CN101881972A - 移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星天线。本发明公开了一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法，定位抛物面天线方位角和俯仰角的零点位置，天线控制单元接收GPS的地理经纬度信号，然后算出抛物面天线对卫星的方位角和俯仰角；抛物面天线根据算出的方位角和俯仰角抬到相应的位置，然后开始大范围搜索，在搜索过程中，天线控制单元时刻采集卫星锁定电平，当卫星锁定电平有变化时，即天线锁定卫星；当天线锁定卫星后，抛物面天线即转入跟踪状态，在跟踪状态中，抛物面天线根据电子波束扫描的方法来消除误差信号，使抛物面天线时刻对准卫星。本发明跟踪精度高，成本低，使用寿命长。

Description

移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种卫星天线。具体涉及一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法。

背景技术

移动载体卫星跟踪系统是实现地球站与卫星之间的通信。由于卫星信号极其微弱且有极强的方向性，为使在运动载体(如车、船、火车等)上可以接收到稳定的信号，必须使天线系统实时的对准卫星，在移动的载体上利用天线控制单元实时检测天线与卫星的偏差及时对天线的姿态进行调整以满足通讯的要求。跟踪技术已经成为天线控制单元的核心。

卫星天线控制器所利用的跟踪技术主要是雷达目标跟踪算法，有步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪，用不同的跟踪技术就会有不同的性价比。早期跟踪卫星天线的设计中圆锥扫描跟踪使用最为广泛，但因为机械结构复杂，后来在小型的地球站的设计中逐步被单脉冲跟踪和步进跟踪所取代。步进跟踪的机械结构简单、算法容易理解、精度也较高，但其对天线的机械损耗比较大、跟踪精度受到机械性能的影响。随着电子工业的发展、跟踪要求的提高，现代雷达的设计中多采用单脉冲跟踪方法。此种方法可以在利用一个脉冲时间得到目标的精确位置，但实现极为昂贵，不适合民用卫星跟踪系统。因此、开发一种性能比步进跟踪优越而且使天线寿命延长的方法有重要的实际经济意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种跟踪精度高，产品成本低，使用寿命长的移动载体卫星天线接收跟踪系统。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法，有以下步骤：

1)系统初始化：定位抛物面天线方位角和俯仰角的零点位置，天线控制单元接收GPS的地理经纬度信号，然后算出抛物面天线对卫星的方位角和俯仰角；

2)抛物面天线根据算出的方位角和俯仰角抬到相应的位置，然后开始大范围搜索，

在搜索过程中，天线控制单元时刻采集卫星锁定电平，当卫星锁定电平有变化时，即天线锁定卫星；

3)当天线锁定卫星后，抛物面天线即转入跟踪状态，在跟踪状态中，抛物面天线根据电子波束扫描的方法来消除误差信号，使抛物面天线时刻对准卫星。

其中，所述电子波束扫描的方法步骤：

1)微处理器开关扫描板上的开关管，从而使馈源侧向偏离焦点，形成一个与瞄准轴成一定角度的波束；

2)然后，顺序开关开关管，在空间形成圆锥形波束；

3)当目标在瞄准轴上时，所有回波脉冲幅度相同，无误差信号；当目标偏离瞄准轴时，回波脉冲幅度产生起伏变化，形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号；交流误差信号的大小决定于目标偏离瞄准轴的角度；交流误差信号的相位则决定于目标偏离瞄准轴的方向；

4)此交流误差信号通过卫星解调电路输出给波形整形电路，波形整形电路把提取出来的交流误差信号送到微处理器中，微处理器再把此信号分解为方位角和俯仰角的大小和相位，分解后的大小和方向通过PID处理后，变换成脉冲和方向控制步进电机来消除抛物面天线和卫星的偏差。

