·测试与控制·图1俯仰-方位型天线座架实物图Fig.1The base of two-axisantenna修稿日期：2012－11－27基金项目：国家自然科学基金（61074023）；江苏省科技支撑计划资助项目（BE2009160）作者简介：孙钟阜（1965-），男，海军第二炮兵学院毕业，本科学历，高级工程师。
研究方向：水声对抗。
0引言我国幅员辽阔、地理复杂，地质灾害频繁发生且县、乡两级的通信保障非常薄弱，当发生重大灾难时，由于常规通信手段中断、交通不便等原因常常导致卫星应急通讯车无法到达灾害地点。
因此开发适用于应急通信、便于救灾人员随身带入灾区以快速进行远程数据通信和现场视频转播等业务的便携式卫星通信系统已成为重要需求[1,2]。
便携式卫星通信系统，通过与地球同步轨道卫星链路形成卫星通信网络，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。
被广泛应用于交通运输、抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安、军事等应急和特殊通信领域[3～9]。
便携式卫星通信系统的关键技术主要集中于两方面：便携式卫星通信系统和高性能天线控制系统。
本文主要研究并设计天线控制系统。
1总体结构设计1.1机械结构本文设计的便携式卫星通信系统的机械结构采用立轴式俯仰-方位型天线座，如图1所示。
俯仰-方位型天线座由驱动装置和支撑转动装置构成，用方位轴支撑天线的方位部Design of Portable Satellite Communication Control System Based on Embedded ControllerSUN Zhong-Fu 1，GUO Jian 2，FAN Li-Juan 2(itary Representatives Office of Underwater Sound and Navigation System of Navy in Shanghai Area,Shanghai 201108,China ；2.Department of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)Abstract:According to the two -axis (azimuth -pitch)portable satellite communication system ,an antenna control system based on embedded controller was researched and designed ,and the overall program of which was designed based on GPS ,electronic compass and satellite beacon.To achieve rapidity and high-precision of the antenna pointing control,a method combing rough alignment and extractive alignment was presented,as well as a control policy based on intelligence divisional PID.By using modular design method,both hardware and software of the control system were designed.Remote monitoring program based on wireless monitoring was also designed for the effective realization of portable satellite communication earth station monitoring.The experiment shows the excellent results.Key words:portable ；satellite communications ；control system ；embedded system基于嵌入式控制器的便携式卫星通信控制系统设计孙钟阜1，郭健2，范利娟2（1.海军驻上海地区水声导航系统军事代表，上海201108；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094）摘要：针对方位-俯仰两轴运动的便携式卫星通信系统，研究并设计了基于嵌入式控制器的高性能天线控制系统。
设计了基于GPS 、电子罗盘和卫星信标的天线控制系统的总体方案。
为实现天线的快速、高精度对星指向控制，研究了基于粗对准与精对准相结合的天线控制方法，并设计了基于分区PID 的控制策略。
采用模块化设计方法，分别开发了控制系统硬件和软件。
为有效实现对便携式卫星通信地球站的监控，设计并开发了基于无线监控的远程监控程序，实验表明控制效果较好。
