CN116191050B - 一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法，包括：S1.打开运动控制卡，与上位机建立连接；S2.经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态；S3.将天线当前位置与目标位置进行比较，若角度误差在±0.01内，则天线不动，否则就控制电机转动到目标位置，并自动跟踪目标射电源；S4.在人机交互界面显示天线当前状态、在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时；显示当前操作命令的参数和天线的方位和俯仰角。本发明具有成本低、跟踪精度高的优点。

Description

一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及天文观测领域，以及现代通信领域、自动控制领域和软件开发领域，具体而言，涉及一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法。
背景技术
天线自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置驱动天线的方位电机和俯仰电机进行复合联动，从而使天线自动指向观测者预期的目标方向。天线控制系统主要包括上位装置、控制装置、驱动装置、反馈装置、执行机构、传动机构等。
运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡。其通常与PC主机构成主从式控制结构，PC主机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，控制卡则负责运动控制的具体实施。
现代通信分为并行通信和串行通信，近距离通信可采用并行通信，当距离比较远时，则采用串行通信。串行通信是上位机和运动控制卡进行远程数据传输的主要方式之一。运动控制卡配备有RS485转以太网通信接口，伺服电机及驱动可通过485串口总线与运动控制卡进行本地连接，而运动控制卡则通过以太网实现与PC主机的远程通信。
现有技术的不足之处在于：市场在售的小口径抛物面天线很少配备有自动控制系统，而专门定制具有自动控制功能的抛物面天线，其定制价格又非常昂贵，很难满足当前社会的迫切需求。
一方面，通过调研抛物面天线生产厂家，发现目前市场在售的口径小于4米的抛物面天线很少配备有控制系统，多数天线只能通过无源手动控制，无法实现天线的自动追踪功能。而天线自动控制技术往往掌握在天线生产厂家手中，其对相关技术已进行严格保密，要采购具有自动控制功能的抛物面天线就需要提前与天线生产厂家协商定制，整套设备定制价格非常昂贵。
另外，传统抛物面天线的控制系统设计复杂，界面陈旧，扩展性差，用户进行二次开发难度大。天线厂家对天线控制系统的设计还停留在一二十年前，缺乏更新和优化，其控制系统设计复杂，有很多不必要的功能依然保留，控制界面陈旧不友好，不符合当下射电观测者的操作习惯，很难满足日常的观测需求。传统天线控制软件通常采用C++语言编写，代码高达几百上千行，一般人员很难快速理解并掌握，用户如果需要对天线控制软件进行修改或者二次开发，就必须请天线厂家相关技术人员协助，无形中增加了天线控制系统的使用成本。
本发明所提出的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统,采用“PC机+可编程多轴运动控制卡+伺服电机”的开放式控制结构,并应用Python和PyQt5对天线控制软件进行设计，具有成本低、响应速度快、控制精度高、扩展性好、控制界面优化、软件二次开发容易等优点，可以很好地弥补当前抛物面天线市场的诸多不足。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法，能够以较低的投入成本自行开发和组建抛物面天线控制系统装置，并且能够减小天线过顶盲区，提高天线的跟踪精度。
为实现上述目的，本发明一种基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1.打开运动控制卡，与上位机建立连接；
S2.经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态；
