CN117434885A - 卫星通信天线伺服系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信技术领域，提供一种卫星通信天线伺服系统及控制方法，解决了现有技术中测控过程中信号质量的监测不够准确的技术问题。其中，该卫星通信天线伺服系统包括PLC、天线驱动模块、授时模块和跟踪接收机模块；其中，所述PLC用于根据输入信息生成控制指令，并向所述天线驱动模块发送所述控制指令；所述天线驱动模块用于根据所述控制指令后驱动天线转动并向所述PLC发送反馈信息；所述授时模块用于修正所述PLC的精确时间；所述跟踪接收机模块用于向所述PLC反馈天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；其中，所述PLC还用于根据所述偏差信息和/或所述反馈信息生成修正指令，并向所述天线驱动模块发送所述修正指令以驱动天线转动。

Description

卫星通信天线伺服系统及控制方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种卫星通信天线伺服系统及控制方法。

背景技术

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。早期的可编程逻辑控制器只有逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断地发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制、时序控制、模拟控制、多机通信等各类功能。

伺服系统一直是卫星通信天线的核心组成部分，而伺服系统的性能，直接决定天线是否能够精确跟踪高速运动的目标。得益于近年PLC的迅速发展，如今PLC内部已经能够进行较为复杂的运动控制，可以满足天线对于卫星的跟踪。

现有的技术中，公开号为CN116931603A、发明名称为一种天线寻星跟踪控制系统及方法的发明专利申请通过上位机以及天线控制单元和天线驱动单元对卫星轨道进行计算，继而驱动电机控制天线转动以实现卫星跟踪。

但是，根据以下公式：

其中，是天线半功率波束宽度，D为天线直径，f工作频率，λ工作波长。在工作频率不变的情况下，天线直径越大，半功率波束宽度越小，而跟踪精度通常为半功率波束宽度的十分之一，意味着对跟踪精度要求越高，没有精确授时难以跟踪目标。同时，天线直径增大后，天线质量增加，若控制不当产生机械碰撞，则可能出现安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信天线伺服系统及控制方法，用于解决现有技术中天线对卫星的追踪精度不够高的技术问题。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种卫星通信天线伺服系统，包括PLC、天线驱动模块、授时模块和跟踪接收机模块；其中，所述PLC连接于所述天线驱动模块和所述授时模块，所述跟踪接收机模块连接于所述授时模块；

所述PLC用于根据输入信息生成控制指令，并向所述天线驱动模块发送所述控制指令；

所述天线驱动模块用于根据所述控制指令后驱动天线转动并向所述PLC发送反馈信息；

所述授时模块用于修正所述PLC的精确时间；

所述跟踪接收机模块用于向所述PLC反馈天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；

其中，所述PLC还用于根据所述偏差信息和/或所述反馈信息生成修正指令，并向所述天线驱动模块发送所述修正指令以驱动天线转动。

进一步的，还包括连接于所述PLC的IO（英文全拼：In/Out；中文翻译：输入输出）信号传感器；所述IO信号传感器用于对天线的运动进行安全检测并向所述PLC反馈表征检测结果的IO信号；其中，所述PLC还用于在所述IO信号表征检测结果异常时输出异常信息和/或向所述天线驱动模块发送停止运动控制指令。

进一步的，还包括均连接于所述PLC的蜂鸣器和异常指示灯；所述PLC还用于在所述IO信号表征检测结果异常时控制所述蜂鸣器响起和所述异常指示灯亮起。

进一步的，所述IO信号传感器反馈的IO信号包括以下信号中的一种或多种：各个转台的正反方向的终限位信号、预限位信号；以及急停按钮输入信号、抱闸状态控制输出信号、抱闸状态反馈信号、天线舱门是否打开的输入信号、蜂鸣器控制输出信号、控制柜急停输入信号、俯仰插销是否锁定输入信号。

进一步的，所述天线驱动模块包括：连接于所述PLC的驱动器、连接于所述驱动器的伺服电机、连接于所述伺服电机和所述驱动器的编码器；其中，所述驱动器用于接收所述控制指令进而控制所述伺服电机运行；所述伺服电机用于带动所述编码器和所述天线转动；所述编码器用于将编码器读数信息反馈给驱动器，所述驱动器用于将所述编码器读数信息和所述伺服电机的电流信息反馈给所述PLC。

