CN101777695A - 车载Ku波段卫星通信小口径天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，包括天线反射面、馈源、LNB、收发双工器和天线控制器等，一分二分路器安装在天线转动平台底板上，LNB的输出信号经一分二分路器分为二路，其中一路信号给卫星信标接收机用于天线跟踪，另一路信号经波导/同轴旋转关节给调制解调器，天线启动后，自动搜索卫星，即开环跟踪，一旦天线找到卫星，即进闭环跟踪。本发明结构紧凑、简单，天线系统整体重量轻，响应快；采用的三维坐标系是一个随天线运动的动态坐标系，在三个坐标轴上分别安装了压电式角速率传感器，使天线精确对准卫星。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信天线技术，特别是一种车载Ku波段卫星通信小口径天线系统。
背景技术
车体在行进中与卫星实现通信(动中通)是卫星通信发展的一个重要部分。近几年来，有关车载卫星通信天线的报道很多，但多数上是从一般性原理和指标上进行阐述，真正有实物的很少。目前国内具备较成熟的设计制造车载卫星通信的厂家基本都是采用“单脉冲+光学陀螺捷联贯导平台”跟踪方式(详见中国电子第54所，中国电子第39所，中国航天第13所网站产品介绍)。车载天线跟踪卫星都是采用方位/俯仰型传动结构，通过控制电机驱动天线跟踪卫星，车辆在行进过程中由于道路不平或拐弯，车载天线跟踪卫星在方位轴、俯仰轴、倾斜轴上会随机地产生角速度、角位移。虽然采用“单脉冲+光学陀螺捷联贯导”跟踪方式，从理论上讲可以消除角位移，跟踪精度高，但由于天线转动的惯量，高精度的传感器并不能在瞬间克服天线的惯量，另外一只光学陀螺至少要十几万人民币，在车载卫星小口径(天线口径＜0.9米)天线上应用其性价比低。采用单脉冲跟踪其馈源复杂，单脉冲信号处理电路复杂，所用的天线系统重量＞50公斤，耗电＞300W。其结果是可靠性低、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性价比高的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，当车体在不同的路况下(高速公路、城郊公路、乡间公路、铁路)行驶，该天线系统能够较好的跟踪卫星，展开卫星通信业务(IP电话，视频会议，2M宽带的数据图象)能达到车体在行驶中与卫星通信的功能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，包括天线反射面、馈源、LNB、收发双工器和天线控制器，以及分别与天线控制器相连接的角速率传感器、卫星象限识别器、电子罗盘、重力倾角仪、极化电位器、电机、一体化GPS、卫星信标接收机、波导/同轴旋转关节与滑环、俯仰转动上限位开关、下限位开关、极化转动左限位开关、右限位开关和车内天线控制单元，该车内天线控制单元安装在车内机架上，天线反射面安装在天线反射面支撑板上；卫星象限识别器由副面、副面电机、卫星象限识别电路板及副面遮光板组成，该卫星象限识别电路板安装在副面背面，副面安装在副面电机轴上，卫星象限识别电路板固定时要垂直副面电机的轴，该副面电机安装在副面支撑板上，副面遮光板固定在副面背面与副面成一体且随副面高速旋转；馈源、LNB、收发双工器分别安装在馈源转筒上；角速率传感器包括方位角速率传感器、倾斜角速率传感器和俯仰角速率传感器，方位、倾斜角速率传感器安装在天线转动平台底板上，俯仰角速率传感器安装在天线反射面支撑板上；电子罗盘安装在天线转动平台底板的背面，重力倾角仪安装在天线反射面支撑板的左侧面，一体化GPS安装在天线反射面上方，卫星信标接收机安装在天线转动平台底板上；波导/同轴旋转关节与滑环安装在天线底座中心；俯仰转动上限位开关、下限位开关分别安装在天线反射面支撑板的右支架上；极化转动左限位开关、右限位开关安装在极化传动大齿轮上；电机由方位电机、俯仰电机和极化电机组成，极化电机安装在馈源转筒上，俯仰电机、方位电机安装在天线转动平台底板上；一分二分路器安装在天线转动平台底板上，LNB的输出信号经一分二分路器分为二路，其中一路信号给卫星信标接收机用于天线跟踪，另一路信号经波导/同轴旋转关节给调制解调器，天线启动后，自动搜索卫星，即开环跟踪，一旦天线找到卫星，即进闭环跟踪。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)结构紧凑、简单，天线系统整体重量轻，响应快。本发明由于方位传动采用步进电机+同步轮结构，俯仰传动采用丝杆式步进电机直接推拉天线反射面结构，因此，天线传动部分结构紧凑、简单；本发明天线系统所采用的零部件平衡地分布安装在天线转动平台上，因此，天线转动惯量小，响应速度快。(2)本发明采用的三维坐标系是一个随天线运动的动态坐标系，在三个坐标轴上分别安装了压电式角速率传感器。虽然本发明在倾斜轴上无传动装置，但本发明采用“超前补偿”方法，倾斜轴上产生的角位移按75％、25％分别按矢量叠加在方位轴、俯仰轴上，利用方位电机、俯仰电机的“额外”转动，克服天线的倾斜位移，使天线始终跟踪卫星。(3)本发明采用了副面高速旋转式卫星象限识别器。由卫星象限识别器得到天线偏离卫星象限后，对天线速度闭环进行再调整，使天线随动车体的速度更精确，使天线精确对准卫星。(4)本发明采用了波导/同轴旋转关节与滑环组合成一个整体，使天线方位转动无限位。本发明的滑环定子采用无氧铜材料，无需镀耐磨金，成本低；滑环转子采用铜/石墨合金电刷，导电性能好，耐磨且无火花产生。(5)本发明采用了开环跟踪、闭环跟踪两种天线跟踪卫星控制方式。在开环跟踪方式下，参考重力倾角仪、电子罗盘的输出，同时与卫星信标接收机的输出电平形成闭环；在闭环方式下，参考三轴角速率传感器的输出及卫星象限识别器的输出，同时与卫星信标接收机的输出电平形成闭环。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明车载Ku波段卫星通信小口径天线系统组成框图。