S3.将天线当前的方位角与目标射电源的方位角进行比较、将天线当前的俯仰角与目标射电源的俯仰角分别进行比较，若方位角和俯仰角的角度误差均在±0.01度范围内，天线不动；若方位角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送方位控制指令给运动控制卡，以控制方位电机转动到目标射电源的方位角位置；若俯仰角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送俯仰控制指令给运动控制卡，以控制俯仰电机转动到目标射电源的俯仰角位置；
S4.在人机交互界面显示天线当前状态、在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时；显示当前操作命令的参数和天线的方位和俯仰角；
其中，S2的目标射电源的坐标转换中，基于本地恒星时和观测台站纬度，推导目标射电源赤道坐标与地平坐标的转换关系：
其中，HA为时角，LST为本地恒星时,LAT为当前台站地理纬度，RA为目标射电源的赤经，DEC为目标射电源的赤纬，AZ为方位角，ALT为俯仰角。
进一步，所述天线为口径小于4米的抛物面天线。
进一步，步骤S3中，俯仰电机的俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，方位电机的方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构。
进一步，俯仰“丝杠-涡轮减速机”传动比确定方式如下：
俯仰电机的主轴运动经“丝杠-涡轮减速机”传动后转化为丝杠直线运动，根据、/>和/>可进一步得到天线俯仰轴转速/>的表达式。俯仰电机额定转速为3000r/min，丝杠导程为/>，设“丝杠-涡轮减速机”传动比为/>，可进一步确定/>为：
(1)
根据余弦定理，有：
(2)
通过对(2)式求一阶导数可进一步得到
(3)
根据天线俯仰转速设计指标明确取值，再结合(1)式和(3)式最终可确定“丝杠-涡轮减速机”的传动比/>。
进一步，方位“回转减速机+行星减速机”传动比确定方式如下：
方位电机额定转速为3000r/min，回转减速机固定减速比1:71，设行星减速机传动比为，可进一步得到天线方位轴转速/>表达式为：
(4)
根据天线方位转速设计指标明确取值，由(4)式可确定“行星减速机”的传动比。
一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，所述系统用于实现根据本发明所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，所述系统包括：
上位机，所述上位机通过以太网建立其与运动控制卡之间的远程通信，并启动天线控制软件，然后发送控制指令给运动控制卡，实现对天线的远程控制；
运动控制卡，用于按上位机指令发送脉冲并控制驱动器，具有与上位机、驱动器、编码器、行程开关之间的通信接口；
驱动器，用于驱动伺服电机运转；
伺服电机包括俯仰电机和方位电机，俯仰电机和方位电机作为执行机构分别驱动天线俯仰和方位转动，使天线指向目标位置；
编码器，用于读取并反馈天线的当前位置；
其中，运动控制卡与上位机建立连接，经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态。
进一步，所述俯仰电机包括俯仰传动机构，所述方位电机包括方位传动机构，所述俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，用于将俯仰电机的主轴运动传输到天线俯仰轴；所述方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构，用于将方位电机的主轴运动传输到天线方位轴。
进一步，俯仰电机和方位电机均采用SD60AEA系列伺服电机，其额定转速为3000r/min。
进一步，由于系统传动误差，伺服电机自带的编码器反馈数据并不能反应天线俯仰轴和方位轴的真实转角；为准确测量并反馈天线俯仰和方位位置，在天线俯仰轴和方位轴上分别加装一台绝对值编码器。
进一步，所述绝对值编码器为单圈RS485绝对值编码器。
本发明的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法的有益效果如下：
以开放式多轴运动控制卡为核心，采用“PC机+运动控制卡+驱动器+执行机构+传动机构+反馈装置”的开放式控制结构，凑零为整，以较低的投入成本自行开发和组建抛物面天线控制系统装置，解决了抛物面天线控制系统整套定制价格贵、自行开发难度大的问题；
