CN106935976B - 基于fft跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统 - Google Patents

Abstract

基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统，包括自身稳定平台和FFT跟踪伺服模块。所述的自身稳定平台包括天线姿态信息处理单元和寻星伺服控制单元；所述的FFT跟踪伺服模块包括信标处理单元、FFT跟踪算法单元和天线跟踪伺服控制单元；所述的姿态信息处理单元采用FPGA收集惯导传感器、陀螺仪、编码器传感器的姿态信号；所述的寻星伺服控制单元依据FPGA收集的姿态信息，通过DSP控制天线跟踪伺服控制单元电机驱动器完成天线的机械寻星动作，使天线通过自身稳定平台对准卫星；所述的FFT跟踪算法单元采用FPGA读取信标数据，完成FFT算法，并返回天线跟踪伺服控制单元调整运动的相位值和幅度值。

Description

基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统

一、技术领域

本发明属于移动卫星通信天线伺服技术领域。具体地说，本发明涉及一种基于FFT跟踪技术的天线伺服系统。

二、背景技术

随着空间技术的发展进步，移动卫星通信以其覆盖面积广、通信容量大、灵活机动等优点，已广泛应用于舰船、车辆、飞机等运动载体的通信。由于移动卫星通信的运动载体特别是飞机的动作幅度大、姿态变化快、惯导数据传输延时，仅靠自身稳定平台跟踪很难满足天线伺服跟踪精度。因此，自身稳定平台与自动跟踪技术相结合成为了该问题的主流解决方法。

自动跟踪的实现主要有三种，步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。其中步进跟踪和圆锥扫描跟踪技术的跟踪速度慢、精度低，但具有设备简单，成本低廉的优点。而单脉冲跟踪技术的跟踪速度和跟踪精度虽然比步进和圆锥扫描跟踪体制高，但它的设备复杂，成本高昂。

三、发明内容

针对现有存在的技术问题，本发明目的是，提供一种基于FFT跟踪技术的天线伺服系统，简化设备、降低成本、尤其是提高天线伺服系统的跟踪精度和跟踪速度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统，包括自身稳定平台和FFT跟踪伺服模块。所述的自身稳定平台包括天线姿态信息处理单元和寻星伺服控制单元；所述的FFT跟踪伺服模块包括信标处理单元、FFT跟踪算法单元和天线跟踪伺服控制单元。

所述的姿态信息处理单元采用FPGA收集惯导传感器、陀螺仪、编码器等传感器的姿态信号。

所述的寻星伺服控制单元依据FPGA收集的姿态信息，通过DSP控制天线跟踪伺服控制单元电机驱动器完成天线的机械寻星动作，使天线通过自身稳定平台对准卫星。

所述的信标处理单元对天线射频接收的模拟信号进行模/数转换，为FFT跟踪算法提供数据样本。

所述的FFT跟踪算法单元采用FPGA读取信标数据，完成FFT算法，并返回天线跟踪伺服控制单元调整运动的相位值和幅度值。

所述的天线跟踪伺服控制单元驱动控制天线执行两个阶段的动作控制，第一阶段控制天线实现天线圆锥扫描运动；第二阶段根据FFT跟踪算法单元计算的相位值和幅度值控制天线自动跟踪调整。

所述的信标处理单元用于对天线射频接收的模拟信号进行模/数转换。信标处理单元由宽带零中频解调器和基带数字处理模块组成，信标信号经零中频解调器下变频为数kHz的单频基带信号，然后经A/D芯片采样至基带数字处理器，排除邻星调制波干扰，最后通过RS232输出信标强度及信标频偏。

移动卫星通信天线伺服系统中基于FFT跟踪方法，其特征是步骤如下：基于FFT跟踪伺服模块，FFT跟踪伺服模块包括信标处理单元、FFT跟踪算法单元和天线跟踪伺服控制单元并执行如下程序：

所述的信标处理单元对天线射频接收的模拟信号进行模/数转换，为FFT跟踪算法提供数据样本；

所述的FFT跟踪算法单元采用FPGA读取信标处理单元的数据，完成FFT算法，并返回至天线跟踪伺服控制单元，输出调整天线运动的相位值和幅度值。

所述的寻星伺服控制单元用于控制电机驱动器完成寻星动作。寻星伺服控制单元使用DSP读取FPGA中FIFO缓存区的数据，解析该数据，得到的惯导和陀螺仪数据用于计算寻星的目标位置，得到的编码器角度信息作为反馈信号用于闭环的PID伺服控制，通过自身稳定平台驱动电机运动使天线对准卫星。

本发明方法的具体步骤：采用了FFT数字信号处理方法，改进了圆锥扫描跟踪技术的算法，继承了原有跟踪技术设备简单、成本低廉的优势，提高了天线伺服系统的跟踪精度和跟踪速度，很好地满足了移动卫星通信的需求。