图2(a)是本发明的安装示意图。
图2(b)是图2(a)中a的局部放大示意图。
图2(c)是图2(a)的俯视安装示意图。
图3是本发明的外形图。
图4(a)、(b)是方位转动平台传动结构示意图。
图5是俯仰转动结构示意图。
图6是馈源传动结构示意图。
图7是天线坐标系图。
图8是卫星象限区域图。
图9(a)、(b)是副面结构图。
图10(a)、(b)是红外光管发射/接收管结构图。
图11是天线开环控制流程图。
图12是天线开环控制程序流程图。
图13是天线闭环控制流程图。
图14是天线闭环控制程序流程图。
图15(a)是波导/同轴/滑环的主视图。
图15(b)是波导/同轴/滑环的俯视图。
图16是车内天线控制单元前面板图。
图17是天线与车内控制单元连接框图。
图中附图标记及其对应的组成部分：天线反射面1，副面2，副面遮光板2-1，副面电机2-2，卫星象限识别电路板2-3，馈源3，方位角速率传感器4-1，倾斜角速率传感器4-3，俯仰角速率传感器4-2，电子罗盘5，重力倾角仪6，方位电机7-1，俯仰电机7-2，极化电机7-3，一体化GPS8，卫星信标接收机9，天线控制器10，LNB11，波导/同轴旋转关节12，极化转动左限位开关13，极化转动右限位开关14，天线反射面支撑板15，收发双工器16，极化电位器17，极化电位器齿轮17-1，极化电机齿轮17-2，极化限位杆17-3，一分二分器18，俯仰转动上限位开关19，俯仰转动下限位开关20，副面支撑板21，天线转动平台底板22，天线底座23，SMA输入口〔接收信号〕12-1，SMA输出口〔接收信号〕12-2，波导输入口〔发射信号〕12-3，波导输入口〔发射信号〕12-4，天线底座23，天线罩24，直流供电及232信号传输接线口25，方位轴承转子27-1，方位轴承定子27-2，小同步轮27-3，同步带〔XL型〕27-4，天线反射面支撑板15，天线转动平台底板22，俯仰轴承26-1，铜套26-2，左支架28-1，右支架28-2，俯仰电机左支架28-3，俯仰电机右支架28-4，俯仰电机铰链28-5，馈源转筒28，极化传动大齿轮29，红外光管发射/接收管D130-1，红外光管发射/接收管D230-2，红外光管发射/接收管D330-3，红外光管发射/接收管D430-4，卡槽30-5，滑环31，滑环转子31-1，滑环定子31-2，铜/石墨合金电刷31-3，滑环导电环31-4，天线底座固定面31-5。
具体实施方式
1.1本发明车载Ku波段卫星通信小口径天线系统的系统组成
结合图1，本发明车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，包括天线反射面1、馈源3、LNB11、收发双工器16和天线控制器10，以及分别与天线控制器10相连接的角速率传感器、卫星象限识别器、电子罗盘5、重力倾角仪6、极化电位器17、电机7、一体化GPS 8、卫星信标接收机9、波导/同轴旋转关节12与滑环31、俯仰转动上限位开关19、下限位开关20、极化转动左限位开关13、右限位开关14和车内天线控制单元32，该车内天线控制单元32安装在车内机架上，天线反射面1安装在天线反射面支撑板15上；卫星象限识别器由副面2、副面电机2-2、卫星象限识别电路板2-3及副面遮光板2-1组成，该卫星象限识别电路板2-3安装在副面2背面，副面2安装在副面电机2-2轴上，卫星象限识别电路板2-3固定时要垂直副面电机2-2的轴，该副面电机2-2安装在副面支撑板21上，副面遮光板2-1固定在副面2背面与副面2成一体且随副面高速旋转；馈源3)、LNB11、收发双工器16分别安装在馈源转筒28上；角速率传感器包括方位角速率传感器4-1、倾斜角速率传感器4-3和俯仰角速率传感器4-2，方位、倾斜角速率传感器4-1、4-3安装在天线转动平台底板22上，俯仰角速率传感器4-2安装在天线反射面支撑板15上；电子罗盘5安装在天线转动平台底板22的背面，重力倾角仪6安装在天线反射面支撑板15的左侧面，一体化GPS 8安装在天线反射面1上方，卫星信标接收机9安装在天线转动平台底板22上；波导/同轴旋转关节12与滑环31安装在天线底座23中心；俯仰转动上限位开关19、下限位开关20分别安装在天线反射面支撑板15的右支架28-2上；极化转动左限位开关13、右限位开关14安装在极化传动大齿轮29上；电机7由方位电机7-1、俯仰电机7-2和极化电机7-3组成，极化电机7-3安装在馈源转筒28上，俯仰电机7-2、方位电机7-1安装在天线转动平台底板22上；一分二分路器18安装在天线转动平台底板22上，LNB11的输出信号经一分二分路器18分为二路，其中一路信号给卫星信标接收机9用于天线跟踪，另一路信号经波导/同轴旋转关节12给调制解调器，天线启动后，自动搜索卫星，即开环跟踪，一旦天线找到卫星，即进闭环跟踪，见图2〔a、b、c〕及图16。
1.2本发明的主要零部件安装位置及特点
1.2.1天线反射面、副面、馈源、LNB、收发双工器
天线反射面1安装在天线反射面支撑板15上；副面2安装在副面电机2-2轴上；馈源3安装在天线反射面支撑板15上。
1.2.2一分二分路器
一分二分路器18安装在天线转动平台底板22上，LNB11的输出信号经一分二分路器18分为二路，其中一路信号给卫星信标接收机9用于天线跟踪，另一路信号经波导/同轴旋转关节12给调制解调器(Modem)。
1.2.3天线控制器
天线控制器10安装在天线转动平台底板22上。分别与天线控制器10相连接的零部件有：角速率传感器4，电子罗盘5，重力倾角仪6，电机7，一体化GPS8，卫星信标接收机9，极化转动左、右限位开关13、14，俯仰上、下限位开关19、20，极化电位器17，卫星象限识别电路板2-3，滑环电刷31-3。