关键词：便携式；卫星通信；控制系统；嵌入式中图分类号：TP23文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2013.01.049文章编号：1002－6673（2013）01－124－03机电产品开发与创新Development ＆Innovation of M achinery ＆E lectrical P roductsVol．26,No．1Jan ．,2013第26卷第1期2013年1月·测试与控制·分转动，俯仰轴支撑俯仰部分转动。
1.2控制结构便携式卫星通信控制系统整体结构如图2所示。
其中各模块主要设计和功能如下：（1）测量与信号调理模块用于测量天线姿态和位置。
本系统采用GPS、三轴电子罗盘HMR3300和信标机实现天线位置和姿态测量：GPS用于测量通信系统所在地的地理位置，HMR3300用于测量天线的方位、俯仰姿态信息，信标机则通过输出AGC电平检测天线的对星精度；GPS和HMR3300均通过串口输出数据，而信标机的AGC电平模拟信号经过信号调理模块进行滤波、放大。
（2）天线控制器模块和电机及驱动模块相结合，用于实现天线的卫星跟踪和指向对准。
对于控制器，考虑到系统实时性和快速性要求较高，选用了低功耗和高性能的TMS320F2812作为系统的主控芯片；为使系统结构紧凑，驱动电机采用MT57STH52-3008A混合步进电机。
（3）液晶显示模块用于实时显示天线的方位、俯仰指向和信标接收机输出的电平值等信息。
（4）无线监控模块用于实现用户对控制系统的实时监控，向控制系统发送指令，同时接收控制系统发送过来的数据并将其显示在上位机（如PC机）上，一方面便于用户掌握天线的实时状态信息，另一方面可切换为天线遥操作。
2控制系统工作原理控制系统所能实现的天线对星性能决定了系统通信质量。
为了实现高精度、快速对星，本系统采用粗精对准相结合的方法，实现卫星信号的快速搜索与高精度指向：系统的卫星信号搜索是一个粗对准的过程，通过程序跟踪的方法实现；天线的高精度指向是一个精对准的过程，通过步进跟踪的方法实现。
2.1天线搜索与控制卫星信号的搜索即粗对准采用程序跟踪的方法。
（1）方位角、俯仰角计算。
天线对星指向角的计算需同时知道地球站所在地的经度、纬度和静止卫星的在轨经度。
静止卫星S与地球站A之间的几何关系如图3所示。
图中，A表示地球站，S表示静止卫星，B为地球站A的经线与赤道的交点，O与S的连线在地球表面上的交点C称为星下点，地球表面上通过A点和C点的弧线AC称为方位线，AN为AC的切线，AM为AB的切线，面OAS为方位面，D为切线AM与赤道平面的交点，E为切线AN与赤道平面的交点。
地球站与静止卫星的连线称为直视线，直视线在地面上的投影，即地球站与星下点间的弧线称为地球站对静止卫星的方位线，方位线与直视线确定的平面称为方位面。
方位角是指地球站所在经线的正南方向按顺时针方向与方位面所构成的夹角，用∠MAN表示，俯仰角是指地球站的方位线与直视线的夹角。
设地球站A的经度和纬度分别为φ和θ1，静止卫星经度为φ2，经度差荭φ=φ1-φ2，以下具体给出地球站天线对准卫星所需的方位角φa和俯仰角φe的推导过程。
对于方位角，由图可得：AD=ODsinθ1（1）tanφa=DEAD（2）tan荭φ=DEOD（3）由以上三式可以得出天线方位角：tanφa=tan荭φsinθ1（4）由于利用上式求出的方位角是以正南方向为基准求得的，故实际的方位角可用下述方法求出：方法一：地面站位于北半球：一是卫星位于地面站东南方向：方位角=180°-φa；二是卫星位于地面站西南方向：方位角=180°+φa。
方法二：地面站位于南半球：一是卫星位于地面站东北方向：方位角=φa；二是卫星位于地面站西北方向：方位角=360°-φa。
如果计算出的方位角是正值，则天线向正南偏东转动，反之，则天线向正南偏西转动。
对于俯仰角，同样计算可得：φe=tan-1cosθ1cos荭φ-0.1511-（cosθ1cos荭φ）2姨姨姨（5）（2）基于分区PID的天线控制算法。
得到方位角和俯仰角度后，需要对电机进行控制，驱动其又快又好地到达期望的位置。
常规的PID控制器采用固定的控制参数，难以兼顾图6监控系统工作流程Fig.6Working process ofmonitoring and controlsystem快速性和平稳性的控制要求。
为实现天线快速、平稳控制，本系统设计了基于分区PID 的控制算法，即根据误差将系统分为若干区，不同的分区采用不同的PID 控制策略,引导系统又快又好地到达指令位置。
为简化控制器设计，对误差分区时采用对称分区。
具体原理和设计如图4所示。
O-A 阶段：此时偏差很大，系统远离期望位置，考虑采用控制器输出的最大值进行控制,即Bang -bang 控制；A -C 阶段:此时偏差较大，但为防止系统上升过快导致较大超调，考虑采用比例控制（P 控制）；C-D 阶段：此时偏差在一定范围内，为实现系统平稳控制，采用比例-微分控制（PD 控制）；D-E 阶段：此时偏差较小，为实现系统平稳、准确控制到位，采用PID 控制。
在天线的搜索过程中，俯仰系统、方位系统均采取分区PID 控制算法。
此外，天线转动的同时不断采集信标接收机输出的AGC 电平值，该值反馈至天线控制器，并与设定的搜索门限值进行比较、判断。
当AGC 电平值大于搜索门限后，结束搜索状态，进入跟踪状态，否则继续进行天线搜索。
2.2天线跟踪算法经过粗对准完成卫星信号的搜索，天线进入能收到信号的范围，但是收到的信号强度较弱，距离信号最强指向还有一定的角度偏差。