所述的FFT跟踪算法单元用于计算天线跟踪调整运动的相位值和幅度值。天线完成寻星动作后，跟踪伺服控制单元驱动电机控制天线进行周期圆锥扫描，扫描过程中天线对卫星位置的变化会导致信标强度变化，且得到的信标强度理论上符合正(余)弦函数规律(理论上已经证明)。使用FPGA内核FFT算法对该信标数据做频域变换，提取有效信号的相位值和幅度值。

所述的跟踪伺服控制单元用于天线自动跟踪调整。跟踪伺服控制单元依次执行两个阶段的动作控制，第一阶段实现天线圆锥扫描运动；第二阶段根据FFT跟踪算法单元计算的相位值和幅度值，实现天线自动跟踪调整，相位值为天线调整方向，幅度值为天线调整角度。

圆锥扫描过程中得到的信标理论上符合正(余)弦函数规律。实际上，天线低噪放电路、变频电路和信标处理单元在射频处理时会产生随机噪声，因此信标X(t)在时域上的表达式可以定义为：

式(1)中，A为信标的直流分量，B为余弦函数的幅值，ω为余弦函数的角频率，

为余弦函数的相位，z(t)为噪声信号。

由于噪声信号z(t)对信标的影响较大，本发明采用快速傅立叶变换(FFT)数字信号处理技术提取信标信号的频域特征，快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换(DFT)的快速算法，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得：

FFT计算时，假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N，FFT之后的结果就是一个为N点的复数。如果原信号的峰值为A，那么FFT计算结果的每个点(第一个点直流分量除外)的模值就是A的N/2倍，每个点的相位就是在该频率下的信号的相位。

设FFT计算后的有效点为m，则该点复数Y(m)表示为：

Y(m)＝Re+Imi (3)

式(3)中Re为FFT计算后该点复数的实部，Im为虚部。天线调整的相位值ψ和幅度值ε计算公式分别为：

ψ＝arctanIm/Re (4)

FFT跟踪算法单元实现流程如下：

①读取信标处理单元的信标值；②将信标值做FFT算法，得到多个复数点；③选取有效的复数点；④根据公式(4)(5)计算天线自动跟踪调整的相位值和幅度值。

具体步骤为：

步骤1：系统上电后，姿态信息处理单元收集惯导、陀螺仪、编码器的姿态信号；

步骤2：寻星伺服控制单元读取姿态信息处理单元的数据，控制电机驱动器完成寻星动作；

步骤3：跟踪伺服单元控制天线执行圆锥扫描动作；

步骤4：信标处理单元对射频信号进行模/数转换，将处理得到的数据传给FFT跟踪算法单元；

步骤5：FFT跟踪算法单元根据信标值计算出天线自动跟踪调整的相位值和幅度值；

步骤6：跟踪伺服控制单元根据FFT跟踪算法单元产生的相位值和幅度值完成自动跟踪动作；

步骤7：信标强度大于跟踪门限时，跟踪停止，否则重复步骤3～步骤6，保证天线自动跟踪始终处于收敛状态。

本发明采用上述技术方案，具有以下效果：

首次基于快速傅立叶变换(FFT)数字信号处理技术提取信标信号的频域特征，充分滤除了干扰信号，极大弥补了信标在时域处理时产生的误差和抖动缺陷。能够快速并且精确地得到天线跟踪调整所需的相位值和幅度值。保证天线伺服系统的收敛性。

采用FPGA门电路采集传感器信息并运行FFT核心算法，提高了程序运行速度，节约了DSP资源，改善了天线伺服系统的实时性和动态响应。

与现有的天线跟踪技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用了FFT数字信号处理方法，改进了圆锥扫描跟踪技术的算法，继承了原有跟踪技术设备简单、成本低廉的优势，提高了天线伺服系统的跟踪精度和跟踪速度，很好地满足了移动卫星通信的需求。

四、附图说明

图1为本发明的组成示意框图；

图2为天线圆锥扫描示意图；

图3为FFT跟踪算法单元流程示意图；

图4为本发明在具体应用中的工作流程图。

五、具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图说明对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本基于FFT跟踪技术的天线伺服系统功能上包含自身稳定平台和FFT跟踪伺服模块两大部分；硬件方面，包含FPGA和DSP处理模块。具体地说，本发明包括姿态信息处理单元、寻星伺服控制单元、信标处理单元、FFT跟踪算法单元和跟踪伺服控制单元。

所述的姿态信息处理单元用于惯导、陀螺仪、编码器姿态信号的收集。其中陀螺仪输出信号经RS232串口连接至FPGA的I/O口，惯导信息通过ARINC429总线协议发送至FPGA的I/O口，而编码器角度信号则经过HCTL-2032正交解码器处理后传输至FPGA的I/O口。FPGA将接收的数据缓存到FIF0存储器，使用FIFO可以在两个不同时钟域系统之间快速而方便地传输实时数据。