1.2.4压电式角速率传感器
方位角速率传感器4-1、倾斜角速率传感器4-3安装在天线转动平台底板22上；俯仰角速率传感器4-2安装在天线反射面支撑板15上，角速率传感器输出为模拟电压。
1.2.5电子罗盘、重力倾角仪
电子罗盘5安装在天线转动平台底板22的背面，重力倾角仪6安装在天线反射面支撑板15的左侧面，电子罗盘输出为232口，重力倾角仪输出为模拟电压。
1.2.6天线副面偏心旋转式卫星象限识别器
卫星象限识别器由副面2、副面电机2-2、卫星象限识别电路板2-3及副面遮光板2-1组成。副面电机2-2采用无刷直流电机，安装在副面支撑板21上。卫星象限识别电路板2-3安装在偏心副面2背面，副面遮光板2-1安装在副面2背面与副面2成一体且随副面2高速旋转。卫星象限识别电路板2-3输出偏心副面4个相互正交的天线副面位置状态值，见图9、图11。
1.2.7波导/同轴旋转关节与滑环
波导/同轴旋转关节12与滑环31组成一个同心体。该装置安装在天线底座23中心，其滑环定子31-2与天线底座23固定，滑环导电环31-4固定在滑环定子31-2上，滑环转子31-1与天线转动平台底板22固定，滑环电刷31-3固定在滑环转子31-1上，见图15(a)、(b)。
1.2.8电机
天线系统安装有3只电机。其中俯仰电机7-2采用丝杆式步进电机，直接驱动天线反射面1绕其支撑轴转动；方位电机7-1采用步进电机，通过同步带传动驱动天线转动平台底板22绕波导/同轴旋转关节12与滑环31中心转动；极化电机7-3采用直流电机，通过齿轮传动驱动馈源转筒28绕其中心转动。
本发明天线转动平台27传动采用同步轮皮带传动结构(见图4)，天线转动平台定子27-2与天线底座23固定，天线转动平台转子27-1与天线转动平台底板22固定，小同步轮27-3与方位电机7-1轴固定，同步带27-4固定在天线转动平台定子27-2与小同步轮27-3之间；天线俯仰传动26采用丝杆式步进电机结构，见图5。天线反射面支撑板15上安装有轴承26-1与左、右支架28-1、28-2固定，左右支架28-1、28-2与天线转动平台底板22固定，俯仰电机7-2上安装有铜套26-2与俯仰电机左、右支架28-3、28-4固定。俯仰电机丝杆与俯仰电机铰链28-5固定，俯仰电机铰链28-5与天线反射面支撑板15固定；天线极化转动采用齿轮传动结构，极化电机7-3、极化电位器17、收发双工器16固定在馈源转筒28上。LNB11固定在收发双工器16上，极化电机齿轮17-2固定在极化电机轴上且与极化传动大齿轮29耦合。天线方位、俯仰、极化传动结构简单，重量轻，惯量小，易实现，可靠性高。
1.2.9一体化GPS
一体化GPS 8安装在天线反射面1上方。GPS输出为232口。
1.2.10卫星信标接收机
卫星信标接收机9安装在天线转动平台底板22上，频率设置为232口，输出为模拟电压。
1.2.11俯仰传动上、下限位开关
俯仰传动上限位开关19、俯仰传动下限位开关20采用无触点式磁开关，开关磁体部分安装在天线反射面支撑板15的右侧面，开关体安装在天线反射面支撑板15的右支架28-2上。
1.2.12馈源极化左限位开关13、馈源极化右限位开关14采用触点式开关，安装在极化传动大齿轮29上，极化限位杆17-3安装在馈源转筒28上。极化传动大齿轮29安装在天线反射面支撑板15上，极化电位器17安装在馈源转筒28上，极化电位器17轴上极化电位器齿轮17-1与极化传动大齿轮29耦合。
1.2.13车内天线控制单元
车内天线控制单元32安装在车内机架上，供电输入为AC220V，输出DC15V给天线供电，与天线之间的连接采用232口，与BUC(固态功放)、Modem(调制解调器)的连接口为N型插座。
1.2.14天线罩24固定在天线底座23上，天线罩、天线底座采用玻璃钢材料，直流供电及232信号传输接线口25固定在天线底座23内壁上。
1.3本发明的工作原理
天线开环控制流程见图11。
1.3.1天线初始化(天线开环跟踪过程)
天线系统加电后，用户键入要工作的卫星号(天线控制器10已预先存储7颗卫星经度)或卫星经度及要工作的卫星极化。天线控制器10接收车内天线控制单元32输出的用户指令后，保持75秒不运动(电子元器件预热)，同时读取一体化GPS 8信号及设定卫星信标接收机9工作频率(已预先存储在天线控制器内)。75秒时间到，根据GPS参数(若在75秒内没读到GPS参数，则利用上一次关机前天线工作的GPS参数)按下列公式计算出天线对准卫星的方位角度A、俯仰角度E和极化角度P：
其中，
θ＝天线的地理纬度。天线控制器10依据极化电位器17的输出信号控制极化电机7-3驱动天线馈源3转动至极化角度P，控制方位电机7-1驱动天线转动平台27转动360°，同时采样卫星信标接收机9输出的噪声电平V0，并监测电子罗盘5、重力倾角仪6及俯仰角速率传感器4-2，控制俯仰电机7-2快速驱动天线反射面支撑板15转到俯仰角E处，然后控制天线转动平台27在方位角A±30°范围内快速转动，同时采样卫星信标接收机9输出的天线接收信号电平V，将该信号电平与噪声电平V0进行对比，一旦V-V0＞VC(VC＝门限)即表示天线进入卫星波束内，控制天线转入闭环跟踪过程；若天线转动平台27在方位角A±30°内没有搜索到卫星，V-V0＜VC则控制天线反射面支撑板15转动上或下2°，控制天线转动平台27再在方位角A±30°内转动搜索卫星，如此反复直到搜索到卫星V-V0＞VC，天线控制器10控制天线进入卫星波束后转为闭环跟踪。
1.3.2天线闭环跟踪
天线闭环控制流程见图13。
