[发明专利]基于FFT跟踪技术的移动卫星通信天线伺服系统

权利要求书

1.一种基于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；所述的天线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用于控制电机驱动器完成天线的机械寻星动作，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；

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；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模块，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；

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；

FFT跟踪伺服模块实现如下功能：

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，且得到的信标强度符合正弦函数规律；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；t为时间参数；

由于噪声信号z(t)对信标的影响较大，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：

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C，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C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)

移动卫星通信天线伺服系统实现跟踪的具体步骤为：

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：跟踪伺服控制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。