一、技術領域

本發(fā)明屬于移動衛(wèi)星通信天線伺服技術領域。具體地說，本發(fā)明涉及一種基于fft跟蹤技術的天線伺服系統(tǒng)。

二、

背景技術：

隨著空間技術的發(fā)展進步，移動衛(wèi)星通信以其覆蓋面積廣、通信容量大、靈活機動等優(yōu)點，已廣泛應用于艦船、車輛、飛機等運動載體的通信。由于移動衛(wèi)星通信的運動載體特別是飛機的動作幅度大、姿態(tài)變化快、慣導數(shù)據(jù)傳輸延時，僅靠自身穩(wěn)定平臺跟蹤很難滿足天線伺服跟蹤精度。因此，自身穩(wěn)定平臺與自動跟蹤技術相結合成為了該問題的主流解決方法。

自動跟蹤的實現(xiàn)主要有三種，步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。其中步進跟蹤和圓錐掃描跟蹤技術的跟蹤速度慢、精度低，但具有設備簡單，成本低廉的優(yōu)點。而單脈沖跟蹤技術的跟蹤速度和跟蹤精度雖然比步進和圓錐掃描跟蹤體制高，但它的設備復雜，成本高昂。

三、

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有存在的技術問題，本發(fā)明目的是，提供一種基于fft跟蹤技術的天線伺服系統(tǒng)，簡化設備、降低成本、尤其是提高天線伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

基于fft跟蹤技術的移動衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)，包括自身穩(wěn)定平臺和fft跟蹤伺服模塊。所述的自身穩(wěn)定平臺包括天線姿態(tài)信息處理單元和尋星伺服控制單元；所述的fft跟蹤伺服模塊包括信標處理單元、fft跟蹤算法單元和天線跟蹤伺服控制單元。

所述的姿態(tài)信息處理單元采用fpga收集慣導傳感器、陀螺儀、編碼器等傳感器的姿態(tài)信號。

所述的尋星伺服控制單元依據(jù)fpga收集的姿態(tài)信息，通過dsp控制天線跟蹤伺服控制單元電機驅(qū)動器完成天線的機械尋星動作，使天線通過自身穩(wěn)定平臺對準衛(wèi)星。

所述的信標處理單元對天線射頻接收的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，為fft跟蹤算法提供數(shù)據(jù)樣本。

所述的fft跟蹤算法單元采用fpga讀取信標數(shù)據(jù)，完成fft算法，并返回天線跟蹤伺服控制單元調(diào)整運動的相位值和幅度值。

所述的天線跟蹤伺服控制單元驅(qū)動控制天線執(zhí)行兩個階段的動作控制，第一階段控制天線實現(xiàn)天線圓錐掃描運動；第二階段根據(jù)fft跟蹤算法單元計算的相位值和幅度值控制天線自動跟蹤調(diào)整。

所述的信標處理單元用于對天線射頻接收的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。信標處理單元由寬帶零中頻解調(diào)器和基帶數(shù)字處理模塊組成，信標信號經(jīng)零中頻解調(diào)器下變頻為數(shù)khz的單頻基帶信號，然后經(jīng)a/d芯片采樣至基帶數(shù)字處理器，排除鄰星調(diào)制波干擾，最后通過rs232輸出信標強度及信標頻偏。

移動衛(wèi)星通信天線伺服系統(tǒng)中基于fft跟蹤方法，其特征是步驟如下：基于fft跟蹤伺服模塊，fft跟蹤伺服模塊包括信標處理單元、fft跟蹤算法單元和天線跟蹤伺服控制單元并執(zhí)行如下程序：

所述的信標處理單元對天線射頻接收的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，為fft跟蹤算法提供數(shù)據(jù)樣本；

所述的fft跟蹤算法單元采用fpga讀取信標處理單元的數(shù)據(jù)，完成fft算法，并返回至天線跟蹤伺服控制單元，輸出調(diào)整天線運動的相位值和幅度值。

所述的尋星伺服控制單元用于控制電機驅(qū)動器完成尋星動作。尋星伺服控制單元使用dsp讀取fpga中fifo緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，解析該數(shù)據(jù)，得到的慣導和陀螺儀數(shù)據(jù)用于計算尋星的目標位置，得到的編碼器角度信息作為反饋信號用于閉環(huán)的pid伺服控制，通過自身穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機運動使天線對準衛(wèi)星。