进一步的，所述授时模块还用于按照预设频率更新精确到纳秒级的时间，所述PLC根据所述纳秒级的时间修正到毫秒级的精确时间。

进一步的，还包括均连接于所述PLC的通信接口和触控屏；其中，所述通信接口用于接收上位机的输入信息；所述PLC还用于根据所述触控屏接收的触控指令生成输入信息。

进一步的，所述伺服电机包括：用于调整天线俯仰角的俯仰电机、用于调整天线极化角的极化电机和用于调整天线方位角的方位电机。

作为本发明的第二个方面，提供了一种卫星通信天线控制方法，应用于第一方面中任一项所述的卫星通信天线伺服系统，所述方法包括以下步骤：

接收输入信息；

基于授时模块修正后的精确时间以及所述输入信息生成控制指令；

基于所述控制指令，通过天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

进一步的，所述方法还包括：

接收跟踪接收机模块反馈的天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；

接收所述天线驱动模块的反馈信息；

根据所述偏差信息和/或所述反馈信息，生成修正指令；

基于所述修正指令，通过所述天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

进一步的，所述方法还包括：

接收IO信号传感器传输的IO信号；

根据所述IO信号，确认所述天线的运动存在异常；

输出异常信息和/或向所述天线驱动模块发送停止运动控制指令。

作为本发明的第三个方面，本发明提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述第二方面中任一项所述的方法。

本发明的有益效果是：

本发明通过PLC的高实时性和授时模块的高精度时间同步协议，可以精确授时，进而与多个外部模块进行实时交互，可以实现控制天线对于卫星的精确跟踪，解决了现有技术中天线对卫星的追踪精度不够高的技术问题。另外，通过增加IO信号传感器对天线的运动进行安全检测，相当于添加了安全检测的信号模块，可以在天线直径增大后，若控制不当产生机械碰撞，也可以随时检测到，进而控制天线停止转动，解决了现有技术中天线直径增大后的安全问题，进一步提高了天线对于卫星的追踪精度。

附图说明

图1示意性示出了一种卫星通信天线伺服系统框图；

图2示意性示出了图1中天线驱动模块框图；

图3示意性示出了另一种卫星通信天线伺服系统框图；

图4示意性示出了PLC中轴控制模块的工作流程图；

图5示意性示出了关于IO信号传感器的工作流程图；

图6示意性示出了一种卫星通信天线控制方法步骤示意图；

图7示意性示出了卫星跟踪效果展示图；

图8示意性示出了另一种卫星通信天线控制方法步骤示意图；

图9示意性示出了一种计算机可读介质的框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

根据本发明的第一个具体实施方式，本发明提供一种卫星通信天线伺服系统，如图1所示，该卫星通信天线伺服系统10包括PLC11、天线驱动模块12、授时模块13和跟踪接收机模块14。其中，PLC11连接于天线驱动模块12和授时模块13，授时模块13连接于授时模块13。

接下来，对卫星通信天线伺服系统10的各个模块分别阐述。

所述PLC用于根据输入信息生成控制指令，并向所述天线驱动模块发送所述控制指令。其中，所述输入信息可以来自上位机远控软件的输入，也可以是本机控制输入。

如图1所示，卫星通信天线伺服系统10还可以包括均连接于所述PLC的通信接口15和触控屏16；其中，通信接口15用于接收上位机的输入信息；PLC11还用于触控屏16接收的触控指令生成输入信息。

图3示意性示出了另一种卫星通信天线伺服系统框图，如图3所示，上位机远控软件可以通过Modbus TCP的方式与PLC进行通信，传输各个电机轴的运动模式、以及运动参数，包括速度运行模式切换标识及速度指令、位置模式切换标识及位置指令，以及卫星轨道跟踪序列的时间及对应方位俯仰角等内容；本控控制则通过触摸屏的点击完成速度运行模式切换标识及速度指令、位置模式切换标识及位置指令等较为简单的指令。

所述天线驱动模块用于根据所述控制指令后驱动天线转动并向所述PLC发送反馈信息。图2示意性示出了图1中天线驱动模块框图，如图2和图3所示，天线驱动模块12包括：连接于所述PLC的驱动器121、连接于驱动器121的伺服电机122、连接于伺服电机122和驱动器121的编码器123。其中，驱动器121用于接收所述控制指令进而控制伺服电机122运行；伺服电机122用于带动编码器123和所述天线转动；编码器123用于将编码器读数信息反馈给驱动器121，驱动器121用于将所述编码器读数信息和伺服电机122的电流信息反馈给所述PLC。PLC拿到反馈信息后，通过计算，下发新的控制指令。

可选的，所述伺服电机可以包括：用于调整天线俯仰角的俯仰电机、用于调整天线极化角的极化电机和用于调整天线方位角的方位电机。

如图1和图3所示，授时模块13用于修正PLC11的精确时间，跟踪接收机模块14用于向PLC11反馈天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息。进一步的，授时模块13还用于按照预设频率更新精确到纳秒级的时间，PLC11根据所述纳秒级的时间修正到毫秒级的精确时间。

