引言
　　
　　天線伺服系統在確保地面站天線指向中繼衛星的同時，還要求具備高平穩、高可靠和長壽命等特殊性能，是衛星地面站中*的較為復雜的電子設備之一。隨著電力電子、控制理論、計算機等技術的快速發展以及電機制造工藝水平的不斷提高，伺服系統由液壓發展到電動。隨著衛星地面站建設規模的擴大，很多地面站保有的大型天線數量己經從一套增加到多套。對這些地面站來說，以中心機房的位置為參照物，天線及其伺服系統的分布通常呈現星形拓撲結構。在地面站設備監控系統成一體化發展的趨勢下，對各天線伺服系統實施遠程集中監測監控勢在必行。通常情況下，不同型號天線伺服系統的通信協議不能互相兼容，多部套天線伺服系統并行監測監控軟件設計具有一定的復雜性。多型號、多部套天線伺服系統集中監測監控問題逐漸成為地面站電子設備一體化集中監控系統設計與實現成為必要。
　　
　　1、天線伺服基本知識
　　
　　早在1934年，“伺服機構”一詞己經出現。隨著自動控制理論的不斷發展，伺服系統這個自動控制分支的理論與實踐也逐漸成熟，并于20世紀50年代開始得到廣泛應用。[1]伺服技術在衛星通信地球站分系統中的應用，形成了天線伺服技術。早期的直流伺服系統大都由晶閘管直流調速驅動柜和工控機為核心的ACU組成。通用伺服系統還存在交流化的趨勢，主要原因在于交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現交流伺服系統的*性。
　　
　　1.1天線伺服的功能
　　
　　天線伺服系統的主要功能及性能指標如下:
　　
　　（1）主要功能指標
　　
　　1.方位、俯仰軸電機驅動控制及制動控制;
　　
　　2.方位、俯仰軸位置檢測及多種模式的天線控制;
　　
　　3.可存儲多個衛星位置;
　　
　　4.軟限位、開關預限位和終限位三級限位保護;
　　
　　5.俯仰收藏鎖定控制;
　　
　　6.故障顯示、告警及記錄。
　　
　　地球站天線觀察衛星的參數是由地球站天線的位置和同步軌道衛星的位置共同確定的。靜止衛星的位置用其星下點的經度表示，地球站天線的位置用所在地的地理經度和地理緯度表示。根據地球站天線所在地的經度和緯度以及衛星經度就可計算出天線對準衛星的方位角（AZ）、俯仰角（EL），并用AZ和EL來調整天線，使其對準相應的衛星。設地球站的緯度為。。（北緯為正.南緯為負），經度為凡（東經為正，西經為負），衛星經度為凡（東經為正，西經為負），方位以正北為零，順時針方向為正，利用靜止衛星和地球站的幾何關系，由幾何學和球面三角學很容易推導出地球站天線對準衛星的方位角Az、俯仰角EL的計算公式[2]。
　　
　　當地球站天線位于北半球時，其對準衛星的方位角、俯仰角的計算公式分1-1、1-2：　　
　　Rs，代表地球半徑（6378km），H代表同步衛星距地球表面的高度（35786km）。
　　
　　當地球站天線位于南半球時，天線對準衛星的方位角AZ，，其計算公式為：　　
　　AZ為地球站天線位于北半球時，天線對準衛星的方位角。
　　
　　1.2天線伺服的組成與原理
　　
　　天線伺服系統，是指完成天線驅動、位置檢測及各種控制功能的設備。天線伺服系統、天線上的驅動電機、位置傳感與限位裝置、跟蹤信號回路設備等共同組成天線伺服跟蹤系統。一般可分為以下五個部分:電源、系統控制、方位驅動、俯仰驅動、人機接口等。天線伺服系統一般包含三個控制回路:信號控制回路、位置控制回路和速度控制回路。天線伺服系統框圖，如圖1　　　　
　　當天線工作在跟蹤模式時，所有控制回路都正常工作，zui終被控量是天線的接收信號。當天線工作在各種位置控制模式時，信號控制回路開環，位置控制回路和速度控制回路工作，zui終被控量是方位、俯仰位置。
　　
　　2、天線伺服集中監控的工作原理
　　
　　天線伺服集中監控系統一般由多部套（zui多8套）天線伺服系統，天線伺服集中監控設備和地面站監控上位機等組成。天線伺服集中監控系統組成圖，如圖2所示。天線伺服集中監控設備兼容雙電機消隙、交流調速、交直流調速、簡易天線控制器、饋源極化控制器等多種型號伺服設備的通信協議，通過RS485串口實時監測監控zui多八部套天線伺服系統。　　　　
　　天線伺服集中監控設備的功能有兩大部分:遠程實時監測監控多型號、多部套天線伺服系統，響應地面站監控上位機的監測監控操作。地面站監控上位機通過TCP/IP協議，借助第三方軟件對該設備實施遠程桌面控制，從而實現通過該設備監測監控各天線伺服系統的功能。
　　
　　3、天線伺服集中監控硬件組成
　　
　　天線伺服集中監控設備主要由天線伺服集中監控軟件、工控機、RS485通信卡等部分構成。其中工控機與RS485通信卡均為外購件。在具備光纖通信網絡的地面站或者幾個地面站之間，可選用RS485/光轉換模塊來大大延伸串行通信的距離，同時解決了電磁干擾、地環干擾以及雷擊和浪涌的難題，可極大的提高數據通信的可靠性、安全性和保密性。如圖3所示　　　　