天线闭环跟踪过程中，天线控制器10采样方位角速率传感器4-1、俯仰角速率传感器4-2、倾斜角速率传感器4-3及检测卫星象限识别电路板2-3的状态，依据方位角速率传感器4-1、俯仰角速率传感器4-2、倾斜角速率传感器4-3的输出，将倾斜角速率传感器4-3的输出矢量叠加在方位、俯仰轴上，同时通过卫星象限识别器调制处理，即对天线方位、俯仰角速率进行加速、减速或匀速处理，驱动天线俯仰电机7-2、方位电机7-1跟随车体的运动；天线控制器10在控制天线转动的同时，采样卫星信标接收机9的输出电平Vt并进行最大值比较处理，若Vt＞Vt-1，Vt-1为前一时刻卫星信标接收机9的输出电平，则天线保持转速不变；若Vt-Vt-1＜VT(VT＝门限)则天线控制器10立即采样方位、俯仰、倾斜角速率传感器4-1、4-2、4-3，同时检测天线偏离卫星的象限，重新对天线转动速度进行修正，使天线始终跟踪卫星。
车体在转弯时，由于离心力作用会使天线产生倾斜，而天线在闭环跟踪过程中，由于天线倾斜轴上无电机及转动结构，天线倾斜轴不转动。天线控制器10将倾斜角速率传感器4-3敏感的倾斜角速度变化量的75％、25％分别按矢量投影法则叠加在方位轴、俯仰轴上，通过驱动方位电机7-1、俯仰电机7-2保证天线始终跟踪卫星。天线控制器10一当检测到倾斜角速率传感器4-3的输出有变化，立即控制方位电机、俯仰电机驱动天线转动，而不是等待倾斜角位移形成后再转动天线，即所谓超前补偿修正，保证天线始终跟踪卫星，即倾斜角速率传感器4-3一旦敏感到车体在倾斜轴方向上的速率变化，由天线控制器10采样该倾斜角速率传感器4-3的输出，再控制方位电机7-1、俯仰电机7-2立即转动天线(而不是在形成倾斜角位移偏差后再转动天线，即超前修正由于天线倾斜造成的天线偏离卫星的误差)，在转动天线的过程中对倾斜角速率传感器4-3的输出进行积分后等于车体在倾斜轴方向上的角位移，该位移的75％，25％分别按矢量投影法则叠加在天线方位轴、俯仰轴上，等效于天线在方位轴、俯仰轴上产生了该矢量偏移，天线控制器10控制方位电机7-1、俯仰电机7-2转动消除该矢量偏移，达到天线对准卫星的目的。
车体在运行过程中，由于道路颠簸、信号遮挡等原因，跟踪卫星失败，天线控制器控制天线在当前工作角度处方位快速±30°转动搜索卫星，搜索不成功，俯仰快速转动上(下)2°一次，方位再快速±30°转动搜索卫星，搜索到卫星又转入闭环跟踪，若再搜索不成功，天线转入开环跟踪，利用倾角仪、电子罗盘的输出参数搜索卫星。
2.1天线坐标系与角速率传感器
本发明的天线坐标系采用方位/俯仰/倾斜三轴相互垂直动态坐标系。其中倾斜轴与卫星的投影重合，方位轴垂直于天线转动平台22，见图7。在方位、俯仰、倾斜轴上分别安装方位角速率传感器4-1、俯仰角速率传感器4-2和倾斜角速率传感器4-3，该方位、俯仰、倾斜角速率传感器4-1、4-2、4-3实时敏感车体在运动中的角速率变化，根据方位、俯仰、倾斜角速率传感器4-1、4-2、4-3的输出，控制天线方位电机7-1、俯仰电机7-2向车体运动相反的方向运动，即在天线控制器10中形成角速率闭环。由于本发明中倾斜轴上没有电机及转动结构，由倾斜产生的角速率变化积分后等于倾斜角位移，该角位移的75％，25％分别按矢量投影法则叠加在天线方位轴、俯仰轴上，采用超前补偿方法，即倾斜角速率传感器一旦敏感到倾斜变化，天线控制器控制方位电机、俯仰电机立即转动天线(而不是在倾斜角位移达到某一门限后再转动天线)。在转动天线的过程中对倾斜角速率进行积分，补偿由于天线倾斜造成的天线偏离卫星。
2.2卫星象限识别
本发明使副面2中心偏离馈源3中心d为0.8～1.5mm，并且使副面2以8000～15000圈/分钟高速旋转，当副面2高速旋转时卫星象限识别电路板2-3输出副面四个相互正交的天线副面位置状态值，根据该四个状态值，得到天线偏离卫星的象限区域。即该卫星象限识别电路板2-3上按正交均匀分布四个红外光管发射/接收管30，分别为D1红外光管发射/接收管30-1、D2红外光管发射/接收管30-2、D3红外光管发射/接收管30-3、D4红外光管发射/接收管30-4，并且D2，D4红外光管发射/接收管30-2、30-4与俯仰轴平行，D1，D3红外光管发射/接收管30-1、30-3与D2，D4红外光管发射/接收管30-2、30-4垂直，副面2旋转时副面遮光板2-1穿过红外光管发射/接收管30，副面遮光板2-1在红外光管发射/接收管卡槽30-5内与红外光管发射/接收管不接触。如副面中心偏离馈源中心1mm，并且使副面以12000圈/分钟高速旋转，同时在副面背面固定一块6mm宽遮光板。并且在副面2背面安装一块卫星象限识别电路板板2-3，该卫星象限识别电路板2-3上按正交均匀分布4个红外光管发射/接收管，见图9。副面2旋转时遮光板穿过红外光管发射/接收管D1D2D3D4。天线在跟踪卫星时，副面以12000转/分钟高速旋转，即副面遮光板每5ms经过一次4个红外光管发射/接收管，在经过红外光管发射/接收管时采样卫星信标接收机的输出电平，即可得到4个跟踪信号电平值V1，V2，V3，V4。本发明把天线偏离卫星象限划分成10个区域见图8，由于副面中心偏离馈源中心，V1～V4的规律如下：天线偏离卫星上方则V1＞V3；天线偏离卫星下方则V1＜V3；天线偏离卫星左方则V2＞V4；天线偏离卫星右方则V2＜V4。由此就可得到天线偏离卫星的象限。
经实测，0.6米环焦天线，采用上述卫星象限识别器，采样一次信号电平耗时140us，天线在方位轴、俯仰轴各偏离卫星±2°时象限识别率达95％。
天线控制器10控制天线在跟踪卫星过程中，卫星象限识别器对速度闭环进行调制，天线控制器10根据角速度传感器得到天线角速度变化，对角速度微分得到角加速度，依据角加速度的大小对天线进行超调或滞后修正时考虑卫星象限识别器所给出的天线偏离卫星的象限对方位电机、俯仰电机的跟踪速度再次调制，使电机速度再加速/减速/不变。即每5ms得到一次天线偏离卫星的象限，相当于准单脉冲的效果。