本發(fā)明方法的具體步驟：采用了fft數(shù)字信號處理方法，改進了圓錐掃描跟蹤技術的算法，繼承了原有跟蹤技術設備簡單、成本低廉的優(yōu)勢，提高了天線伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度，很好地滿足了移動衛(wèi)星通信的需求。

所述的fft跟蹤算法單元用于計算天線跟蹤調(diào)整運動的相位值和幅度值。天線完成尋星動作后，跟蹤伺服控制單元驅(qū)動電機控制天線進行周期圓錐掃描，掃描過程中天線對衛(wèi)星位置的變化會導致信標強度變化，且得到的信標強度理論上符合正(余)弦函數(shù)規(guī)律(理論上已經(jīng)證明)。使用fpga內(nèi)核fft算法對該信標數(shù)據(jù)做頻域變換，提取有效信號的相位值和幅度值。

所述的跟蹤伺服控制單元用于天線自動跟蹤調(diào)整。跟蹤伺服控制單元依次執(zhí)行兩個階段的動作控制，第一階段實現(xiàn)天線圓錐掃描運動；第二階段根據(jù)fft跟蹤算法單元計算的相位值和幅度值，實現(xiàn)天線自動跟蹤調(diào)整，相位值為天線調(diào)整方向，幅度值為天線調(diào)整角度。

圓錐掃描過程中得到的信標理論上符合正(余)弦函數(shù)規(guī)律。實際上，天線低噪放電路、變頻電路和信標處理單元在射頻處理時會產(chǎn)生隨機噪聲，因此信標x(t)在時域上的表達式可以定義為：

式(1)中，a為信標的直流分量，b為余弦函數(shù)的幅值，ω為余弦函數(shù)的角頻率，為余弦函數(shù)的相位，z(t)為噪聲信號。

由于噪聲信號z(t)對信標的影響較大，本發(fā)明采用快速傅立葉變換(fft)數(shù)字信號處理技術提取信標信號的頻域特征，快速傅立葉變換(fft)是離散傅立葉變換(dft)的快速算法，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得：

fft計算時，假設采樣頻率為fs，信號頻率為f，采樣點數(shù)為n，fft之后的結果就是一個為n點的復數(shù)。如果原信號的峰值為a，那么fft計算結果的每個點(第一個點直流分量除外)的模值就是a的n/2倍，每個點的相位就是在該頻率下的信號的相位。

設fft計算后的有效點為m，則該點復數(shù)y(m)表示為：

y(m)＝re+imi(3)

式(3)中re為fft計算后該點復數(shù)的實部，im為虛部。天線調(diào)整的相位值ψ和幅度值ε計算公式分別為：

ψ＝arctanim/re(4)

fft跟蹤算法單元實現(xiàn)流程如下：

①讀取信標處理單元的信標值；②將信標值做fft算法，得到多個復數(shù)點；③選取有效的復數(shù)點；④根據(jù)公式(4)(5)計算天線自動跟蹤調(diào)整的相位值和幅度值。

具體步驟為：

步驟1：系統(tǒng)上電后，姿態(tài)信息處理單元收集慣導、陀螺儀、編碼器的姿態(tài)信號；

步驟2：尋星伺服控制單元讀取姿態(tài)信息處理單元的數(shù)據(jù)，控制電機驅(qū)動器完成尋星動作；

步驟3：跟蹤伺服單元控制天線執(zhí)行圓錐掃描動作；

步驟4：信標處理單元對射頻信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將處理得到的數(shù)據(jù)傳給fft跟蹤算法單元；

步驟5：fft跟蹤算法單元根據(jù)信標值計算出天線自動跟蹤調(diào)整的相位值和幅度值；

步驟6：跟蹤伺服控制單元根據(jù)fft跟蹤算法單元產(chǎn)生的相位值和幅度值完成自動跟蹤動作；

步驟7：信標強度大于跟蹤門限時，跟蹤停止，否則重復步驟3～步驟6，保證天線自動跟蹤始終處于收斂狀態(tài)。

本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下效果：

首次基于快速傅立葉變換(fft)數(shù)字信號處理技術提取信標信號的頻域特征，充分濾除了干擾信號，極大彌補了信標在時域處理時產(chǎn)生的誤差和抖動缺陷。能夠快速并且精確地得到天線跟蹤調(diào)整所需的相位值和幅度值。保證天線伺服系統(tǒng)的收斂性。