　　3.1LabVIEW工研語言的特點
　　
　　LabVIEW語言的主要特點如下[4]:
　　
　　（l）提供豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數;
　　
　　（2）提供傳統的程序調試手段，如設置斷點單步運行，同時提供*特色的執行工具，使程序動畫式運行，有利于設計觀察程序運行的細節，從而提高程序的調試和開發效率;
　　
　　（3）32位編譯器編譯生成32位的編譯程序，保證用戶數據采集、測試測量方案的高速執行;
　　
　　（4）集成了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB等各種儀器通信總線標準的接口函數，便于使用不同總線標準接口設備與儀器。
　　
　　（5）提供大量與外部代碼或軟件進行鏈接的機制，諸如DLL（動態鏈接庫）、DDE（共享庫）、AetiveX等;
　　
　　（6）具有強大的Internet功能，支持常用的網絡協議，方便網絡。遠程測控儀器的開發。
　　
　　（7）使用ApplicationBuilder軟件包生成脫離源代碼環境的可執行應用程序以及獨立的安裝程序。
　　
　　3.2虛擬儀器程序的開發步驟
　　
　　LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。一個zui基本的VI由3個部分組成:前面板、框圖程序和圖標/連接端口。[3]
　　
　　一個虛擬儀器程序的開發步驟如下:
　　
　　（l）在前面板設計窗口
　　
　　（2）在流程圖編輯窗口，放置節點、框圖。
　　
　　（3）數據流編程
　　
　　（4）運行檢驗
　　
　　（5）程序調試
　　
　　（6）數據觀察
　　
　　（7）命名存盤
　　
　　4、具體功能實現
　　
　　考慮到天線伺服集中監控軟件的配置項分布，天線伺服集中監控軟件采用了三層式軟件編程結構19進行開發，如圖4所示為軟件層次結構圖。　　　　
　　三層式結構由上而下依次為：MainLeve1（頂層）、TestLeve1（功能層）和DriverLevel（驅動層）。驅動層包含了程序與所有硬件或其它應用軟件的溝通、控制等較底層的功能。在功能層中，則是如何連接各個驅動層的函數功能，以實現一套連續、有意義的流程，完成一定的功能。三層式軟件結的zui大好處是程序代碼的重用程度達到zui大化。[5]
　　
　　4.1輪詢算法
　　
　　輪詢算法體現的是對設備管控的一種思路。本軟件分別開發了并發輪詢算法，來滿足并行監測伺服系統的軟件需求;開發了串行輪詢算法，來滿足操控選定的伺服系統的軟件需求。并行監測利用的是多串口通信卡的各串口之間沒有數據、資源的必然，具備任務與數據的可分解性，可以采用任務并行和數據并行的編程模式。如圖5所示為形成并發輪詢隊列的源代碼和串行輪詢隊列的源代碼。　　　　
　　天線伺服集中監控軟件根據各種告警信息，對各種遠程控制功能的開放或封鎖進行了實時準確地判斷，以避免出現用戶通過天線伺服集中監控設備的人機界面進行了控制操作而伺服系統沒有執行的控制失靈狀況。用戶界面的主要要求為:采用并列窗口界面顯示8套天線伺服系統的狀態，采用彈出式窗口顯示單套天線伺服系統的狀態。具體可分為以下幾大部分:（1）主界面為八套天線伺服系統的狀態顯示界面;通過此界面可進行操控天線的對象選擇，以及結束程序;
　　
　　（2）天線位置控制界面，實現了預置位置、計算衛星、預置衛星等功能;
　　
　　5、研究成果驗證
　　
　　天線伺服集中監控設備的樣機，該設備適用場合有:天線伺服設備離開中央機房數百米、數公里甚至更遠距離，或者天線伺服設備數量眾多，或者上述兩種情況都存在的衛星地面站。目前已有六部該型號天線伺服集中監控設備投入各衛星地面站實際使用。天線伺服集中監控設備的特點有:（1）功能完備:該設備實現八部套天線伺服設備的遠程集中監測控制，全面實時監測各伺服系統的運行信息，提供預置位置、手控速度、存儲并預置衛星、自動跟蹤、自動搜索、極化控制等多種控制模式，此外還有告警日志、操作日志等輔助功能。
　　
　　（2）兼容性好:該設備兼容雙電機消隙、交直流調速、交流調速、簡易天線控制器、饋源極化控制器等當前主流型號的天線伺服系統的通信協議，實現了多型號伺服系統的集中監測控制。
　　
　　（3）根據用戶反饋信息來看，人機界面友好。
　　
　　6、小結
　　
　　本文通過對天線伺服的集中監測監控技術的研究，以及軟件工程化方法與過程的實踐，圓滿解決了多型號天線伺服設備通信協議互不兼容、多部套天線伺服設備并行集中監測監控軟件設計難題，為今后地面站設備系統監控工程積累了知識和經驗。