基于PYTHON和PyQt5，以较低的开发成本自行设计和开发一套天线远程控制软件，实现了对抛物面天线的远程控制，该软件设计语言简单、控制界面友好，便于二次开发，解决了传统抛物面天线控制软件设计复杂、界面陈旧，用户进行二次开发难度大等一系列问题。
针对传统天线控制系统存在过顶盲区的问题，本发明根据伺服电机具有恒转矩无级调速的特性，通过适当调节天线在天顶时的方位电机转速，在一定程度上减小了天线过顶盲区，提高了天线的跟踪精度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的天线控制系统原理图；
图2为根据本发明实施例的天线控制系统硬件模块接线图；
图3为根据本发明实施例的天线机械结构图；
图4为根据本发明实施例的俯仰“丝杠-涡轮减速机”传动结构示意图；
图5为根据本发明实施例的方位“回转减速机+行星减速机”传动结构示意图；
图6为根据本发明实施例的抛物面天线控制系统流程图；
图7为根据本发明实施例的天线远程控制软件示意图；
图8为根据本发明实施例的坐标转换流程图；
图9为根据本发明实施例的运动控制卡示意图；
其中，附图标记为：输入设备1、运动控制卡2、驱动器3、执行机构4、传动机构5、反馈装置6、反射面系统组件100、俯仰组件200、方位组件300、天线基座400、俯仰电机201、俯仰编码器202、丝杠-涡轮减速机203、方位电机301、方位编码器302、回转减速机303、行星减速机304。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1-图9所示，本发明一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统及控制方法，本发明中针对的天线为小天线，是指口径小于4米的抛物面天线。基于抛物面天线自动控制成本高、控制界面陈旧、软件二次开发难等技术背景，以抛物面天线控制系统中的软硬件平台的设计和实现为核心，针对天线控制系统的硬件设计、软件设计、电机的三环控制以及天线的上位控制平台设计等内容进行研究。
本发明中抛物面天线控制系统原理图如图1，天线控制系统包括：输入设备1，输入设备1为上位机，用于远程发送控制指令；运动控制卡2，用于按上位机指令发送脉冲并控制驱动器；驱动器3，用于驱动伺服电机运转；伺服电机包括俯仰电机201和方位电机301，作为执行机构4通过传动机构5驱动天线俯仰和方位转动，使天线指向目标位置；编码器，作为反馈装置6用于读取并反馈天线的当前位置，编码器包括俯仰编码器202和方位编码器302。其中输入设备包括操作面板、手轮、键盘鼠标、外部存储器等，通过输入设备可以将控制天线信息输入到控制系统中。运动控制卡是控制系统的核心部分，负责接收输入设备的信息和执行机构与传动机构的反馈信息，并对其进行分析处理后输出控制指令信息。驱动器和执行机构共同组成天线伺服系统，是天线控制系统的执行部分，驱动器接收运动控制卡发出的各种控制指令信息，驱动电机和编码器转动。传动机构是通过电机动力提供的运动方式，带动天线转动的过程。反馈装置的作用是将检测到的天线位置或速度反馈给运动控制卡，构成闭环控制，其监测元件为编码器。控制系统硬件模块接线图如图2，首先用网线将输入设备1和运动控制卡2连接起来，运动控制卡的轴1和轴2端分别连接俯仰电机201和方位电机301，同时与运动控制卡的RS-485串口连接。
天线的机械结构如图3所示，分为反射面系统组件100、俯仰组件200、方位组件300、天线基座400四个模块；其中俯仰组件200中包括俯仰电机201和俯仰编码器202，方位组件300包括方位电机301和方位编码器302。运动控制卡结构如图9所示，可见右上角又四个轴通道，分别称为轴1、轴2、轴3、轴4，目前只用了两个轴（轴1和轴2）；该轴称为控制轴，是运动控制卡用来控制电机转动的载体，可以理解为一个轴对应一个电机驱动器。
上位机1的功能主要是通过以太网建立其与运动控制卡之间的远程通信，并启动天线控制软件，然后发送控制指令给运动控制卡，实现对天线的远程控制。优先选用具有普适性的通用设备。上位机可以使用专用服务器或工作站，也可以是实验室普通笔记本电脑。这样选型的优点是：1）实现上位机低成本投入；2）上位机的可替代性好，便于研究和学习，入门门槛较低。
运动控制卡2作为天线控制系统的核心，需要考虑其与上位机1、驱动器3、编码器、行程开关等设备的通信接口，运动控制卡的控制轴通道数，以及运动控制卡的I/O扩展性等因素。运动控制卡设置为支持多轴联控，并配备有RS485串行接口和以太网接口。本发明优选运动控制卡选型为ETH_GAS_N型多轴联动运动控制卡，该运动控制卡具有以下优点：1）具有现成的应用编程接口（API）,提供VC++/C#动态库，支持PYTHON语言开发；2）自身有16路通用输入/输出，采用光耦隔离，抗干扰能力强；3）支持IO扩展，最大可扩展至2048输入/2048输出；4）支持以太网或者串口编程，支持绝对编码器数据反馈；5）脉冲输出最高频率达2MHz；6）支持多轴联动，可扩展性好，最多可扩展至2000个轴通道。
