專利名稱：動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星天線，特別是一種可在移動中調(diào)整方位角、俯仰角的動態(tài)跟 蹤衛(wèi)星天線。
背景技術(shù)：
移動衛(wèi)星天線是指安裝在移動載體上的天線，如汽車、火車、輪船等。由于廣播衛(wèi) 星、通信衛(wèi)星都屬于定點衛(wèi)星(即同步軌道衛(wèi)星)，衛(wèi)星定位于赤道上空約四萬公里處。而 衛(wèi)星天線又屬于定向天線，這種天線的波束寬度很窄，要保證在載體快速運動過程中信號 傳輸不中斷，就必須保證天線始終準(zhǔn)確的對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。移動載體在運動過程中，由于道路轉(zhuǎn)彎方向改變和坡度的影響，導(dǎo)致天線的方位 角和俯仰角發(fā)生變化?，F(xiàn)有技術(shù)的自動跟蹤天線，大都是由穩(wěn)定系統(tǒng)和自動跟蹤系統(tǒng)兩部 分組成。穩(wěn)定系統(tǒng)采用陀螺儀等慣性導(dǎo)航技術(shù)，在軟件的控制下，通過驅(qū)動機構(gòu)和步進(jìn)電機 來調(diào)整天線的姿態(tài)。跟蹤系統(tǒng)采用GPS全球定位系統(tǒng)和電子羅盤來獲得天線的位置參數(shù)， 并以此來控制天線的方位角和俯仰角。此種方式存在如下不足①運動過程中衛(wèi)星天線的對準(zhǔn)精確度完全依賴于陀螺儀 等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度。因此也只能采用光纖陀螺、激光陀螺等高精度傳感器，導(dǎo)致整 體成本大幅增加。②使用GPS只能獲取衛(wèi)星天線所在位置的基準(zhǔn)俯仰角，偏離該方向的運 動還是需要依賴陀螺儀，這又增加了對陀螺儀的參數(shù)需求。③電子羅盤屬于磁性器件，容易 受到外界干擾。2005年5月11日中國發(fā)明專利公開號CN 1614815A所公開的“信號電平檢測動 態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，，包括衛(wèi)星信號電平檢測電路與控制與數(shù)字信號處理機相連接，所述的控 制與數(shù)字信號處理機的輸出端分三路分別和俯仰控制電機與電機控制電路、方位控制電機 與電機控制電路、橫滾控制電機與電機控制電路連接，它們?nèi)叩牧硪欢私?jīng)過機械傳動與 減速裝置以機械方式和衛(wèi)星天線及饋電裝置相連接，而所述的衛(wèi)星天線及饋電裝置的另一 端再和所述的衛(wèi)星信號電平檢測電路連接。該發(fā)明的優(yōu)點是成本低廉，重量輕，體積小，并 不受地磁異常的干擾，但其跟蹤精度又遠(yuǎn)不如采用采用陀螺儀等慣性導(dǎo)航技術(shù)準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種更加簡單，成本低廉，重量輕，體積小，并不受地磁異常 的干擾，尤其是系統(tǒng)可靠性大大提高的動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線。具體實現(xiàn)方案是這樣的一種動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，包括方位姿態(tài)檢測、信號電平檢測以及伺服系統(tǒng)三部分； 主控伺服系統(tǒng)是Z軸調(diào)整步進(jìn)電機；方位姿態(tài)檢測部分僅由一個Z軸陀螺儀和加速度計組 成；由Z軸陀螺儀測量天線在水平方向的運動方向及速度，獲取天線在水平方向運動的偏 移量；由加速度計測量出天線相對于水平面的夾角，獲取或計算出天線當(dāng)前的俯仰角和橫 滾角；再以接收到的目標(biāo)衛(wèi)星信號電平作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷依據(jù)，通過主控CPU來控制伺服系統(tǒng)不斷調(diào)整天線方位角、橫滾角和俯仰角，從而形成一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使衛(wèi) 星天線始終對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星；上述信號電平檢測部分通過A/D轉(zhuǎn)換，測量接收到的信號電平 值，以此來作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明提出了一種新的動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，還涉及到2個算法算法1 通過信號電平檢測不斷校正陀螺的誤差，校正后陀螺的輸出精度達(dá)到了 很高的水平，消除了累積誤差和溫度漂移的影響。算法2 采用加速度計來計算俯仰角和橫滾角，沒有累積誤差，也能克服溫度漂移 的影響。本發(fā)明這種方式存在如下優(yōu)點①本發(fā)明采用加速度計來計算傾角，不像陀螺一樣存在著累積誤差，因此也不像 陀螺為主的測量體系，需要GPS或者加速度計來教正累積誤差；本發(fā)明的創(chuàng)新點就是摒棄 了 GPS、電子羅盤等定位設(shè)備，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，成本更加低廉；②本發(fā)明采用加速度計的上述公式來計算傾角，基本上不受溫度漂移的影響，使 得傾角的準(zhǔn)確度大大提高。③本發(fā)明采用加速度計是三維的，不但能計算俯仰角，同時也能用同樣的方法簡 單地計算出橫滾角，因此本發(fā)明不僅適用于車載，同樣也適用于船載。④本發(fā)明使用陀螺儀導(dǎo)航加信號電平檢測反饋的算法，即降低了對陀螺儀精度的 要求，還能很好地利用信號電平的變化來教正陀螺儀的累積誤差，保證了衛(wèi)星天線對準(zhǔn)的 精度。本發(fā)明在高斯貝爾公司實施中，基于上述的算法成功研制了車船載衛(wèi)星電視天 線，取得了良好的效果，該天線完全超過了國家廣播電影電視總局頒發(fā)的《衛(wèi)星直播移動接 收系統(tǒng)天線技術(shù)要求和測量方法》的要求。該天線采用了低成本的MEMS陀螺儀和加速度計 來控制天線在運動的過程中始終準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星，從而大大降低了成本，為車船載衛(wèi)星電視 的發(fā)展創(chuàng)造了條件。