采用fpga門電路采集傳感器信息并運行fft核心算法，提高了程序運行速度，節(jié)約了dsp資源，改善了天線伺服系統(tǒng)的實時性和動態(tài)響應。

與現(xiàn)有的天線跟蹤技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明采用了fft數(shù)字信號處理方法，改進了圓錐掃描跟蹤技術的算法，繼承了原有跟蹤技術設備簡單、成本低廉的優(yōu)勢，提高了天線伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度，很好地滿足了移動衛(wèi)星通信的需求。

四、附圖說明

圖1為本發(fā)明的組成示意框圖；

圖2為天線圓錐掃描示意圖；

圖3為fft跟蹤算法單元流程示意圖；

圖4為本發(fā)明在具體應用中的工作流程圖。

五、具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖說明對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本基于fft跟蹤技術的天線伺服系統(tǒng)功能上包含自身穩(wěn)定平臺和fft跟蹤伺服模塊兩大部分；硬件方面，包含fpga和dsp處理模塊。具體地說，本發(fā)明包括姿態(tài)信息處理單元、尋星伺服控制單元、信標處理單元、fft跟蹤算法單元和跟蹤伺服控制單元。

所述的姿態(tài)信息處理單元用于慣導、陀螺儀、編碼器姿態(tài)信號的收集。其中陀螺儀輸出信號經(jīng)rs232串口連接至fpga的i/o口，慣導信息通過arinc429總線協(xié)議發(fā)送至fpga的i/o口，而編碼器角度信號則經(jīng)過hctl-2032正交解碼器處理后傳輸至fpga的i/o口。fpga將接收的數(shù)據(jù)緩存到fif0存儲器，使用fifo可以在兩個不同時鐘域系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實時數(shù)據(jù)。

所述的尋星伺服控制單元用于控制電機驅(qū)動器完成尋星動作。尋星伺服控制單元使用dsp讀取fpga中fifo緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，解析該數(shù)據(jù)，得到的慣導和陀螺儀數(shù)據(jù)用于計算尋星的目標位置，得到的編碼器角度信息作為反饋信號用于閉環(huán)的pid伺服控制，通過自身穩(wěn)定平臺驅(qū)動電機運動使天線對準衛(wèi)星。

所述的信標處理單元用于對天線射頻接收的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。信標處理單元由寬帶零中頻解調(diào)器和基帶數(shù)字處理模塊組成，信標信號經(jīng)零中頻解調(diào)器下變頻為數(shù)khz的單頻基帶信號，然后經(jīng)a/d芯片采樣至基帶數(shù)字處理器，排除鄰星調(diào)制波干擾，最后通過rs232輸出信標強度及信標頻偏；

所述的fft跟蹤算法單元用于計算天線跟蹤調(diào)整運動的相位值和幅度值。天線完成尋星動作后，跟蹤伺服控制單元驅(qū)動電機控制天線進行周期圓錐掃描，掃描過程中天線對衛(wèi)星位置的變化會導致信標強度變化，且得到的信標強度理論上符合正(余)弦函數(shù)規(guī)律(理論上已經(jīng)證明)。使用fpga內(nèi)核fft算法對該信標數(shù)據(jù)做頻域變換，提取有效信號的相位值和幅度值。

所述的跟蹤伺服控制單元用于天線自動跟蹤調(diào)整。跟蹤伺服控制單元依次執(zhí)行兩個階段的動作控制，第一階段實現(xiàn)天線圓錐掃描運動；第二階段根據(jù)fft跟蹤算法單元計算的相位值和幅度值，實現(xiàn)天線自動跟蹤調(diào)整，相位值為天線調(diào)整方向，幅度值為天線調(diào)整角度。

本基于fft跟蹤技術的天線伺服系統(tǒng)中，fft跟蹤算法單元是整個系統(tǒng)的核心算法模塊，也是本發(fā)明區(qū)別于其他天線自動跟蹤技術的重要創(chuàng)新點。