抛物面天线的运转属于精密运动，3米口径抛物面天线在频率为1GHz对应的波束宽度为5.7°，抛物面天线的控制精度通常要求小于其波束宽度的十分之一，要求3米口径抛物面天线的控制精度至少要优于0.57°，显然普通电机很难满足抛物面天线的精度要求。本发明选择电机驱动的原则是：在满足天线控制精度的前提下，能够实现恒转矩无级调速的电机。通过仔细研究和市场充分调研，优选使用国产SD60AEA系列伺服电机，与其配套的驱动器型号为SD300-20AL-GBN，该系列伺服电机及其驱动器具有以下优点：1）集速度控制、位置控制、转矩控制于一体，位置控制精度高，可实现恒转矩无级调速；2）适配反馈单元，具体有增量式编码器和绝对式编码器可选；3）选用新型工业级IPM模块，过载驱动能力强；4）具备完善的故障保护和状态监视功能；5）具有优异的低速转矩特性和动态加减速性能。
对于传动机构，天线的俯仰电机和方位电机的主轴运动需经过传动机构才能传输到天线俯仰轴和方位轴。俯仰电机和方位电机均采用SD60AEA系列伺服电机，其额定转速为3000r/min，而天线在低速运行时，其俯仰和方位转速应低于（天线半功率波束宽度的十分之一），且最高转速不超过/>，为满足天线的转速设计要求，需选择合适的减速传动机构。根据3米口径抛物面天线的结构设计，如图4所示，本发明中俯仰传动机构为丝杠-涡轮减速机203，方位传动机构为回转减速机303和行星减速机304的组合传动机构。
俯仰“丝杠-涡轮减速机”传动比确定方式如下：
SWL1T基本型“丝杠-涡轮减速机”提供的固定减速传动比有1:6、1:12、1:24、1:32、1:36等5种，需进一步确定其传动比。如图4所示，俯仰电机的主轴运动经“丝杠-涡轮减速机”传动后转化为丝杠直线运动，根据/>、/>和/>(丝杠的运动速度)可进一步得到天线俯仰轴转速/>的表达式。俯仰电机额定转速为/>，丝杠导程为/>，设“丝杠-涡轮减速机”传动比为/>，可进一步确定丝杠的运动速度/>为：
(1)
根据余弦定理，有
(2)
通过对(2)式求一阶导数可进一步得到
(3)
根据天线俯仰转速设计指标明确俯仰轴转速取值，再结合(1)式和(3)式最终可确定“丝杠-涡轮减速机”的传动比/>。/>、/>、/>如图4标注所示，/>和/>为固定值，其中/>，/>，俯仰角α=90°时/>。例如要求俯仰转速/>度/秒，计算“丝杠-涡轮减速机”的传动比，由公式1得/>带入公式3得/>，因此采用“丝杠-涡轮减速机”的减速传动比为1:24。
方位“回转减速机+行星减速机”传动比确定方式如下：
根据3米口径抛物面天线的结构设计方案，其方位传动机构采用“回转减速机+行星减速机”复合传动机构，如图5所示。通过调研，目前SEA7液压卧式回转减速机具有传动精度高、轴向承载能力强等优点，其额定驱动转矩为，而PL60N005SD型精密行星减速机传动比有多种选择，需要进一步确定其传动比。方位电机额定转速为/>，回转减速机固定减速比1:71，设行星减速机传动比为/>，可进一步得到天线方位轴转速/>表达式为
(4)
根据天线方位转速设计指标明确取值，由(4)式可确定“行星减速机”的传动比。当方位转速/>为最低速/>时，通过公式4得出y=445；当方位转速/>为最高速时，得出y=169，因此y的范围在[169,445]之间，本设计采用1:200作为行星减速机传动比。
电机作为天线控制系统的执行机构，其主轴回转输出后，经回转减速机或丝杠涡轮减速机等传动机构传输到天线俯仰轴和方位轴，由于系统传动误差不可避免，伺服电机自带的编码器反馈数据并不能反应天线俯仰轴和方位轴的真实转角。为准确测量并反馈天线俯仰和方位位置，本发明在天线俯仰轴和方位轴上分别加装一台绝对值编码器。优选国产单圈RS485绝对值编码器,其优点如下：1）具有位置测量、速度测量、方向测量功能；2）能够测量绝对位置，精度最高可以达到15位；3）具有掉电恢复功能，抗干扰能力强；4）通信协议简单，与运动控制卡高度匹配，支持多轴并联反馈。
图6为抛物面天线控制方法流程图，具体包括以下步骤：
S1.打开运动控制卡，与上位机建立连接；首先手动将电脑IP地址设置为192.168.0.200，之后能通过代码MC_Open(0,“192.168.0.200”)打开板卡，其中0代表打开方式为网口，因为电脑和运动控制卡是通过网线连接。
