便携式卫星通信地球站结构及其控制系统设计

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摘
要：论述了一种便携式卫星通信地球站机电一体化设计方法。便携式卫星通信地球站是一种复杂的高 度集成的机电一体化产品，其机械结构设计必须考虑控制系统要求，并应针对设备的不同工作模 式采取相应的控制策略。样机测试结果表明，设计完成的卫星通信系统地球站性能满足各种使用 环境下卫星通信要求，性能可靠，质量轻，体积小，便于携带，解决了卫星通信地球站天线小型 化问题。
图 ! 便携式卫星通信系统地球站系统结构 "#$%! &’( )*+,-*,+( ./ 0.+*123( (1+*’ )*1*#.4
$ 操作不够方便。近年来，数字信号处理、可编程逻辑
电路、微波集成电路技术和超小口径天线技术的发展使 便携式卫星通信设备的研发成为可能
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。
针对市场需求和已有设备缺点，我们设计了一种设 备体积小、重量轻，使用简单，展开和收藏快速，自动 对星并且跟踪、集成在一个包装箱内的可以手提或背负 携带的，适用于野外工作环境的超小口径便携式卫星通 信地球站。工作时采用 “一键通”模式，操作人员只需 打 开 系 统 电 源 ，即 可 根 据 预 设 卫 星 参 数 、 读 取 的 $%&、 倾斜仪等信息自动完成对星，实现通信。
设计成图 " 所示的层状结构。 （"）底箱。底箱是整个结构系统的基础，电源、控 制器、’() （功放） 、接收机等被安装在底箱中。 （0）中箱。中箱是整个结构系统的主体，天线反射 面及馈线系统被安装在中箱上，因此中箱起到天线座的 作用，方位、俯仰驱动系统 、输 入 输 出 模 块 、 $%&、倾 斜仪等等也被安装在中箱上。 （1）罩壳。罩壳的主要作用是对安装在底箱、中箱 中的电子元器件起密封保护作用，也是反射面收藏时的 主要支撑体，因此其主要表面与反射面曲面相吻合。罩 壳采用玻璃钢类非金属材料制造，以避免对 $%& 的屏蔽。
，并按照一定的自动控制算
法驱动方位、俯仰电机运动，使天线进行自动卫星搜索。
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便携式卫星通信地球站工作模式
如图 % 所示，便携式卫星通信地球站在一次使用
周期中 存 在 ’ 种 工 作 模 式 ：初 始 化 ，低 仰 角 噪 声 扫 描 ， 开环卫星信号 搜索，闭环卫 星信号跟踪， 收藏。
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便携式
（!）反射面与馈源。反射面与馈源是地球站的天馈 系统，安装在中箱上，收藏时反射面与馈源收拢在一起， 与罩壳贴合在工作状态，反射面与馈源展开，并保持设 计的位置。为了装箱需要，反射面应进行切块处理。 （"）箱盖。箱盖上安装了指北仪，便于用户野外使用 时辨识方向，同时在箱盖内装有反射面边块。包装运输时 箱盖扣合在底箱、中箱等构成的设备主体上，底箱、中箱 和罩壳使用紧固件装配成一体，相互之间有良好的密封。 设计完成的便携式卫星通 信地球站工作状态如图 # 所示。
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天馈系统设计
为了便于装箱运输，反射
工作时通过快速安装搭 站工作状态
用分天线控制单元、传感器和执行器三部分，其核心是 天线控制单元，它通过读取 /01、倾斜仪等信息确定方 位、俯仰角度，控制天线运动，根据信标接收机的 2/电平判断天线是否精确对准卫星。
关键词：便携式；卫星通信地球站；机电一体化；机械设计；自动控制 中图分类号：34516 文献标识码：7 文章编号："22058891 （0228）21522:521
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引言
便携式卫星地球站通过与地球同步轨道通信卫星的链
" 便携式卫星通信系统地球站机械结构设计
便携式卫星通信地球站设备组成包括：天线及底 座、馈线、’() 、 *+’ 、极化电机、俯仰电机及驱动器、 方位电机及驱动器、倾 斜 仪 、 $%&、天 线 控 制 器 、接 收 机、电源、输入输出设备、卫星 ,-./, 等
$3& 曹锦 2 小口径天线卫星通信技术 $;&2 江苏电机工程， 7((7<=2
北京邮电 $7& 陈振国 < 杨鸿文 < 郭文彬 2 卫星通信系统与 技 术 $>&2 北 京 ： 大学出版社， 7((=2
星通信地球站 伺服控制系统 采用了开环搜
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第 "+ 卷第 . 期 ・开发与创新・ #!!$ 年 2 月
机电产品开发与创新
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便携式卫星通信地球站结构及其控制系统设计
胡正飞，谢继东
（南京邮电大学，江苏 南京