2.3天线开环控制程序流程
为了完成图11所示功能而编制的程序流程图，见图12。按照图12步骤对天线控制器10进行编程控制天线转动。
开环控制各步骤功能如下：
K01：232口(波特率＝4800Bit/秒)与车内天线控制单元通信接收要工作的卫星号和极化方式命令
K02、K03：开机75秒天线不转动，预热天线控制器内元器件，获取GPS车体地理经、纬度，从天线控制器内Flach内存中获取要工作的卫星经度，卫星信标频率。
K04：按3.3.1节公式计算得到天线的理论方位、俯仰、极化角度。
K05：方位以50°/秒转动360°，同时采样卫星信标接收机输出的信号噪声电平V0
K06、K07、K08：获取天线当前的方位、俯仰、极化角度。
K09、K10：驱动天线转至理论极化角、理论俯仰角处。
K11、K12：方位以50°/秒在理论角±30°区域转动，同时采样卫星信标接收机输出电平V。
K13、K14：V与V0比较，若(门限电平)，表示天线没有搜索到卫星，此时方位停止，俯仰上2°，再重复K11、K12步骤；若仍然没有搜索到卫星，则方位停止，俯仰下4°，再重复K11、K12步骤。如此反复，俯仰在理论角度±2°内，方位在理论角度±30°内转动搜索卫星。当
表示天线已进入卫星的波束内，天线由开环跟踪转入闭环跟踪。
说明：天线开环控制程序流程为K03～K14。
2.4天线闭环控制程序流程
为了完成图13所示功能而编制的程序流程图，见图14。按照图14的步骤，对天线控制器进行编制，控制天线转动跟踪卫星。
闭环控制各步骤功能如下：
B01、B02、B03：采样方位、俯仰、倾斜角速率传感器并进行模/数变换(模/数变换精度为10位)，将倾斜角速率75％、25％分别矢量叠加在方位轴、俯仰轴上。
B04：根据前、后两次采样角速率传感器的时间t，得到角加速率，按2价最小误差控制理论对天线方位、俯仰角速率进行设置。
B05、B06：采样4次卫星信标机输出电平并进行模/数变换(模/数变换精度为10位)。
B07、B08：按4.2节给出的卫星象限规律，确定天线偏离卫星的象限，同时对由B04设置的天线方位、俯仰角速率再调制，即天线偏离象限与天线转动方向相同则减速；反之则加速；若车体无角速度运动但天线偏离卫星，则天线慢速接近卫星。
B09、B10：将B05的四次采样值“和”成一个值Vt，前、后两个“和”值比较，Vt-Vt-1＞0表示天线转动的方向及速率合适，天线保持该速度及方向不变，再次进行B05、B06步骤，直到Vt-Vt-1＜0，表示跟踪卫星信标信号变小了，天线转动的速度或方向与车体不相一致，需要重新测定车体的转动速度及方向，转入B01、B02、B03步骤，如此反复形成天线角速率闭环，卫星信标信号闭环跟踪。
2.5波导(发射)、同轴(接收)、滑环31(直流供电+232信号)
本发明采用外购的波导/同轴旋转关节12与自制的滑环31(直流供电+232信号)组合成一个同心旋转体，见图15(a、b)。滑环定子31-2导电环采用无氧铜材料与天线底座23固定，滑环定子31-2共有四个导电环31-4；滑环转子31-1采用环氧板材料，滑环转子31-1上安装有十个电刷31-3，该电刷31-3采用85％铜、15％石墨合金，滑环转子31-1与天线转动平台底板22固定。
2.5.114～14.5GHz发射信号通过波导旋转关节与天线连接，波导旋转关节与馈源双工器之间的连接采用柔软型低损耗电缆。实测天线底座波导入口与双工器发射口之间的插损约为1.5dB，天线底座发射端口为BJ140波导口。
2.5.2950～1450MHz接收信号通过同轴旋转关节与天线连接。天线底座接收出口为SMA-K座。
2.5.3直流供电+232信号传输采用滑环结构。滑环转子采用铜(85％)、石墨(15％)合金作电刷，环氧板作电刷固定体，电刷固定体与天线转动平台固定。四个导电环31-4的接线端在最外环的外侧面，四个环的最里面的环为直流15V供电环，环宽6mm，直流供电环上分布安装三个电刷，三个电刷并联在一起组成一个电极；最外面两个环为信号232传输环，环宽4mm，每个环上分布安装两个电刷，该两个电刷并联在一起组成一个电极，直流供电(地)与232信号(地)共用中间的环为直流供电地，环宽6mm，环上分布安装三个电刷，该三个电刷并联在一起组成一个电极。
2.6天线电机
2.6.1方位电机采用二相步进电机，同步轮皮带传动，传动速度＝0.0577°/步
2.6.2俯仰电机采用二相丝杆式直线步进电机，传动速度＝0.007°/步
2.6.3极化电机采用直流电机，传动速度＝3.7°/秒
2.6.4副面电机采用无刷直流电机，转速＝12000圈/分钟
方位电机、俯仰电机驱动电路采用恒流斩波电路，天线方位轴、俯仰轴的锁定采用电机上加不变化电流，使电机产生锁定力矩。
2.7天线传动结构
天线转动平台传动采用同步轮皮带传动(见图4)。同步轮齿型为XL型，大同步轮(天线转动平台轴承外环与天线底座固定)为156个齿，小同步轮(与方位电机轴相连，方位电机固定在天线转动平台上，天线转动平台与天线转动平台轴承内环固定)为10个齿，同步带宽15mm；天线俯仰转动直接采用丝杆式直线步进电机(见图5)，俯仰转动支点在天线左、右支架的轴线上，天线支架与天线反射面支撑板采用轴承耦合，俯仰电机与电机支架采用铜套耦合，丝杆电机工作时围绕其支架支点作直线运动推动天线反射面支撑板围绕俯仰转动支点作圆周运动；天线极化传动采用齿轮耦合式结构，极化电机固定在馈源转筒上，极化电机轴上的齿轮与固定在天线反射面支撑板上的极化大齿轮耦合传动。
2.8车内天线控制单元
2.8.1车内天线控制单元为1个U，19″机架式插件，见图16，图17。天线控制单元能实时显示天线所跟踪的卫星经度；车体的地理经、纬度；车体的理论极化角、方位角、俯仰角；车体实际的极化角、方位角、俯仰角；天线跟踪卫星信标信号的噪声电平、跟踪电平；天线跟踪/丢失卫星。