S2.经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态；
目标射电源坐标转换具体流程如图8所示，具体包括如下步骤：
S21.首先获取当前台站地理经纬度；
S22.然后读取计算机系统时间并将其转换成国际标准时间；
S23.进而计算本地恒星时LST，如式(1)所示，
(1)
式中m为地方平时，M为与m对应的格林尼治平时S0为当日的世界时0h的恒星时，u=1/365.2422。例如计算贵阳花溪(经度λ=7h0m26.16s)9月30日北京时间15h44m时的地方恒星时，由已知的北京时间求贵阳地方平时m=15h44m+(7h0m26.16s-8h)=14h44m26.16s;查天文普及年历可知9月30日世界时0h的恒星时S0=23h17m33.36s；由地方时m求对应的格林尼治平时M=m-λ=7h44m，进一步求得u*M=0m7.2s，所以本地恒星时LST=m+S0+u*M=15h27m00s。
S24.最后基于本地恒星时和观测台站纬度，可推导目标射电源赤道坐标(赤经RA,赤纬DEC)与地平坐标(方位角AZ,俯仰角ALT)的转换关系,如式(2)所示，
(2)
其中，HA为时角，LAT为当前台站地理纬度，RA为目标射电源的赤经，DEC为目标射电源的赤纬，AZ为方位角，ALT为俯仰角。例如求目标射电源(赤经:15:35:20.611,赤纬:-45:10:34.871)在北京时间15h44m时的方位角和俯仰角，HA=15h27m-15h35m20.611s=23h52m20.611s，而DEC=-45d10m34.871s，LAT=26.384°，求出俯仰角ALT=17.493°，方位角AZ=188.752°。
天线状态包括方位角、俯仰角、旋转速度和旋转方向四个参数，这些参数都是通过编码器获取，具体通过发送方位查询指令(01 03 00 09 00 04 94 38)和俯仰查询指令(0203 00 09 00 04 94 38)获取。例如发送方位查询指令之后，接收到的编码器返回值为‘0103 08 00 20 41 7A 00 01 00 07 72 CC’，需要对其进行解码；解码的过程如下：首先计算编码器当前旋转圈数为0x0020417A，转换为10进制为2113914圈；方位角为(2113914/4096)*360=132.89°;旋转方向为1，代表顺时针方向，2代表逆时针。
S3.将天线当前位置与目标位置进行比较，若角度误差在±0.01内，则天线不动，否则就控制电机转动到目标位置，并自动跟踪目标射电源；
具体为：将天线当前的方位角与目标射电源的方位角进行比较、将天线当前的俯仰角与目标射电源的俯仰角分别进行比较，若方位角和俯仰角的角度误差均在±0.01度范围内，天线不动；若方位角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送方位控制指令给运动控制卡，以控制方位电机转动到目标射电源的方位角位置；若俯仰角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送俯仰控制指令给运动控制卡，以控制俯仰电机转动到目标射电源的俯仰角位置。
通过S2获取到目标射电源的方位角、俯仰角以及天线当前位置的方位角、俯仰角的值后，即可对其进行数值运算计算他们之间的角度差，将天线的实际位置（方位、俯仰）减去目标射电源的位置（方位、俯仰）即得到对应的方位和俯仰的角度差；如目标射电源的坐标为俯仰角17.493度、方位角188.752度，天线的位置为俯仰角56.34度、方位角132.89度，可得俯仰角度差为17.493-56.34=-38.847°、方位角度差为188.752-132.89=55.862°。有了这两个误差值，就可计算天线应该往哪个方向转动才能定位到目标射电源。例如当前天线俯仰角56.34°>目标射电源俯仰角17.493°，因此应控制电机逆时针旋转38.847°。具体控制原理为：当误差值<0时(即当天线的方位角小于目标射电源的方位角或天线的俯仰角小于目标射电源的俯仰角)，控制天线逆时针旋转，同时每隔1秒读取一次天线的当前位置，并实时计算误差值，当误差值小于0.01时，发送停止指令停止转动。由于电机具有惯性，因此当误差值大于0.5度时采用第一速度（高速）转动，当小于0.1度时调整为第二速度（低速）转动，此处的第一速度（高速）和第二速度（低速）的具体数值通过上面计算的传动比来设计。