上述中提到，圓錐掃描過程中得到的信標理論上符合正(余)弦函數(shù)規(guī)律。實際上，天線低噪放電路、變頻電路和信標處理單元在射頻處理時會產(chǎn)生隨機噪聲，因此信標x(t)在時域上的表達式可以定義為：

式(1)中，a為信標的直流分量，b為余弦函數(shù)的幅值，ω為余弦函數(shù)的角頻率，為余弦函數(shù)的相位，z(t)為噪聲信號。

圖2為天線圓錐掃描示意圖，x軸、y軸分別為天線圓錐掃描的方位和俯仰方向，0°相位表示天線方位向右，180°相位表示天線方位向左，90°相位表示天線俯仰向上，270°相位表示天線俯仰向下。假設天線對準衛(wèi)星的理論位置為o,天線實際對星位置偏右，o1為天線圓錐掃描的中心點，a點為圓錐掃描的開始位置，b點為a點的對稱位置，s為天線圓錐掃描的軌跡。顯然，a點離理論位置o最遠，信標值最小，b點離理論位置o最近，信標值最大。忽略噪聲信號，信標x1(t)的表達式為：

式(2)中相位值180°表示天線的方位應該向左調(diào)整。此時天線實際對星位置偏右，應該往左調(diào)整，很好地證明了理論，幅度b表示天線自動跟蹤調(diào)整的幅度。

實際應用中，噪聲信號z(t)對信標的影響較大，嚴重干擾了相位值和幅度值在時域的分析計算，導致普通圓錐掃描跟蹤的精度低，速度慢。本發(fā)明基于快速傅立葉變換(fft)數(shù)字信號處理技術提取信標信號的頻域特征，充分濾除了干擾信號，極大彌補了信標在時域處理時產(chǎn)生的誤差和抖動缺陷。快速傅立葉變換(fft)是離散傅立葉變換(dft)的快速算法，它是根據(jù)離散傅立葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

fft計算時，假設采樣頻率為fs，信號頻率為f，采樣點數(shù)為n，fft之后的結果就是一個為n點的復數(shù)。如果原信號的峰值為a，那么fft計算結果的每個點(第一個點直流分量除外)的模值就是a的n/2倍，每個點的相位就是在該頻率下的信號的相位。

設fft計算后的有效點為m，則該點復數(shù)y(m)可以表示為：

y(m)＝re+imi(3)

式(3)中re為fft計算后該點復數(shù)的實部，im為虛部。天線調(diào)整的相位值ψ和幅度值ε計算公式分別為：

ψ＝arctanim/re(4)

參考圖3，fft跟蹤算法單元實現(xiàn)流程如下：

①讀取信標處理單元的信標值；②將信標值做fft算法，得到多個復數(shù)點；③選取有效的復數(shù)點；④根據(jù)公式(4)(5)計算天線自動跟蹤調(diào)整的相位值和幅度值。

本發(fā)明基于fft算法改進了圓錐掃描自動跟蹤技術，結構簡單，成本低廉，跟蹤精度和速度得到明顯改善，且容易實現(xiàn)。圖4是本發(fā)明具體應用時的工作流程圖，其具體步驟為：

步驟1：系統(tǒng)上電后，姿態(tài)信息處理單元收集慣導、陀螺儀、編碼器的姿態(tài)信號；

步驟2：尋星伺服控制單元讀取姿態(tài)信息處理單元的數(shù)據(jù)，控制電機驅(qū)動器完成尋星動作；

步驟3：跟蹤伺服單元控制天線執(zhí)行圓錐掃描動作；

步驟4：信標處理單元對射頻信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將處理得到的數(shù)據(jù)傳給fft跟蹤算法單元；

步驟5：fft跟蹤算法單元根據(jù)信標值計算出天線自動跟蹤調(diào)整的相位值和幅度值；

步驟6：跟蹤伺服控制單元根據(jù)fft跟蹤算法單元產(chǎn)生的相位值和幅度值完成自動跟蹤動作；

步驟7：信標強度大于跟蹤門限時，跟蹤停止，否則重復步驟3～步驟6，保證天線自動跟蹤始終處于收斂狀態(tài)。