2.8.2车内天线控制单元内安装一个5～2000MHz的电子开关，卫星调制器的激励信号经过此开关再接至车顶部的固态功放。
2.8.3车内控制单元工作流程
开机后选择自动模式(
键)，键入要跟踪的卫星号(卫星号所对应的卫星经度，信标频率已预先编程固化在程序里)及极化方式(垂直/水平)或自选卫星，键入卫星经度及极化方式，而且要输入卫星信标频率。车内控制单元将控制命令发给天线控制器，启动天线开始工作，天线工作后天线控制器每隔150ms将天线工作参数(见4.8.1节)返回车内天线控制单元，通过车内控制单元面板“显示选择”键对天线工作参数进行切换显示。车内控制单元内的电子开关通/断受天线返回的工作参数控制，当天线跟踪卫星时开关导通，天线丢失卫星时开关断开。
2.8.4车内控制单元的信号连接
车内控制单元的信号连接见图17。
2.8.4.1采用2*5电缆(DC15V2芯，232口3芯)与天线相连，直流电源地与232信号地在车内天线控制单元内部不相连，两地线分开，减小电源对232口传输的干扰。
2.8.4.2卫星调制器输出的固态功放激励信号接入天线控制单元内的电子开关输入端，电子开关的输出端与固态功放相连。
2.8.4.3车内控制单元留有232口与远控相连，将天线返回的工作参数传输至远控终端上。
3、实施例
3.1参考图2〔a、b、c〕所示安装本发明的零部件及其前述内容。
3.2参考图1所示连接本发明的零部件。
3.3参考图15，连接车内控制器。
3.4参考图7，所示建立天线坐标系，本发明角速率传感器敏感图7所示天线坐标系，方位、俯仰、倾斜角速率传感器一定要相互垂直且与天线坐标系重合。
3.5参考图8示安装卫星象限识别电路板，要保证红外光管发射/接收管D2，D4平行于天线俯仰轴，D1，D3红外光管发射/接收管垂直于D2，D4红外光管发射/接收管，卫星象限识别电路板固定时要垂直于副面电机轴。副面电机高速旋转时，遮光板在红外光管发射/接收管D1D2D3D4卡槽内与红外光管发射/接收管不接触。
3.6参考图12，编制天线开环控制软件，由于电子罗盘受环境(大楼、广告牌、平行运动的汽车等)影响较大，重力倾角仪时延长，因此在天线跟踪卫星中不能利用电子罗盘及重力倾角仪作为位置闭环，上述器件只有当车体基本处于静止或直线匀速时才准确。
3.7滑环定子导电环若用黄铜或紫铜制造，则表面要镀耐磨金，不能镀金、银、镍等，用无氧铜制造则表面不需镀其他合金，只需抛光即可。电刷要采用铜(85％)、石墨(15％)合金制造，这种电刷耐磨且导电率高，也不会在天线转动时产生火花。
本发明的主要技术指标
0.6米动中通天线系统主要技术指标
●天线口径 0.6米(方位)*0.48米(俯仰)(环焦)
●天线工作频率 接收 12.25～12.75GH
发射 14～14.5GH
●天线增益 接收 35.8+20log(F/12.5)dBi
发射 37.0+20log(F/14.25)dBi
●天线第一旁瓣 ≤-13dB
●天线极化方式 正交线极化
●天线噪声温度(仰角＝5°) 67.3K
●最大EIRP(dBW) 48
●半功率角 发射 2.0°
接收 2.6°
●端口隔离度(含发阻滤波器) ≥85dB
●馈源插入损耗 ≤0.35dB
●电压驻波比 发射≤1.50
接收≤1.50
●LNB工作频率 输入：12.25～12.75GH
输出：950～1450MHZ
●LNB噪声系数 0.7dB
●LNB增益 60dB
●交叉隔离度 30dB
●系统G/T值 12.8dB/K°(仰角＝30°)
●功率容量 100W
●搜索捕获卫星的时间(开机) 100秒～180秒
(出隧道) ≤4秒
●丢失卫星后的位置记忆时间 120秒
●跟踪方式 圆锥扫描极大值跟踪
●跟踪精度 ＜1.5dB
●副面扫描速度 12000圈/分
●天线运动速度 方位≤80°/秒
俯仰≤15°/秒
●天线加速度 方位≤200°/s2
俯仰≤80°/s2
●天线运动范围 方位：无限位(滑环)
俯仰：25°～75°
极化：±95°
●极化角调节 自动
●车载平台振动频率 100HZ
●车载平台振幅 30mm
●抗滚动角范围 横摇/纵摇：±8°/±10°
●抗滚动响应速度 ＞25°/s
●车体转弯速度 ＞30°/s (35公里/小时)
注：车体在4秒内转弯180°(车速20公里/小时)，天线跟踪卫星不失锁。
●可适应的典型运动平台 ≤260公里/小时(火车)
≤150公里/小时(高速公路)
≤100公里/小时(一级公路)
≤70公里/小时(城郊公路)
35公里/小时(三级公路)
●连续工作时间 ＞48小时
●可靠性(MTBF) ＞10000小时
●温度 -25°～65℃
●湿度 100％
●风荷 40米/秒风速正常工作
●供电 DC 15v/4A
●功耗(峰值) ＜70W
●重量 24KG
●外形尺寸 直径680mm×高565mm
●天线罩 蜂窝玻璃钢
●减振器 无谐振峰隔振器，高度80mm
●适用车型 吉普车、面包车、工程方舱车、火车
●天线控制单元(IDU)尺寸(mm) 190一个μ
●与BUC接口 发射：BJ140波导口
●与Modem接口 接收：SMA
说明：0.6米环焦天线可以发射2MHZ标准通信信息(包含数据、图象)
本发明车载Ku波段卫星通信小口径天线系统经过实测：
①车体在运动中，冷态(天线系统刚加电)对星120秒～180秒，热态(车体出隧道)对星2秒～5秒；瞬态(车体经过立交桥)对星0秒。
②车体以20公里/小时速度运动，4秒左右车体转弯180°天线不丢失卫星(卫星MODEM显示Eb/NO最大下降＜3dB)
③车体在颠簸不平的三级公路上以35公里/小时速度行驶，天线不丢失卫星(卫星MODEM显示Eb/NO最大下降＜3dB)
④车体以35公里/小时速度行驶，经过一碎石堆(高度为25cm，直径为40cm)，卫星MODEM锁定灯仅闪烁一下。
