学文网摘要：本文介绍的是通过利用成熟的现场总线技术，可以实现全自动控制的卫星天线系统。设计目的是在无人工干预条件下实现整个卫星跟踪过程，并且结构简单，设备要求较低，同时由于采用稳定的CAN总线作为数据传输载体，使整个系统具有较高兼容性和可靠性。
关键词：CAN总线；卫星天线系统；自动控制
中***分类号：TP301.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 15-0000-02
随着社会的进步，信息技术的快速发展，各行业纷纷开始将信息技术纳入自身的生产过程中去。但是在某些特殊的领域中，如：***事、航海、地质勘探、石油开采等，传统的信息交互手段受到制约，有线通信、蜂窝通信难以满足这些特殊领域的需求，受地理条件和经济因素的限制，有限通信系统和地面蜂窝系统不可能达到全球无缝覆盖。据统计全球人口的5%到10%将居住在或旅行到永远不会被地面电信设施覆盖的区域，而我国目前地面通信网只覆盖了国土面积的约15%。卫星通信作为目前唯一的通信解决办法有着不可替代的作用。
本文所涉及的车载静中通卫星天线系统采用14GHz频段下Ku波段通信。所谓静中通是指在天线载体静止条件下进行卫星通信的一种通信方式。该天线系统的设计目标是实现静止状态下快速准确的对星，同时具备一定的应付地形条件限制的车载静中通卫星系统。利用GPS设备作为测量单元，在复杂地形条件下实现自动对星而不需人工干预，是一个完整的自动控制系统。
1 卫星天线系统设计中采用的技术
该系统主要采用的技术包括以下几种：
1.1 CAN现场总线技术
现场总线系统打破传统模拟控制系统的一对一的设备连线结构形式，通过采用智能设备使控制系统不再依赖单一的控制计算机或仪表，而是在现场直接完成数据出，彻底的实现分散控制。通过简化设备总线结构，将不同的数据处理分散到各个控制模块现场处理，可以有效降低对计算机硬件要求，并且大幅减轻总线系统负担，从而提高系统可靠性及降低系统的生产成本。鉴于以上特点，本车载静中通卫星天线系统采用具有国际通用标准的CANBus作为该系统的数据传输总线技术。
CAN总线（全称：控制器局域网Controller Area Network）作为整个天线系统的通信载体，是一种出现于上世纪80年代一种现场总线技术，最早用于汽车工业。由于其可靠性高、传输速率快、传输距离远等特点，在今天它作为唯一有国际标准的现场总线技术，已广泛应用于航空航天、***事、医疗、自动化等领域。
CAN总线的特点：
采用串行的总线结构，通讯介质灵活，距离远。
多主机方式工作，即网络上所有节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，而不分主从。可实现点对点、点对多点的通信。
CAN采用非破坏总线仲裁技术，当多节点同时发送数据产生冲突时，高优先级节点可不受影响传输数据，低优先级节点会主动退出并重发。
性价比高，结构简单。
本系统所有功能单元均采用SJA1000 CAN控制器进行数据交换，按照设计需要采用CAN2.0b协议，所有单元进行统一的识别符管理，总线中帧数据格式如下：
11bit节点标识位 3bit命令标识位 8Byte数据位
CAN总线基于总线型网络拓扑结构，本系统各单元的网络拓扑结构如下***：
1.2 嵌入式系统
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各行业应用结合后的产物，由于它是专用的计算机系统，通常面向特定任务因此功能较为单一，但是却带来了执行效率高、稳定可靠的优点，广泛应用于工业控制等领域。本系统根据需求采用NXP公司集成CAN总线ARM7-TDMI-S内核的LPC2119嵌入式处理器，该型号主频60MHz可以满足各单元数据处理，此外还具备PWM（脉宽调制）、UART及I2C等寄存器，可以满足各单元不同传感器及元器件的数据处理和传输需求。
1.3 GPS技术
GPS是英文Global Positioning System的缩写，意即全球定位系统。是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。其主要作用是准确提供卫星天线系统所在位置的经度、纬度和方向数据（相对于真北方向）。该天线系统使用船载GPS导航设备可提供定位精度15米，测速精度0.1米/秒的定位数据，为天线系统实现快速准确捕星提供了可靠保障。
