EMP應用於衛星天線地面站的技術發展

摘要：在太空產業中，通訊地面接收設備為太空衛星產業發展的關鍵之一，然而傳統的衛星天線地面站控制系統面臨著許多挑戰，包括複雜多軸旋轉機構的運動、通訊速度與通訊距離雜訊干擾的限制以及依賴外部技術導致系統的彈性不足等問題。本文發展EtherCAT全數位運動控制平台應用於衛星天線地面站的技術。EtherCAT作為一種高效、快速的通訊協議，應用於通訊地面接收站，以提高系統的可靠性和效率。本文透過衛星天線地面站控制器的開發、即時監控數據處理與即時的運動控制命令以執行電控機制等技術，提高衛星天線地面站系統的效率、靈活性和安全性，同時降低成本和營運負擔。

Abstract：In the space industry, ground communication receiving equipment plays a crucial role in the development of satellite technology. However, traditional satellite ground station control systems face several challenges, including the precision of complex multi-axis mechanical rotations, limitations in communication speed and distance due to noise interference, and lack of system flexibility due to reliance on external technologies. This article presents the development of technology by applying the EtherCAT motion control platform to satellite ground stations. EtherCAT, known for its efficiency and high-speed communication protocol, is utilized in ground communication stations to enhance system autonomy, reliability, and efficiency. Through the development of satellite ground station controllers and real-time monitoring data processing, coupled with real-time execution of motion commands using servo motion control mechanisms, this article aims to improve the efficiency, flexibility, and safety of satellite ground station systems while reducing costs and operational burdens.

關鍵詞：全數位運動控制平台、天線控制單元、衛星地面站

Keywords：EtherCAT motion control platform (EMP), Antenna control unit, Satellite ground station

前言

隨著全球太空產業的蓬勃發展，衛星產業已成為當今科技領域的重要一環。依據美國衛星產業協會（Satellite Industry Association, SIA）於2023年發布的衛星產業狀況報告（State of the Satellite Industry Report, SSIR）[1]評估了衛星服務、製造、地面設備和發射服務四大衛星工業的發展表現，它創造了3,840億美元的收入，地面設備為整個衛星產業鏈中最具潛力的發展領域，市場規模達1450億元。在眾多國家及衛星營運商積極推動低軌衛星（Low-Earth Orbit , LEO）部署的背景下，通訊地面接收設備的開發成為未來太空產業發展的關鍵。然而傳統的衛星天線地面站控制系統面臨許多挑戰，包括複雜多軸旋轉機構的運動、通訊速度和通訊距離的限制、高昂維護成本以及依賴外部技術導致系統的彈性不足等問題。

在這種背景下，EtherCAT技術的應用為衛星天線地面站的技術發展提供全新的解決方案。EtherCAT是一種高效的乙太網通訊技術，具有高速、高精度和高靈活性的特點，適合應用於衛星地面站的控制系統中。將EtherCAT技術應用於衛星天線地面站的主從控制拓撲、即時監控數據處理與電控機制等技術，可以實現系統智能化，從而提高系統的運行效率和可靠性。

本文將說明EtherCAT技術在衛星天線地面站控制器中的應用發展，分析其在系統控制、數據傳輸和監控等方面的優勢，將為太空通訊領域的技術發展帶來新的動力，推動衛星地面站技術的不斷創新與進步。

衛星天線地面站控制器

衛星天線地面站控制器是衛星通信和遙感任務中的關鍵元件，其功能在於控制和調整天線的姿態，以確保準確對準目標衛星並維持通訊連接。為確保地面站能夠準確指向目標衛星，控制器通常具有多軸控制功能，即控制天線在方位、俯仰和傾斜等方面的運動，衛星地面站控制器將根據接收到的衛星信號資訊，精確計算出天線的位置和姿態，即時調整天線的運動以提供高精度的定位能力，實現精確方位和追蹤控制，確保通訊連接的穩定性和可靠性。

傳統的衛星地面站控制器存在通訊速度與通訊距離的限制、配線的複雜性與擴展性限制等缺點，這些限制將影響系統的控制效率和靈活性，當需要高速且長距離通訊進行數據處理時，傳統的訊號傳輸方式將面臨類比訊號衰退、受干擾與不夠即時等問題，將影響衛星地面接收站系統的穩定性。

EtherCAT 乙太網路控制自動化技術架構

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)乙太網路控制自動化技術，為德國Beckhoff公司所研發的基於乙太網路通訊協議，應用於自動化與工業控制領域的開放式即時現場匯流排(Fieldbus)技術。此技術突破其他乙太網路的系統限制，具有靈活的拓樸結構、系統配置簡單、性能優越、操作簡便以及低成本等優勢，使得過去無法以現場匯流排技術應用領域得以實現。

EtherCAT採用主/從式架構運作，如圖1所示，主站控制器無需專用硬體介面卡，僅需標準乙太網路卡即可實現。從屬設備則採用專屬的硬體控制器晶片，通過標準的乙太網路連接方式與符合IEEE 802.3 [2]標準的乙太網資料封包格式實現。在EtherCAT系統中，從端設備可以在資料封包的電訊報文經過時讀取其相對應編址位置的資料，同時輸入資料也可以插入至報文中，而無需接收整個乙太網資料封包，使得資料讀取作業僅有幾奈秒的時間延遲，因而確保了高效的資料傳輸。EtherCAT具有全雙工特性，支援超過100 Mbps的有效資料率，使其成為高性能的分散式I/O系統，其優越的性能和靈活性使得EtherCAT成為自動化和工業控制領域的理想選擇，應用於各種衛星地面站控制器中，將提高系統的效率以及可靠性。