⑤车体以75～90公里/小时速度行驶，紧急刹车(一脚刹死)，天线不丢失卫星(卫星MODEM显示Eb/NO最大下降＜4dB
Claims (10)
1.一种车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，包括天线反射面(1)、馈源(3)、LNB(11)、收发双工器(16)和天线控制器(10)，以及分别与天线控制器(10)相连接的角速率传感器、卫星象限识别器、电子罗盘(5)、重力倾角仪(6)、极化电位器(17)、电机(7)、一体化GPS(8)、卫星信标接收机(9)、波导/同轴旋转关节(12)与滑环(31)、俯仰转动上限位开关(19)、下限位开关(20)、极化转动左限位开关(13)、右限位开关(14)和车内天线控制单元(32)，该车内天线控制单元(32)安装在车内机架上，其特征在于：天线反射面(1)安装在天线反射面支撑板(15)上；卫星象限识别器由副面(2)、副面电机(2-2)、卫星象限识别电路板(2-3)及副面遮光板(2-1)组成，该卫星象限识别电路板(2-3)安装在副面(2)背面，副面(2)安装在副面电机(2-2)轴上，卫星象限识别电路板(2-3)固定时要垂直副面电机(2-2)的轴，该副面电机(2-2)安装在副面支撑板(21)上，副面遮光板(2-1)固定在副面(2)背面与副面(2)成一体且随副面高速旋转；馈源(3)、LNB(11)、收发双工器(16)分别安装在馈源转筒(28)上；角速率传感器包括方位角速率传感器(4-1)、倾斜角速率传感器(4-3)和俯仰角速率传感器(4-2)，方位、倾斜角速率传感器(4-1、4-3)安装在天线转动平台底板(22)上，俯仰角速率传感器(4-2)安装在天线反射面支撑板(15)上；电子罗盘(5)安装在天线转动平台底板(22)的背面，重力倾角仪(6)安装在天线反射面支撑板(15)的左侧面，一体化GPS(8)安装在天线反射面(1)上方，卫星信标接收机(9)安装在天线转动平台底板(22)上；波导/同轴旋转关节(12)与滑环(31)安装在天线底座(23)中心；俯仰转动上限位开关(19)、下限位开关(20)分别安装在天线反射面支撑板(15)的右支架(28-2)上；极化转动左限位开关(13)、右限位开关(14)安装在极化传动大齿轮(29)上；电机(7)由方位电机(7-1)、俯仰电机(7-2)和极化电机(7-3)组成，极化电机(7-3)安装在馈源转筒(28)上，俯仰电机(7-2)、方位电机(7-1)安装在天线转动平台底板(22)上；一分二分路器(18)安装在天线转动平台底板(22)上，LNB(11)的输出信号经一分二分路器(18)分为二路，其中一路信号给卫星信标接收机(9)用于天线跟踪，另一路信号经波导/同轴旋转关节(12)给调制解调器，天线启动后，自动搜索卫星，即开环跟踪，一旦天线找到卫星，即进闭环跟踪。
2.根据权利要求1所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：俯仰电机(7-2)采用丝杆式步进电机，直接驱动天线反射面(1)绕其支撑轴转动；方位电机(7-1)采用步进电机，通过同步带传动驱动天线转动平台底板(22)绕波导/同轴旋转关节(12)与滑环(31)中心转动；极化电机(7-3)采用直流电机，通过齿轮传动驱动馈源转筒(28)绕其中心转动；天线转动平台(27)传动采用同步轮皮带传动结构，即天线转动平台定子(27-2)与天线底座(23)固定，天线转动平台转子(27-1)与天线转动平台底板(22)固定，小同步轮(27-3)与方位电机(7-1)轴固定，同步带(27-4)固定在天线转动平台定子(27-2)与小同步轮(27-3)之间从而实现方位传动；天线俯仰传动(26)采用丝杆式步进电机结构，即天线反射面支撑板(15)上安装有轴承(26-1)与左、右支架(28-1、28-2)固定，左右支架(28-1、28-2)与天线转动平台底板(22)固定，俯仰电机(7-2)上安装有铜套(26-2)与俯仰电机左、右支架(28-3、28-4)固定，俯仰电机(7-2)的丝杆与俯仰电机铰链(28-5)固定，俯仰电机铰链(28-5)与天线反射面支撑板(15)固定实现俯仰传动；天线极化转动采用齿轮传动结构，极化电机(7-3)固定在馈源转筒(28)上，极化电机齿轮(17-2)固定在极化电机(7-3)的轴上且与极化传动大齿轮(29)耦合。
3.根据权利要求2所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：收发双工器(16)固定在馈源转筒(28)上，LNB(11)固定在收发双工器(16)上；馈源极化左限位开关(13)、馈源极化右限位开关(14)采用触点式开关，安装在极化传动大齿轮(29)上，极化限位杆(17-3)安装在馈源转筒(28)上，极化传动大齿轮(29)安装在天线反射面支撑板(15)上，极化电位器(17)安装在馈源转筒(28)上，极化电位器(17)轴上极化电位器齿轮(17-1)与极化传动大齿轮(29)耦合。
4.根据权利要求1所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：天线坐标系采用方位/俯仰/倾斜三轴相互垂直动态坐标系，其中倾斜轴与卫星的投影重合，方位轴垂直于天线转动平台底板(22)，在方位、俯仰、倾斜轴上分别安装方位角速率传感器(4-1)、俯仰角速率传感器(4-2)和倾斜角速率传感器(4-3)，该方位、俯仰、倾斜角速率传感器(4-1、4-2、4-3)实时敏感车体在运动中的角速率变化，天线控制器(10)根据方位、俯仰、倾斜角速率传感器(4-1、4-2、4-3)的输出，控制天线方位电机(7-1)、俯仰电机(7-2)向车体运动相反的方向运动，即在天线控制器(10)中形成角速率闭环。