所述的寻星伺服控制单元用于控制电机驱动器完成寻星动作。寻星伺服控制单元使用DSP读取FPGA中FIFO缓存区的数据，解析该数据，得到的惯导和陀螺仪数据用于计算寻星的目标位置，得到的编码器角度信息作为反馈信号用于闭环的PID伺服控制，通过自身稳定平台驱动电机运动使天线对准卫星。

所述的信标处理单元用于对天线射频接收的模拟信号进行模/数转换。信标处理单元由宽带零中频解调器和基带数字处理模块组成，信标信号经零中频解调器下变频为数kHz的单频基带信号，然后经A/D芯片采样至基带数字处理器，排除邻星调制波干扰，最后通过RS232输出信标强度及信标频偏；

所述的FFT跟踪算法单元用于计算天线跟踪调整运动的相位值和幅度值。天线完成寻星动作后，跟踪伺服控制单元驱动电机控制天线进行周期圆锥扫描，扫描过程中天线对卫星位置的变化会导致信标强度变化，且得到的信标强度理论上符合正(余)弦函数规律(理论上已经证明)。使用FPGA内核FFT算法对该信标数据做频域变换，提取有效信号的相位值和幅度值。

所述的跟踪伺服控制单元用于天线自动跟踪调整。跟踪伺服控制单元依次执行两个阶段的动作控制，第一阶段实现天线圆锥扫描运动；第二阶段根据FFT跟踪算法单元计算的相位值和幅度值，实现天线自动跟踪调整，相位值为天线调整方向，幅度值为天线调整角度。

本基于FFT跟踪技术的天线伺服系统中，FFT跟踪算法单元是整个系统的核心算法模块，也是本发明区别于其他天线自动跟踪技术的重要创新点。

上述中提到，圆锥扫描过程中得到的信标理论上符合正(余)弦函数规律。实际上，天线低噪放电路、变频电路和信标处理单元在射频处理时会产生随机噪声，因此信标X(t)在时域上的表达式可以定义为：

式(1)中，A为信标的直流分量，B为余弦函数的幅值，ω为余弦函数的角频率，

为余弦函数的相位，z(t)为噪声信号。

图2为天线圆锥扫描示意图，x轴、y轴分别为天线圆锥扫描的方位和俯仰方向，0°相位表示天线方位向右，180°相位表示天线方位向左，90°相位表示天线俯仰向上，270°相位表示天线俯仰向下。假设天线对准卫星的理论位置为O,天线实际对星位置偏右，O₁为天线圆锥扫描的中心点，A点为圆锥扫描的开始位置，B点为A点的对称位置，S为天线圆锥扫描的轨迹。显然，A点离理论位置O最远，信标值最小，B点离理论位置O最近，信标值最大。忽略噪声信号，信标X1(t)的表达式为：

式(2)中相位值180°表示天线的方位应该向左调整。此时天线实际对星位置偏右，应该往左调整，很好地证明了理论，幅度B表示天线自动跟踪调整的幅度。

实际应用中，噪声信号z(t)对信标的影响较大，严重干扰了相位值和幅度值在时域的分析计算，导致普通圆锥扫描跟踪的精度低，速度慢。本发明基于快速傅立叶变换(FFT)数字信号处理技术提取信标信号的频域特征，充分滤除了干扰信号，极大弥补了信标在时域处理时产生的误差和抖动缺陷。快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换(DFT)的快速算法，它是根据离散傅立叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。

FFT计算时，假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N，FFT之后的结果就是一个为N点的复数。如果原信号的峰值为A，那么FFT计算结果的每个点(第一个点直流分量除外)的模值就是A的N/2倍，每个点的相位就是在该频率下的信号的相位。

设FFT计算后的有效点为m，则该点复数Y(m)可以表示为：

Y(m)＝Re+Imi (3)

式(3)中Re为FFT计算后该点复数的实部，Im为虚部。天线调整的相位值ψ和幅度值ε计算公式分别为：

ψ＝arctanIm/Re (4)