例如，授时模块、跟踪接收机通过串口RS485转EtherCAT的方式与PLC进行通信。授时模块给予PLC精确到毫秒的高精度授时，确保PLC在进行位置控制追踪卫星时可以确保时间精度。跟踪接收机在天线跟踪卫星过程中反馈出天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向偏差，通过这两个方向的偏差信号，PLC对天线的运动进行修正，进而使得天线精确指向卫星。

请继续参照图1和图3，卫星通信天线伺服系统10还可以包括连接于PLC11的IO信号传感器17。IO信号传感器17用于对天线的运动进行安全检测并向PLC11反馈表征检测结果的IO信号。其中，PLC11还用于在所述IO信号表征检测结果异常时输出异常信息和/或向天线驱动模块12发送停止运动控制指令。

进一步的，卫星通信天线伺服系统还可以包括均连接于所述PLC的蜂鸣器（图中未示出）和异常指示灯（图中未示出）。所述PLC还用于在所述IO信号表征检测结果异常时控制所述蜂鸣器响起和所述异常指示灯亮起。

进一步的，所述IO信号传感器反馈的IO信号包括以下信号中的一种或多种：各个转台的正反方向的终限位信号、预限位信号；以及急停按钮输入信号、抱闸状态控制输出信号、抱闸状态反馈信号、天线舱门是否打开的输入信号、蜂鸣器控制输出信号、控制柜急停输入信号、俯仰插销是否锁定输入信号。

接下来对PLC内部的工作流程进行阐述：PLC内部的工作流程可以包括如下步骤：

S1，PLC内部程序进行初始化。

S2，判断伺服系统当前工作模式是上位机远控还是本控。

与上位机的Modbus TCP通信模块按照10Hz的频率接收上位机指令。本控界面也按照10Hz的方式采集触摸屏输入控制。

S3，PLC中可以设置轴控制模块，即用于决策如何控制伺服电机轴的运转。轴控制模块根据本控和远控的区别，从Modbus TCP传输过来的数据或本控界面取得相应的指令。并按照1000Hz的频率将控制指令下发到驱动器，由驱动器控制电机转动，与此同时将编码器位置、电机电流等反馈信息通过驱动器上报到PLC，完成闭环控制。此外，将轴控制模块进行区分解耦，方便上位机进行交互，详细流程图如图4所示。

S4，同时IO信号传感器按照EtherCAT通信频率250Hz读取IO信号，判断系统是否出现安全事故，确认是否停机。例如，当天线舱门打开，则PLC内部输出错误代码，蜂鸣器响起，异常指示灯亮起。流程图如图5所示。

S5，同时，授时模块按照1Hz的频率更新精确时间（纳秒级）到PLC内，PLC通过授时模块精确时间（纳秒级）修正本机时间到精确时间（毫秒级），若轴控制模块进入程序引导模式，则依据毫秒级精确时间，根据20Hz的进行三次样条插值，拟合出精确的卫星轨道当前时刻位置，转化为方位俯仰值，对电机进行控制。整体流程如图6所示。

S6，跟踪接收机也按照EtherCAT的通信频率250Hz向PLC上报误差电压数据（即天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息），当上位机下自跟踪后，将会在插值的结果上叠加跟踪接收机的修正量，使天线进一步对准目标。

本申请发明人按照本申请的卫星通信天线伺服系统进行卫星跟踪验证，卫星跟踪效果如图7所示，跟踪效果展示图可以看出，在仰角60°的轨道跟踪过程中，除个别采样抖动点外，方位俯仰跟踪误差都在0.005°以下。

本发明提供一种基于PLC的卫星通信天线伺服系统，该系统包含一个PLC、至少一个驱动器、至少一个伺服电机、至少一个编码器、IO信号传感器、高精度时间同步协议授时模块、跟踪接收机模块。可以通过本控和上位机两种方式控制PLC对驱动器下发指令，进而控制伺服电机实现对天线进行运动控制；通过IO信号传感器对轴的安全运动进行检测，在出现异常时使伺服系统停止工作，也就是说本系统安全性强，可以通过PLC内部设置软限位等逻辑保护、IO信号等进行二次保护；通过高精度时间同步协议授时模块、跟踪接收机模块，实时性高，可以实现多设备实时交互，获取多种信息，精确跟踪卫星目标。