S4.在人机交互界面显示天线当前状态、在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时；显示当前操作命令的参数和天线的方位角和俯仰角。
图7为抛物面天线控制系统的软件界面，也即是人机交互界面。人机界面是系统与用户之间进行交互的信息交换的媒介，它的到来为人们对于运动控制系统的控制与操作提供了极大的方便，人机界面可以让天文观测者轻松地依靠鼠标和键盘对天线运动状态进行操作。本发明利用PyQt5对天线远程控制系统创建了人机界面，使用者可以自由地配置任何参数，也可以根据天线实际位置随时进行调整。与此同时，天线的运行状态可以随时观察调控，当上位机和运动控制卡之间的通信断开时，可及时地发出警告提醒。
人机交互界面实现的主要功能包括：实现上位机和运动控制卡的通讯功能。运转天线时，点击‘打开板卡’按钮，建立通信连接；停止天线使用时，点击‘复位板卡’按钮，停止运动卡的控制功能。实现天线手动控制功能。通过点击界面中的‘上转’、‘下转’按钮控制天线俯仰方位转动；通过‘顺转’、‘逆转’按钮控制方位电机转动，用于完成较简单的运动控制。
实现目标射电源自动跟踪功能。通过选择要观测的目标射电源，点击跟踪按钮，实现对目标射电源的实时跟踪功能。其原理：系统会自动获取目标射电源的赤经赤纬，通过公式1和2将赤道坐标转换成地平坐标之后，即得到目标射电源对应的方位俯仰，并且每隔1秒更新一次，确保实时性；通过RS485协议向运动控制卡发送天线状态(方位和俯仰值)查询指令（其中俯仰查询指令为：02 03 00 09 00 04 94 38；方位查询指令为：01 03 00 09 0004 94 38）即可获取天线当前的位置，再将天线方位角和俯仰角与目标射电源的方位角和俯仰角的位置分别做对比，判断天线的旋转方向和速度（例如天线俯仰小于目标射电源俯仰，且角度差大于0.5度时，应控制天线俯仰角增加，即俯仰电机顺时针高速旋转），并将对应的控制指令发送给运动控制卡实现天线跟踪目标射电源的目的。对应的高速上转指令为：
Def high_up():
jp = JopPrm() #设置运动参数
jp.dSmooth = 0 #平滑时间
jp.dAcc = 0 #加速度
jp.dDec = 0 #减速度
Axis = 1 #转动轴设为俯仰电机，0代表方位电机
GA_SetJogPrm(Axis,jp) #读取运动参数
GA_AxisOn(Axis) #设置轴1使能
GA_SetVel(Axis,c_double(200)) #设置俯仰转速
GA_Update(0XFF) #启动运动
显示天线当前状态等信息。在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时等数据；显示当前操作命令的参数和天线的方位和俯仰角，方便用户及时了解天线系统的运动状态。
硬件部分：
选用ETH_GAS_N型多轴联动运动控制卡作为天线控制系统核心，并提供应用编程接口（API）,提供VC++/C#动态库，支持PYTHON语言开发，极大地提高了天线控制系统自行开发的性能；选用“伺服电机+伺服驱动”成套设备作为天线控制系统的驱动执行机构，具有位置控制精度高、过载驱动能力强、支持恒转矩无级调速等优点，极大地提高了天线控制系统的驱动执行机构性能；
选用国产单圈RS485绝对值编码器作为天线闭环控制回路的反馈装置,具有测量精度高、抗干扰能力强、通信协议简单、支持多轴并联反馈等优点，极大地提高了天线控制系统的反馈装置性能；
软件部分：
上位机运行可采用Windows系统或Linux系统，可实现复杂的目标射电源运动轨迹规划，同时也可以实现人机交互界面的控制；控制软件界面友好简洁，编程控制、操作流程明晰易懂，扩展性和移植性强；通过采用面向对象的模块化设计方法，使系统在开放性、连续性、自动化和高速化方面有较好性能，便于维护、升级和二次开发。
如图7所示为本系统的软件界面，其中左上角为极坐标系，用来绘制目标射电源的运动轨迹，如黄色线代表月亮的运动轨迹，蓝线为太阳的运动轨迹，两个红点分别为太阳月亮当前所处的位置；左下角显示了太阳、月亮和其他目标射电源的赤经、赤纬，以及对应的方位、俯仰；中上部分为时间信息模块，分别展示了北京时间、格林威治时间、本地恒星时间，其中北京时和格林时相差8个小时；中下部分为控制模块，分为手动控制和自动控制，其中手动控制有两种方式，第一种为手动输入指定的方位角或俯仰角，点击确定按钮，天线开始旋转直至到目标位置才停止。第二种为旋转天线的旋转方向，点击对应的旋转按钮（上转、下转、顺转、逆转），天线开始转动，点击停止按钮，天线停止转动。手动控制模块是选择需要跟踪的目标射电源之后，点击跟踪按钮，天线开始转动到目标射电源位置，并且实时跟踪，并且当前值地方会显示天线的当前位置，引导值地方显示跟踪源的位置，误差值为当前值和引导值的差值；右侧部分为目标射电源文件导入及显示模块，具体步骤为点击浏览按钮，选择目标射电源文件所在的路径，点击提交按钮之后，便开始显示目标射电源的信息，如源名、赤经、赤纬、波段、观测时长等信息，再点击确定按钮，相应源的运动轨迹即可绘制在左上角的坐标系里。