参考图3，FFT跟踪算法单元实现流程如下：

①读取信标处理单元的信标值；②将信标值做FFT算法，得到多个复数点；③选取有效的复数点；④根据公式(4)(5)计算天线自动跟踪调整的相位值和幅度值。

本发明基于FFT算法改进了圆锥扫描自动跟踪技术，结构简单，成本低廉，跟踪精度和速度得到明显改善，且容易实现。图4是本发明具体应用时的工作流程图，其具体步骤为：

步骤1：系统上电后，姿态信息处理单元收集惯导、陀螺仪、编码器的姿态信号；

步骤2：寻星伺服控制单元读取姿态信息处理单元的数据，控制电机驱动器完成寻星动作；

步骤3：跟踪伺服单元控制天线执行圆锥扫描动作；

步骤4：信标处理单元对射频信号进行模/数转换，将处理得到的数据传给FFT跟踪算法单元；

步骤5：FFT跟踪算法单元根据信标值计算出天线自动跟踪调整的相位值和幅度值；

步骤6：跟踪伺服控制单元根据FFT跟踪算法单元产生的相位值和幅度值完成自动跟踪动作；

步骤7：信标强度大于跟踪门限时，跟踪停止，否则重复步骤3～步骤6，保证天线自动跟踪始终处于收敛状态。

Claims (1)

1.一种基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统，其特征是，

包括自身稳定平台和FFT跟踪伺服模块；所述的自身稳定平台包括天线姿态信息处理单元和寻星伺服控制单元；所述的FFT跟踪伺服模块包括信标处理单元、FFT跟踪算法单元和天线跟踪伺服控制单元；所述的天线姿态信息处理单元采用FPGA收集惯导传感器、陀螺仪、编码器传感器的姿态信号；

所述的寻星伺服控制单元用于控制电机驱动器完成天线的机械寻星动作，寻星伺服控制单元使用DSP读取FPGA中FIFO缓存区的数据，解析该数据，得到的惯导和陀螺仪数据用于计算寻星的目标位置，得到的编码器角度信息作为反馈信号用于闭环的PID伺服控制，通过自身稳定平台驱动电机运动使天线对准卫星；

所述的信标处理单元对天线射频接收的模拟信号进行模/数转换，为FFT跟踪算法提供数据样本；信标处理单元由宽带零中频解调器和基带数字处理模块组成，信标信号经零中频解调器下变频为数kHz的单频基带信号，然后经A/D芯片采样至基带数字处理模块，排除邻星调制波干扰，最后通过RS232输出信标强度及信标频偏；

所述的FFT跟踪算法单元采用FPGA读取信标数据，完成FFT算法，并返回天线跟踪伺服控制单元调整运动的相位值和幅度值；

FFT跟踪伺服模块实现如下功能：

所述的FFT跟踪算法单元用于计算天线跟踪调整运动的相位值和幅度值；天线完成寻星动作后，跟踪伺服控制单元驱动电机控制天线进行周期圆锥扫描，扫描过程中天线对卫星位置的变化会导致信标强度变化，且得到的信标强度符合正弦函数规律；使用FPGA内核FFT算法对该信标数据做频域变换，提取有效信号的相位值和幅度值；

所述的跟踪伺服控制单元用于天线自动跟踪调整；跟踪伺服控制单元依次执行两个阶段的动作控制，第一阶段实现天线圆锥扫描运动；第二阶段根据FFT跟踪算法单元计算的相位值和幅度值，实现天线自动跟踪调整，相位值为天线调整方向，幅度值为天线调整角度；

圆锥扫描过程中得到的信标X(t)在时域上的表达式可以定义为：

式(1)中，A为信标的直流分量，B为余弦函数的幅值，ω为余弦函数的角频率，

为余弦函数的相位，z(t)为噪声信号；t为时间参数；

由于噪声信号z(t)对信标的影响较大，采用快速傅立叶变换FFT数字信号处理技术提取信标信号的频域特征：

FFT计算时，假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N，FFT之后的结果就是一个为N点的复数；如果原信号的峰值为C，那么FFT计算结果的每个点、第一个点直流分量除外的模值就是C的N/2倍，每个点的相位就是在该频率下的信号的相位；

设FFT计算后的有效点为m，则该点复数Y(m)表示为：

Y(m)＝Re+Imi (3)

式(3)中Re为FFT计算后该点复数的实部，Im为虚部；天线调整的相位值ψ和幅度值ε计算公式分别为：

ψ＝arctanIm/Re (4)

移动卫星通信天线伺服系统实现跟踪的具体步骤为：

步骤1：系统上电后，姿态信息处理单元收集惯导、陀螺仪、编码器的姿态信号；

步骤2：寻星伺服控制单元读取姿态信息处理单元的数据，控制电机驱动器完成寻星动作；

步骤3：跟踪伺服控制单元控制天线执行圆锥扫描动作；

步骤4：信标处理单元对射频信号进行模/数转换，将处理得到的数据传给FFT跟踪算法单元；

步骤5：FFT跟踪算法单元根据信标值计算出天线自动跟踪调整的相位值和幅度值；

步骤6：跟踪伺服控制单元根据FFT跟踪算法单元产生的相位值和幅度值完成自动跟踪动作；

步骤7：信标强度大于跟踪门限时，跟踪停止，否则重复步骤3～步骤6，保证天线自动跟踪始终处于收敛状态。

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