5.根据权利要求1或4所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：倾斜角速率传感器(4-3)一旦敏感到车体在倾斜轴方向上的速率变化，由天线控制器(10)采样该倾斜角速率传感器(4-3)的输出，再控制方位电机(7-1)、俯仰电机(7-2)立即转动天线，在转动天线的过程中对倾斜角速率传感器(4-3)的输出进行积分后等于车体在倾斜轴方向上的角位移，该位移的75％，25％分别按矢量投影法则叠加在天线方位轴、俯仰轴上，等效于天线在方位轴、俯仰轴上产生了该矢量偏移，天线控制器(10)控制方位电机(7-1)、俯仰电机(7-2)转动消除该矢量偏移，达到天线对准卫星的目的。
6.根据权利要求1所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：副面(2)中心偏离馈源(3)中心d为0.8～1.5mm，并且使副面(2)以8000～15000圈/分钟高速旋转，当副面(2)高速旋转时卫星象限识别电路板(2-3)输出副面四个相互正交的天线副面位置状态值，根据该四个状态值，得到天线偏离卫星的象限区域，即该卫星象限识别电路板(2-3)上按正交均匀分布四个红外光管发射/接收管(30)，分别为D1红外光管发射/接收管(30-1)、D2红外光管发射/接收管(30-2)、D3红外光管发射/接收管(30-3)、D4红外光管发射/接收管(30-4)，并且D2，D4红外光管发射/接收管(30-2、30-4)与俯仰轴平行，D1，D3红外光管发射/接收管(30-1、30-3)与D2，D4红外光管发射/接收管(30-2、30-4)垂直，副面(2)旋转时副面遮光板(2-1)穿过红外光管发射/接收管(30)，副面遮光板(2-1)在红外光管发射/接收管卡槽(30-5)内与红外光管发射/接收管不接触。
7.根据权利要求1所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：波导/同轴旋转关节(12)与滑环(31)组合成一个同心旋转体，滑环定子(31-2)导电环采用无氧铜材料与天线底座(23)固定，滑环定子(31-2)共有四个导电环(31-4)；滑环转子(31-1)采用环氧板材料，滑环转子(31-1)上安装有十个电刷(31-3)，该电刷(31-3)采用85％铜、15％石墨合金，滑环转子(31-1)与天线转动平台底板(22)固定。
8.根据权利要求7所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于四个导电环(31-4)的接线端在最外环的外侧面，四个环的最里面的环为直流供电环，环宽6mm，直流供电环上分布安装三个电刷，三个电刷并联在一起组成一个电极；最外面两个环为信号232传输环，环宽4mm，每个环上分布安装两个电刷，该两个电刷并联在一起组成一个电极，中间的环为直流供电地，环宽6mm，环上分布安装三个电刷，该三个电刷并联在一起组成一个电极。
9.根据权利要求1所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于：天线在开环跟踪过程中，天线系统加电后，用户通过车内天线控制单元(32)面板键入要工作的卫星号或卫星经度及要工作的卫星极化，天线控制器(10)接收车内天线控制单元(32)输出的用户指令后，读取一体化GPS(8)信号及设定卫星信标接收机(9)的工作频率，根据GPS参数按下列公式计算出天线对准卫星的方位角度A、俯仰角度E和极化角度P，
其中
θ＝天线的地理纬度；天线控制器(10)依据极化电位器(17)的输出信号控制极化电机(7-3)驱动天线馈源(3)转动至极化角度P，控制方位电机(7-1)驱动天线转动平台(27)转动360°，同时采样卫星信标接收机(9)输出的噪声电平V0，并监测电子罗盘(5)、重力倾角仪(6)及俯仰角速率传感器(4-2)，控制俯仰电机(7-2)快速驱动天线反射面支撑板(15)转到俯仰角E处，然后控制天线转动平台(27)在方位角A±30°范围内快速转动，同时采样卫星信标接收机(9)输出的天线接收信号电平V，将该信号电平与噪声电平V0进行对比，一旦V-V0＞VC(VC＝门限)即表示天线进入卫星波束内，控制天线转入闭环跟踪过程；若天线转动平台(27)在方位角A±30°内没有搜索到卫星，V-V0＜VC则控制天线反射面支撑板(15)转动上或下2°，控制天线转动平台(27)再在方位角A±30°内转动搜索卫星，如此反复直到搜索到卫星V-V0＞VC，天线控制器(10)控制天线进入卫星波束后转为闭环跟踪。
10.根据权利要求1或9所述的车载Ku波段卫星通信小口径天线系统，其特征在于天线闭环跟踪过程中，天线控制器(10)采样方位角速率传感器(4-1)、俯仰角速率传感器(4-2)、倾斜角速率传感器(4-3)及检测卫星象限识别电路板(2-3)的状态，依据方位角速率传感器(4-1)、俯仰角速率传感器(4-2)、倾斜角速率传感器(4-3)的输出，将倾斜角速率传感器(4-3)的输出矢量叠加在方位、俯仰轴上，同时通过卫星象限识别器调制处理，即对天线方位、俯仰角速率进行加速、减速或匀速处理，驱动天线俯仰电机(7-2)、方位电机(7-1)跟随车体的运动；天线控制器(10)在控制天线转动的同时，采样卫星信标接收机(9)的输出电平Vt并进行最大值比较处理，若Vt＞Vt-1，Vt-1为前一时刻卫星信标接收机(9)的输出电平，则天线保持转速不变；若Vt-Vt-1＜VT(VT＝门限)则天线控制器(10)立即采样方位、俯仰、倾斜角速率传感器(4-1、4-2、4-3)，同时检测天线偏离卫星的象限，重新对天线转动速度进行修正，使天线始终跟踪卫星。
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