 芯片作为运动控制器的核心处理器，具有信息处理 能力强、开放程度高、控制准确、通用性好的特点．主 卫星电视接收天线支架的结构采用俯仰方位式 见图２．它可以使天线锅面在支架上作上、下、左、右 的姿态调整．采用了偏馈式的Ｋｕ波段天线锅面和 双极化高频头构成高频信号接收系统．天线的立柱 采用直径９Ｏ ｍｍ的圆钢管加工而成；以３０ ｍｍ的 方钢管及角钢焊接为仰角调节架，仰角的调节范围 为Ｏ。～７５。；仰角调节架安装在立柱上，相对立柱可 以在水平面做全方位转动． １．高频头２．高频头支架３．天线锅面 ４．运动架Ｓ．电动推杆６．立拄 图２卫星电视接收天线支架 １．２机械执行机构 在俯仰方位式的机架结构上面配置２个伺服电 机，在俯仰轴安装一个倾角传感器，分别实现对方位 角和仰角运动的驱动功能．使得天线可以在水平方 向作３６０。自由旋转，在７５。的俯仰范围升降．构成具 有２个自由度的运动系统，完成对天线的姿态控制． ２运动控制系统 ２．１数宇控制单元 数字控制单元采用ＴＩ公司的３２位定点数字信 号处理器（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２０］．它采用高性能的 静态ＣＭ０Ｓ技术，主频达１５０ ＭＨｚ，指令周期仅为 ６．６７ｎｓ，具有强大的实时控制能力．其３２位的 ＣＰＵ、单周期３２×３２乘法累加运算操作、６４位的数 据处理能力等特点，能够完成高精度的处理任务，并 且具有高效的代码转换功能，支持Ｃ／Ｃ＋＋和汇编 语言编程．片上Ｆｌａｓｈ／ＲＯＭ具有可编程加密特性， 可以方便现场软件升级．该芯片上集成有ｌ２位的模 数转换器（ＡＤＣ），Ａ／Ｄ转换速度仅２００ｎｓ，可进行快 要完成信号的处理判断、自动控制输出、键盘输人和 数显控制．其功能模块主要包括ＤＳＰ主控单元、键 盘输人单元、ＬＥＤ液晶显示单元、位置传感输人单 元、串行口上位机通讯以及输出、伺服控制执行单元 等部分组成．通过串行接口可以与上位Ｐｃ机通 信，接受干预指令或将本系统信息传送到上位ＰＣ机． ２．２位置传感和伺服控制执行单元 天线的水平方向的转动伺服系统，选用了和利 时公司生产的ＨＵＭ＋Ｄ０Ｌ一５Ｏ型伺服驱动器，它 具有运动控制特性，可以执行由数字控制单元发来 的运动指令，带动交流伺服电机按预定的轨迹运动． 实现天线在水平方向的方位角的运动． 在俯仰轴安装一个倾角传感器．倾角传感器的 输出电压与倾角位置的关系是连续函数关系，是一 个模拟量，它可以反映出０￣￣９０。范围内天线仰角的 即时姿态．倾角信号首先进行模拟量采样和Ａ／Ｄ转 换（量化）Ｌ４］，送人数字处理单元．数字处理单元送出 天线垂直方向的运动控制信号，由电动推杆驱动仰 角执行机构，实现天线仰角的调整． 接收到的卫星信标信号的强弱作为天线是否对 准卫星的依据．我们利用宽带指针式寻星仪经改造 后，将其ｌＶ～３ Ｖ的输出电压送至ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转 换电路作为系统的反馈信号． ３ 控制策略 针对实际应用的需要，我们采用了“卫星定位” 的控制策略．具体措施就是利用“盲搜法”找到一颗 卫星，根据该卫星信号内容确定它的在轨位置，由已 知的该颗卫星的位置再结合当地的地理坐标值，经 运算求得当前天线所处的方位角Ｌ５ｊ，再将其作为基 准进行其他卫星的搜索． 在伺服控制执行单元中，由微处理器输出的状 态控制信号（开、停机、正反转、位移量等），经光电耦 合器输出，去控制伺服电机做相应的动作，从而驱动 天线方位、俯仰姿态的变化．在程序的控制下天线锅 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１９卷 李涛等；自动寻星卫星电视天线控制系统 ８７ 面精确运动到既定姿态，使卫星电视接收天线对准 所要接收电视信号的卫星． ３．１数据处理 其中ｎ为当地地理经度与卫星定点经度之差；１３为 当地地理纬度（以下公式中字母的含义相同）． 天线的俯仰角Ｅ的计算公式如下： ＣＯＳ０￣×ｃ。ｓｐ—Ｎ － ￣倾角传感器输出的是０Ｖ～４．５ Ｖ的模拟信号， 先将其调理成０Ｖ～３ Ｖ的电压范围，以适应ＤＳＰ 模数转换输入接口的规范Ｄ］．首先经ＤＳＰ内１２位 的Ａ／Ｄ转换器进行模数转换，再用反函数ａｒｃｓｉｎ将 其换算成相对应的角度数值． 