技术关键点；
1）以开放式多轴运动控制卡为核心，采用“PC机+运动控制卡+驱动器+执行机构+传动机构+反馈装置”的开放式控制结构，凑零为整，以较低的投入成本自行开发和组建抛物面天线控制系统装置，解决了抛物面天线控制系统整套定制价格贵、自行开发难度大的问题；
2）基于PYTHON和PyQt5，以较低的开发成本自行设计和开发一套天线远程控制软件，实现了对抛物面天线的远程控制，该软件设计语言简单、控制界面友好，便于二次开发，解决了传统抛物面天线控制软件设计复杂、界面陈旧，用户进行二次开发难度大等一系列问题。
3）针对传统天线控制系统存在过顶盲区的问题，本发明根据伺服电机具有恒转矩无级调速的特性，通过适当调节天线在天顶时的方位电机转速，在一定程度上减小了天线过顶盲区，提高了天线的跟踪精度。
过顶盲区：之所以出现过顶盲区这种现象，对公式1(AZ)求一阶导数可发现，当俯仰角ALT趋近于90°时，方位角角速度趋近于+∞，即当脉冲星进入天顶区域后，速度变化十分强烈，以至于天线很难跟踪脉冲星，从而形成过顶盲区。目前解决该问题的办法有“方位轴倾斜办法”和“增设次俯仰轴办法”，这两种方法均基于机械设计方面，比较麻烦，因此本发明独创采用程序引导方法解决过顶盲区问题，具体步骤如下。
解决过顶盲区的办法：1）目标天体的高度低于70°时，系统对目标射电源自动跟踪，同时根据观测时长，对目标射电源的运动轨迹进行预处理，预判其下一秒的运动方向。例如在北京时间10月12日19点40分时，计划对太阳观测3600秒（即19点40分-20点40分），首先获取这3600秒内太阳每一秒的赤经和赤纬，得到两个长度为3600的列表，再通过坐标转换公式，把每一秒对应的赤经赤纬转换成方位和俯仰，即得到太阳在未来3600秒的运动方向。2）通过第一步的预判，目标射电源处于天线的天顶位置，即目标射电源的高度处于在[70,90]度区间时，系统将天线盲区提前偏置预定角度，解决目标进入跟踪盲区的问题。例如当目标射电源的俯仰为85°时，系统将发送85.5°（85+0.5）的转动指令给天线，同理，其他角度也是一样。3）当目标射电源的俯仰高度低于70度后，系统则停止天线提前偏置的预定角度，而是发送目标射电源的实际位置给天线即可。使用程序引导方法使跟踪结构轻便又有很高的跟踪精度。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。
上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。

Claims (10)

1.一种基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.打开运动控制卡，与上位机建立连接；
S2.经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态；
S3.将天线当前的方位角与目标射电源的方位角进行比较、将天线当前的俯仰角与目标射电源的俯仰角分别进行比较，若方位角和俯仰角的角度误差均在±0.01度范围内，天线不动；若方位角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送方位控制指令给运动控制卡，以控制方位电机转动到目标射电源的方位角位置；若俯仰角误差大于0.01度或者小于-0.01度，上位机通过发送俯仰控制指令给运动控制卡，以控制俯仰电机转动到目标射电源的俯仰角位置；
S4.在人机交互界面显示天线当前状态、在球形坐标系中显示观测源的轨迹；同时显示系统时间、格林威治时间、本地恒星时；显示当前操作命令的参数和天线的方位和俯仰角；
其中，目标射电源坐标转换，包括如下步骤：
S21.首先获取当前台站地理经纬度；
S22.然后读取计算机系统时间并将其转换成国际标准时间；
S23.进而计算本地恒星时LST：
式中m为地方平时，M为与m对应的格林尼治平时，为当日的世界时0h的恒星时，u=1/365.2422；
S24.基于本地恒星时和观测台站纬度，推导目标射电源赤道坐标与地平坐标的转换关系：