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限，天线自动进入步进跟踪状态，因此，天线指向始终 对准卫星，保持最佳的接收性能。此时，另一路信号经 下变频、解扩、解调后给基带单元，经基带处理后送给 用户终端。同时，用户终端的发信号经基带单元的基带 处理后再经过扩频、调制、上变频后经过功放由天线发 射至卫星转换器，建立卫星通信链路。 为了提高系统工作效率，开环搜索运动应具有较高 的运转速度，通常应达到 ’) / 1 以上。但是，在闭环跟踪 模式下，为了保证系统能够精确地对准卫星，只能采用 极低的方位、俯仰转速，此时的转速通常应小于 (23) / 1。 在闭环跟踪模式下，频繁的方位、俯仰换向运动可 能会引起反射面抖动，导致设备性能不稳定，甚至 “死 机”现象。为此，在结构设计时，必须保证传动系统具 有足够的驱动力，严格控制反射面质量，提高系统刚度。
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路形成卫星通信网络，支持话音、数据、音视频和广域网 接入等多媒体通信业务，是实现远程数据传输、事故现场 应急通信和现场视频转播等业务的良好手段。可广泛应用 于交通运输、抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安和军 事等应急和特殊通信领域，具有广阔的市场需求。 近年来，国内外厂家开发了一些便携式卫星通信地 球站，但基本都是采用在工作现场手动将天线安装在三 角架上，然后根据地理位置、卫星信息通过查表、计算 等方式，人工对星、人工调整极化的方法实现卫星通 信。这样的设备存在下述缺点：! 要求操作人员具备较 强的卫星通信专业知识； " 工作效率低，不能适应事件 突发环境下的 快 速 通 信 实 现 要 求 ； # 携 带 运 输 不 方 便 ；
块，只留下主体部分与天线座
"#$%! &’( )*+,#-$ .*/#0#*- 扣将这些反射面精确地拼装在 *1 .*+0234( (2+0’ /020#*- 一起形成整个反射面。
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天线控制单元
天 线 控 制 单 元 的 核 心 是 310!.45$!65 超 低 功 耗
如图 $ 所示，便携式卫星通信地球站在装箱运输时 馈源与反射面合拢折叠。系统启动时，首先是反射面向 上翻转，当达到设计角度时，通过安装在反射面根部的 可调节挡块带动馈源同步旋转。在搜索卫星的俯仰运动 过程中，依靠馈源及其支架的重力作用保持两者之间的 位置关系，如图 # 所示。
索与闭环跟踪相结合的策略。 开环搜索过程：首先准确确定卫星的信标，把信标 接收机设定到既定信标信号频率，同时把天线接收极化 角调整到理论角度，为了防止地表热噪声的影响，本系 统在搜索卫星信号之前要进行低仰角噪声扫描，把俯仰 角调到 () 度位置，从右向左转动天线。然后把天线的俯 仰转动到 计 算 值 ，在 确 定 了 俯 仰 角 后 ，根 据 跟 踪 理 论 ， 转动方位肯定是可以找到唯一一颗与之对应的卫星，这 一过程称为开环卫星信号搜索。 闭环跟踪模式：在搜索过程中，卫星信号经 *+, 放 大后由功分 器 分 为 两 路 ，一 路 信 号 输 出 给 跟 踪 接 收 机 ， 跟踪接收机完成对信号的检波、滤波和放大，输出 -!. 电平给天线控制器的 - / 0 变换电路，为伺服控制提供信 号电平指示 。当 信 噪 比 大 于 系 统 所 设 定 的 搜 索 门 限 时 ， 天线就进入步进跟踪状态，在步进跟踪状态，当信号大 于跟踪门限，天线指向处于保持状态；当信号小于门
。为了实
现 “一键通”功能，便携式卫星通信地球站应该具有自 动方位、俯仰、极化调整功能。因此，便携式卫星通信 地球站是一个高度集成的机电一体化产品。 为了适应装箱运输，便携式卫星通信系统天馈系统 使用偏馈式 结构。在设 计中采用模 块化设计方 法，根据不 同构件的功 能及装配关 系，将设备
!, 底箱 -, 中箱 ., 罩壳 /, 反射面与馈源 0, 箱盖
地理位置信息、卫 星信息、极化方式， 控制方位、俯仰、 极化电机运动，因 此，便携式卫星通 信地球站具有一套 完备的伺服控制系 统，其基本原理及 组成如图 . 所示。 根据便携式卫 星通信地球站控制 系统组成部分的作
图 5 伺服控制系统 "#$%5 &’( /(+6* /7/0(8 *1 .*+0234( (2+0’ /020#*-
收稿日期：#!!$%!&%"& 作 者 简 介 ：胡 正 飞 （!"#"$ ） ，男 ，江 苏 淮 安 人 ，讲 师 。 !""% 年毕业于 东 南 大 学 机 械 工 程 系 ，获 硕 士 学 位 。目 前 主 要 从 事 天线设计和 &’( ) &’* ) &’+ 开发应用研究。
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万方数据
・ 开发与创新・
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散热冷却设计
便携式卫星通信系统地球站密闭的箱体内存在电
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执行器
便携式卫星通信地球站控制系统的执行器包括：用
源、 +,-、接收机、控制机等大量的发热源，这些热量 必须及时从箱体内散发出去，否则系统就无法正常工 作。经验证明依靠自然冷却的方式是不能满足散热要求 的，应采用强制通风冷却方式。为了达到最好的冷却效 果，系统采用了 # 只风扇一吸一吹，在箱体内设置导流 板形成循环风的方式强制冷却。 此外，便携式卫星通信地球站结构设计时还必须考 虑密封、人机交互、电磁兼容等问题。