圖1為本發(fā)明的電路方框圖。圖2為本發(fā)明計算出天線保持正確的俯仰角度θ和相對于水平面的傾角P的示 意圖。
具體實施例方式在以上系統(tǒng)的工作原理指導(dǎo)下，可以有多種控制策略和衛(wèi)星搜索和跟蹤實現(xiàn)方 法。一種動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，包括方位姿態(tài)檢測、信號電平檢測3以及伺服系統(tǒng)三部 分；主控伺服系統(tǒng)是Z軸調(diào)整步進(jìn)電機；方位姿態(tài)檢測部分僅由一個Z軸陀螺儀5和加速度 計6組成；由Z軸陀螺儀5測量天線2在水平方向的運動方向及速度，獲取天線2在水平方 向運動的偏移量；由加速度計測量出天線相對于水平面的夾角，獲取或計算出天線當(dāng)前的 俯仰角1和橫滾角7 ；再以接收到的目標(biāo)衛(wèi)星信號電平作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷依據(jù)，通過 主控CPU4來控制伺服系統(tǒng)不斷調(diào)整天線方位角8、橫滾角7和俯仰角1，從而形成一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使衛(wèi)星天線2始終對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星；上述信號電平檢測3部分通過A/D轉(zhuǎn)換， 測量接收到的信號電平值，以此來作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明實現(xiàn)跟蹤的過程為①系統(tǒng)啟動后，先水平旋轉(zhuǎn)一周，根據(jù)信號電平找到衛(wèi)星，確定方位角，進(jìn)入鎖定 狀態(tài)。②進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，根據(jù)Z軸陀螺儀5輸出值判斷載體運動方向及偏轉(zhuǎn)角度，控制 方位角8調(diào)整電機運轉(zhuǎn)，抵消載體在水平方向的偏轉(zhuǎn)角度。③參見附圖2，由加速度計數(shù)值，計算出當(dāng)前時刻天線傾角，若與前一鎖定狀態(tài)時 刻的傾角發(fā)生變化，則控制俯仰角調(diào)整電機運轉(zhuǎn)，使天線始終保持正確的俯仰角度θ。θ = arctan ( α z2/ ( α χ2+ α y2) _"2)其中，加速度計輸出的是各方向的重力加速度值，可由以下公式計算出當(dāng)前天線 相對于水平面的傾角P。ρ = arctan ( α y2/ ( α χ2+ α ζ2) "1/2)④調(diào)整過程中，時刻根據(jù)接收信號電平值來對各調(diào)整參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以保證天線 對準(zhǔn)的精確性。
權(quán)利要求
一種動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，包括方位姿態(tài)檢測、信號電平檢測以及伺服系統(tǒng)三部分；其特征是主控伺服系統(tǒng)是Z軸調(diào)整步進(jìn)電機；方位姿態(tài)檢測部分僅由一個Z軸陀螺儀和加速度計組成；由Z軸陀螺儀測量天線在水平方向的運動方向及速度，獲取天線在水平方向運動的偏移量；由加速度計測量出天線相對于水平面的夾角，獲取或計算出天線當(dāng)前的俯仰角和橫滾角；再以接收到的目標(biāo)衛(wèi)星信號電平作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷依據(jù)，通過主控CPU來控制伺服系統(tǒng)不斷調(diào)整天線方位角、橫滾角和俯仰角，從而形成一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使衛(wèi)星天線始終對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星；上述信號電平檢測部分通過A/D轉(zhuǎn)換，測量接收到的信號電平值，以此來作為是否對準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，其特征在于所述獲取或計算出天線當(dāng) 前的俯仰角和橫滾角涉及到2個算法算法1 通過信號電平檢測不斷校正陀螺的誤差，校正后陀螺的輸出精度達(dá)到了很高 的水平，消除了累積誤差和溫度漂移的影響；算法2 采用加速度計來計算俯仰角和橫滾角，沒有累積誤差，也能克服溫度漂移的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動態(tài)跟蹤衛(wèi)星天線，包括方位姿態(tài)檢測、信號電平檢測以及伺服系統(tǒng)三部分；主控伺服系統(tǒng)是Z軸調(diào)整步進(jìn)電機；方位姿態(tài)檢測部分僅由一個Z軸陀螺儀和加速度計組成；由Z軸陀螺儀測量天線在水平方向的運動方向及速度，由加速度計測量出天線相對于水平面的夾角，通過主控CPU來控制伺服系統(tǒng)不斷調(diào)整天線方位角、橫滾角和俯仰角，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤衛(wèi)星的目的。本發(fā)明其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤效果好。
文檔編號H01Q1/27GK101982897SQ201010275628
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者周曉輝, 張強 申請人:郴州希典科技有限公司