其中，HA为时角，LST为本地恒星时,LAT为当前台站地理纬度，RA为目标射电源的赤经，DEC为目标射电源的赤纬，AZ为方位角，ALT为俯仰角。
2.根据权利要求1所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，其特征在于，所述天线为口径小于4米的抛物面天线。
3.根据权利要求1所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，其特征在于，步骤S3中，俯仰电机的俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，方位电机的方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构。
4.根据权利要求3所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，其特征在于，俯仰“丝杠-涡轮减速机”传动比确定方式如下：
俯仰电机的主轴运动经“丝杠-涡轮减速机”传动后转化为丝杠直线运动距离，根据、/>和/>可进一步得到天线俯仰轴转速/>的表达式；俯仰电机额定转速为3000r/min，丝杠导程为/>，设“丝杠-涡轮减速机”传动比为/>，可进一步确定丝杠的运动速度/>为：
(1)
根据余弦定理，有：
(2)
通过对(2)式求一阶导数可进一步得到
(3)
根据天线俯仰转速设计指标明确俯仰轴转速取值，再结合(1)式和(3)式最终可确定“丝杠-涡轮减速机”的传动比/>，/>为俯仰角；丝杠的运动速度/>的单位为m/s，/>为俯仰驱动铰链中心与俯仰轴之间的距离，/>为丝杠-背架铰链中心与俯仰轴之间的距离。
5.根据权利要求3所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，其特征在于，方位“回转减速机+行星减速机”传动比确定方式如下：
方位电机额定转速为3000r/min，回转减速机固定减速比，设行星减速机传动比为/>，可进一步得到天线方位轴转速/>表达式为
(4)
根据天线方位转速设计指标明确取值，由(4)式可确定“行星减速机”的传动比/>；天线方位轴转速/>的单位为°/s。
6.一种基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，其特征在于，所述系统用于实现根据权利要求1-5任一项所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制方法，所述系统包括：
上位机，所述上位机通过以太网建立其与运动控制卡之间的远程通信，并启动天线控制软件，然后发送控制指令给运动控制卡，实现对天线的远程控制；
运动控制卡，用于按上位机指令发送脉冲并控制驱动器，具有与上位机、驱动器、编码器、行程开关之间的通信接口；
驱动器，用于驱动伺服电机运转；
伺服电机包括俯仰电机和方位电机，俯仰电机和方位电机作为执行机构分别驱动天线俯仰和方位转动，使天线指向目标位置；
编码器，用于读取并反馈天线的当前位置；
其中，运动控制卡与上位机建立连接，经坐标转换，将目标射电源的赤经赤纬转换成地平坐标系对应的方位俯仰；再通过读取编码器的值，获取天线当前的位置状态。
7.根据权利要求6所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，其特征在于，所述俯仰电机包括俯仰传动机构，所述方位电机包括方位传动机构，所述俯仰传动机构设置为“丝杠-涡轮减速机”传动机构，用于将俯仰电机的主轴运动传输到天线俯仰轴；所述方位传动机构设置为“回转减速机+行星减速机”组合传动机构，用于将方位电机的主轴运动传输到天线方位轴。
8.根据权利要求7所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，其特征在于，俯仰电机和方位电机均采用SD60AEA系列伺服电机，其额定转速为3000r/min。
9.根据权利要求8所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，其特征在于，由于系统传动误差，伺服电机自带的编码器反馈数据并不能反应天线俯仰轴和方位轴的真实转角；为准确测量并反馈天线俯仰和方位位置，在天线俯仰轴和方位轴上分别加装一台绝对值编码器。
10.根据权利要求9所述的基于运动控制卡的抛物面天线控制系统，其特征在于，所述绝对值编码器为单圈RS485绝对值编码器。
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