基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统一、
本专利技术属于移动卫星通信天线伺服
具体地说，本专利技术涉及一种基于FFT跟踪技术的天线伺服系统。二、
技术介绍
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、
技术实现思路
针对现有存在的技术问题，本专利技术目的是，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，本专利技术采用以下技术方案：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。本专利技术方法的具体步骤：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，本专利技术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。本专利技术采用上述技术方案，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，本专利技术的优点在于：本专利技术采用了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为本专利技术的组成示意框图；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为本专利技术在具体应用中的工作流程图。五、具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.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。2.根据权利要求1所述的卫星通信天线伺服系统，其特征是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。3.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。4.根据权利要求3所述的移动卫星通信天线伺服系统中基于FFT跟踪方法，其特征是采用了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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建宇，贾鹏，赵春标，夏忠民，杨凡宇，
申请(专利权)人：熊猫电子集团有限公司，南京熊猫汉达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32