另外，本领域技术人员可以在本系统上，比较容易地对PLC解耦出用于控制伺服运动的轴控制模块，能够降低上位机站控软件的复杂性。

作为本发明的第二个方面，请参照图8，本发明还提供了一种卫星通信天线控制方法，应用于图1所示的卫星通信天线伺服系统10，所述方法包括以下步骤：

S11，接收输入信息；

S12，基于授时模块修正后的精确时间以及所述输入信息生成控制指令；

S13，基于所述控制指令，通过天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

进一步的，所述方法还可以包括：

S14，接收跟踪接收机模块反馈的天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；

S15，接收所述天线驱动模块的反馈信息；

S16，根据所述偏差信息和/或所述反馈信息，生成修正指令；

S17，基于所述修正指令，通过所述天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

进一步的，所述方法还可以包括：

S18，接收IO信号传感器传输的IO信号；

S19，根据所述IO信号，确认所述天线的运动存在异常；

S20，输出异常信息和/或向所述天线驱动模块发送停止运动控制指令。

根据本发明的第三个具体实施方式，本发明提供一种计算机可读介质。如图9所示，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行根据本发明实施方式的上述方法。

所述软件产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

所述计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该计算机可读介质实现如下功能：接收输入信息；基于授时模块修正后的精确时间以及所述输入信息生成控制指令；基于所述控制指令，通过天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化唯一不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等）执行根据本发明实施例的方法。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星通信天线伺服系统，其特征在于，包括PLC、天线驱动模块、授时模块和跟踪接收机模块；其中，所述PLC连接于所述天线驱动模块和所述授时模块，所述跟踪接收机模块连接于所述授时模块；

所述PLC用于根据输入信息生成控制指令，并向所述天线驱动模块发送所述控制指令；

所述天线驱动模块用于根据所述控制指令后驱动天线转动并向所述PLC发送反馈信息；

所述授时模块用于修正所述PLC的精确时间；

所述跟踪接收机模块用于向所述PLC反馈天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；

其中，所述PLC还用于根据所述偏差信息和/或所述反馈信息生成修正指令，并向所述天线驱动模块发送所述修正指令以驱动天线转动。

2.根据权利要求1所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，还包括连接于所述PLC的IO信号传感器；所述IO信号传感器用于对天线的运动进行安全检测并向所述PLC反馈表征检测结果的IO信号；其中，所述PLC还用于在所述IO信号表征检测结果异常时输出异常信息和/或向所述天线驱动模块发送停止运动控制指令。

3.根据权利要求2所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，还包括均连接于所述PLC的蜂鸣器和异常指示灯；所述PLC还用于在所述IO信号表征检测结果异常时控制所述蜂鸣器响起和所述异常指示灯亮起。

4.根据权利要求3所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，所述IO信号传感器反馈的IO信号包括以下信号中的一种或多种：各个转台的正反方向的终限位信号、预限位信号；以及急停按钮输入信号、抱闸状态控制输出信号、抱闸状态反馈信号、天线舱门是否打开的输入信号、蜂鸣器控制输出信号、控制柜急停输入信号、俯仰插销是否锁定输入信号。

5.根据权利要求1所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，所述天线驱动模块包括：连接于所述PLC的驱动器、连接于所述驱动器的伺服电机、连接于所述伺服电机和所述驱动器的编码器；其中，所述驱动器用于接收所述控制指令进而控制所述伺服电机运行；所述伺服电机用于带动所述编码器和所述天线转动；所述编码器用于将编码器读数信息反馈给驱动器，所述驱动器用于将所述编码器读数信息和所述伺服电机的电流信息反馈给所述PLC。

6.根据权利要求1所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，所述授时模块还用于按照预设频率更新精确到纳秒级的时间，所述PLC根据所述纳秒级的时间修正到毫秒级的精确时间。

7.根据权利要求1所述的卫星通信天线伺服系统，其特征在于，还包括均连接于所述PLC的通信接口和触控屏；其中，所述通信接口用于接收上位机的输入信息；所述PLC还用于根据所述触控屏接收的触控指令生成输入信息。

8.一种卫星通信天线控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的卫星通信天线伺服系统，所述方法包括以下步骤：

接收输入信息；

基于授时模块修正后的精确时间以及所述输入信息生成控制指令；

基于所述控制指令，通过天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收跟踪接收机模块反馈的天线当前指向位置与卫星实际位置的两个方向的偏差信息；

接收所述天线驱动模块的反馈信息；

根据所述偏差信息和/或所述反馈信息，生成修正指令；

基于所述修正指令，通过所述天线驱动模块控制天线转动以跟踪卫星。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收IO信号传感器传输的IO信号；

根据所述IO信号，确认所述天线的运动存在异常；

输出异常信息和/或向所述天线驱动模块发送停止运动控制指令。