接收到的卫星信标信号的强度作为天线是否对 准卫星的依据．宽带寻星仪可以输出１Ｖ～３Ｖ的场 强信号电压，将其送至ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换电路，即可 获取反映是否对准卫星的参考数字信号． ３．２寻星算法 ／—ｌ－－（ｃｏｓ—ａｃｏｓｐ）２’ 其中ｒ为地球半径；Ｒ为卫星轨道半径． ４ 软件设计 采用ＴＩ公司ＤＳＰ芯片构建的ＤＥＣ８２１２开发 板及其配套的编程器，自行开发针对控制对象的程 序，构成的运动控制系统［６］． 应用程序由支持ＤＳＰ芯片的ｃ及汇编语言编 写．包含了主函数、中断服务函数和各功能子函数． 为便于程序的设计、分析与调试，采用了结构化模块 设计方法Ｌ７］． 在微控制器内预存储了所需寻找的静止卫星轨 道位置的星下点地理经度．当输入了由ＧＰＳ测量得 的天线所在地的地理经、纬度以及海拔高度数值后， 结合卫星电视信号的场强电平和以上数据进行相应 运算后产生天线姿态的控制信号，经输出接口传至 相应的机械执行机构，即可对天线的姿态进行控制， 系统软件由主程序和各功能子函数构成． ４．１主函数 主函数主要完成系统初始化，即对扩展电路、中 断矢量表、ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片内部ＲＡＭ及各寄存 器进行初始正确状态的设置．初始化还包括对 ＡＤＣ、ＳＣＩＥＳ￣、脉冲发生器、显示输出等有关功能单 元状态的设置．然后扫描键盘，根据键值散转至各键 处理功能子函数．主函数的程序流程见框图３． 还可采用极值跟踪进行实时跟踪，同时实时地 显示天线的状态参数． 天线的方位角Ａ的计算公式如下［５］： Ａ—ａｒｃｔａｎ ， 图３主函数的程序流程 维普资讯 http://www.cqvip.com ８８ 甘肃科学学报 ２００７年第４期 ４．２子函数 在天线的实时跟踪中，天线的动作分为试探步 功能子函数主要包括Ａ／Ｄ转换中断程序、电机 和调整步２种，在试探步动作中，首先使天线的方位 运行中断程序和通讯中断程序等．功能函数模块主 角和仰角微动一小步，然后对信号取样、场强记忆以 要有查表、显示、数制转换、自动寻星控制算法、极值 及比较等，待经过若干次搜索并确定了天线应该转 式自寻最优实时跟踪等．在此只介绍自寻极大值式 动的方向后，就将天线调整到此最佳位置． 实时跟踪模块． 当天线基本对准目标卫星时，即可测试到该卫 ５ 结束语 星电视载波信号的场强，并且此载波信号的强度也 利用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器开发的智 对应着天线对准卫星的程度．由此可采用微步调整 能卫星电视天线控制系统，功能齐全，自动化程度 方位角和俯仰角的方法，同时测试各个位置的接收 高，不但能够做到自动寻星，而且还具有实时自寻优 信号场强，场强最强处就必然是精确对准卫星的姿 跟踪功能，因此具有较高的推广应用价值和广阔的 态．其流程如图４所示． 开发前景． 参考文献： ［１］刘进军．卫星电视接收技术［Ｍ］ 北京 国防工业出版社，２００７． ［２］韩安太．ＤＳＰ控制器原理及其在运动控制系统中的应用［Ｍ］． 北京；清华大学出版社，２００３ ［３］苏奎峰 ＴＭＳ３２ＯＦ２８１２原理与开发［Ｍ］．北京．电子工业出版 社，２００５ ［４］王茁 机电一体化系统设计［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５． ［５］沈永明．卫星接收器材的安装和调整［Ｊ］．无线电，２００６，５２３ （４）：９－１０ ［６３彭启琮 ＴＩ ＤＳＰ集成化开发环境（ＣＣＳ）使用手册［Ｍ］．北京： 清华大学出版社，２００５ ［７１松桥工作室 深入浅出Ｃ＆ｃ＋十程序设计［Ｍ］．北京：中国铁 道出版社，２００６ ［８］ 张卫宁 ＴＩ．ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ系列ＤＳＰ的ＣＰＵ与外设［Ｍ］ 北 京：清华大学出版社，２００５ 图４卫星搜索流程 作者简介： 李涛，（１９６５一）男．甘肃省秦安人．１９８８年毕业于甘肃工业大学自动控制系获工学学士学位．现任甘肃省科学院自动化 研究所所长．高级工程师．