1.4 卫星通信技术
本系统采用20度单偏置抛物面天线，因为这种天线的馈源及其支撑遮挡最小，并且有较大的焦距直径比f/D，从而使天线的纵向尺寸变大，短径降低，还能降低天线旁瓣电平和改善馈源的极化辐射电平。如果横向安装在汽车顶上有利用降低整体高度，折叠式设计可减小阻力，便于汽车行驶。由抛物面增益天线将接收到的信号反射至馈源，通过降频器将14GHz的高频信号转换为2GHz的L波段的可用信号便于分析。
1.5 伺服电机及角编码器技术
伺服系统包括了伺服驱动器和伺服马达，考虑到车载条件下需长时间免维护工作，选用微型交流无刷伺服马达和伺服驱动系统，其驱动器由微处理器来控制所有功能，还有产生供逆变器专用的可调脉冲宽度PWM输出的ASIC芯片，用ASIC的输出来控制IGBT逆变器。全数字化可以消除模拟量控制存在的漂移，如果选用直流伺服驱动器和直流伺服马达，虽然能够提供线性控制、角速度控制、拉伸速率之间的良好同步，但是直流伺服马达的电刷（即使是长寿命电刷）须经常更换，给售后服务、维修、备份带来很多不便。
光电角编码器技术
本系统采用绝对编码器作为3轴运动的测量传感设备，绝对编码器直接输出数字量。其工作原理是在圆形玻璃或树脂码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不需计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。基于以上原理及本系统对星精度的设计要求，我们采用16bit精度的绝对角编码器，即 =65536线为，平均精度约为0.0055度/线
2 卫星天线系统的构成
该系统设计采用分布嵌入式系统结构，主要由以下五个单元构成：1.通信控制单元2.伺服驱动单元3.光纤陀螺单元4.GPS单元5.控制单元。各单元由***的嵌入式处理器和相关设备构成，由具备CAN总线功能的嵌入式处理器完成数据的转换和传输。采用这种分布式结构可以有效降低系统复杂性、提高可靠性，实现软硬件模块化，并为以后的系统升级留下空间并降低成本。
卫星天线系统各单元的功能及工作机制：
1.1 通信单元
L波段信号经同轴电缆输入通信单元，通过专用DSP芯片对信号强度进行测量和采样，检测信号强度和对频谱采样，获得较精确的卫星信号强度信息，并将结果通过I2C串行传输传送至LPC2119处理器。处理器通过分析信号强度的变化及比对频谱特征库来判断是否捕星成功，并将结果按照预先制定的帧格式，实时的通过CAN总线提交至控制单元。
2.2 驱动单元
驱动单元主要由嵌入式处理器、角编码器和伺服电机系统组成。嵌入式处理器接收控制单元的通过CAN总线发送的绝对角编码器的目标线位值，通过程序判断后经PWM（脉宽调制）控制占空比控制伺服电机运转，在运转过程中通过安装在各轴上的角编码器实时获取所在轴的精确线位位置，从而完成控制单元的运转指令。
2.3 GPS单元
通过RS232串口将通用NMEA0183格式的GPS数据传入嵌入式系统的UART寄存器，将字符串格式的数据按照需求拆分后，通过CAN总线按照预定格式上传至控制单元用于计算。
2.4 控制单元
作为整个卫星天线系统的核心，控制单元接收来自通信单元、陀螺仪单元、GPS单元的即时数据，并且通过计算后发送CAN指令控制各轴运动至指定的绝对角编码器线位位置，来完成整个对星过程。卫星天线安装主要调整三个角度，按先后次序分别为仰角、方位角、高频头极化角。
方位角计算公式：
仰角计算公式：
极化角=X（当X为正值，高频头顺时针转动X度，反之逆时针转动）
X=卫星经度-接收地经度Y=接收地纬度
在控制单元程序算法中，通过GPS反馈的真北方向值来判断整个车载卫星通信系统的真实方向，并将该值与方位角值进行减法运算来获得天线方位轴实际需要运转的角度，并将该角度进行转化为所需的绝对角编码器线位数，由该差值的正负来判断方位轴运行方向（正值顺时针，负值逆时针）。并将计算结果经由CAN总线发送至各伺服单元，来完成整个卫星通信系统的对星过程。
[作者简介]王立基（1982-），男，山东青岛人，硕士研究生，同济大学，研究方向：软件工程。
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