其中，所述步进电机包括方位电机、俯仰电机。

由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：

1、本发明利用上述技术方案，以电子波束成形判断天线几何中心轴与卫星信号的偏转的方向和大小，因此以最简单、经济的方式实现天线的高精度的快速电子扫描跟踪。

2本发明既不需要复杂的机械系统，也不需要多信道跟踪接收机，其结构简单，价格便宜，且使用寿命长。

附图说明

图1为本发明移动载体卫星天线接收跟踪系统的工作流程图；

图2为本发明电子波束扫描的方法的工作流程图；

图3为本发明的方框示意图；

图4为本发明GPS天线结构的示意图；

图5为图2的左视图；

图6为本发明扫描板的结构示意图。

图中：1、抛物面天线；2、俯仰电机带轮；3、方位底盘；4、方位大带轮；5、方位中心轴；7、滚花螺母；8、微处理器安装盒；9、盒盖；11、天线支架；12、方位电机支架；13、微处理器安装盒支架；16、俯仰传动大带轮；17、压带板；18、天线支撑弯板；19、俯仰轴螺柱；20、轴承挡盖；21、轴承内圈挡套；22、轴承挡套；24、高频头；25、扫描板；26、高频头支架组件；27、角接触球轴承；28、深沟球轴承；29、锁紧螺母；30、方位同步带；31、俯仰一级同步带；32、微处理器；35、卫星信号解调电路；36、波形整形电路；37、串行通讯II；38、遥控指示器；39、串行通讯I；40、GPS天线；41、极化电机驱动电路；42、极化器；44、方位电机驱动电路；45、方位电机；47、俯仰电机驱动电路；48、俯仰电机；50、振子天线；51、开关管；52、基板。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，本发明的一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法：DPS天线40开始初始化：定位天线方位角和俯仰角的零点位置，天线控制单元接收GPS信号的地理经纬度，然后算出天线对卫星的方位角和俯仰角；DPS天线寻星：天线根据算出的方位角和俯仰角抬到相应的位置，然后开始大范围搜索，在搜索过程中，天线控制单元时刻采集卫星锁定电平，当卫星锁定电平有变化时，即天线锁定卫星；DPS天线跟踪：当天线锁定卫星后，天线即转入跟踪状态，在跟踪状态中，天线根据电子波束扫描的方法来消除误差信号，使天线时刻对准卫星。

参见图2，所述电子波束扫描的方法：微处理器开关扫描板上的开关管51，从而使馈源侧向偏离焦点，形成一个与瞄准轴成一定角度的波束。然后，顺序开关开关管51，在空间形成圆锥形波束(类似于圆锥扫描产生的波束)。当目标在瞄准轴上时，所有回波脉冲幅度相同，无误差信号。当目标偏离瞄准轴时，回波脉冲幅度产生起伏变化，形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号。交流误差信号的大小决定于目标偏离瞄准轴的角度；交流误差信号的相位则决定于目标偏离瞄准轴的方向。

此交流误差信号通过卫星信号解调电路35输出给波形整形电路36，波形整形电路36通过滤波把提取出来的交流误差信号送到微处理器32中，微处理器32再把此信号分解为方位和俯仰的大小和相位，分解后的大小和方向通过微处理器内的PID处理后，变换成脉冲和方向控制步进电机来消除天线和卫星的偏差。

本发明的一种移动载体卫星天线接收跟踪系统，由GPS天线40、高频头24、与高频头24连接的卫星信号解调电路35、与卫星信号解调电路35连接的波形整形电路36，还包括微控器32、扫描板25、与GPS天线40连接的串行通讯I 39、遥控指示器38、与遥控指示器38连接的串行通讯II 37、方位电机驱动电路44、俯仰电机驱动电路47、极化电机驱动电路41、方位电机15、俯仰电机48、极化器42、天线支架11组成；所述GPS天线40由抛物面天线1、俯仰电机带轮2、方位底盘3、方位大带轮4、方位中心轴5、天线支架11、方位电机支架12、俯仰传动大带轮16、天线支撑弯板18、俯仰轴螺柱19、深沟球轴承28、高频头支架组件26、角接触球轴承27、锁紧螺母29、方位同步带30、俯仰一级同步带31组成；所述扫描板25由基板52、基板上的振子天线50、开关管51组成。

本发明主要部件的作用：

所述微控器32输入为GPS信号，波形整理后的信号，遥控指示器38发来的控制信号；输出信号用于控制扫描板25、极化驱动电路41，方位驱动电路44、俯仰驱动电路47。

所述扫描板25工作原理为电子波束成形也称为电子波束倾斜，使用电子开关管51控制扫描板25上的振子天线50，通过微控器32对其实现对天线波束四个位置的顺序扫描从而使波束发生倾斜，通过波束倾斜的位置而有效地实现信标信号同时空间测量，从而测出天线偏移的相位和幅度，参见图3。

所述卫星信号调解电路35用于提取出卫星信号的强度信号和锁定控制信号。

所述波形整形电路36主要对卫星信号解调电路35提取出的卫星强度信号进行整形滤波，而提取出天线的相位和幅值信号。

所述串行通讯I 39把GPS的地理位置信号送到微处理器32中。

所述串行通讯II 37把天线所要录的卫星的参数通过遥控指示器38的键盘发送到微处理器32中。

所述电机驱动：微处理器32向电机驱动电路发送控制信号，电机驱动电路通过驱动芯片3977控制电机运动。

所述扫描板25的基板52采用0.5mm的环氧基板；所述开关管51采用晶体三极管；所述GPS控制单元采用GM-301gps模块。

下面对本发明的部件名称和名词作进一步说明。

极化：

卫星电视广播信号的极化；

卫星电视广播信号的极化方式有两类：一种是线极化，一种是圆极化。

其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化；在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。

下面介绍一下常用的垂直极化(V)和水平线极化(H)的接收方式。

垂直极化和水平极化的接收，是改变馈源的矩形(长方形)波导口方向来确定接收的是垂直极化或水平极化。当矩形波导口的长边平行于地面时接收的是垂直极化，垂直于地面时接收的是水平极化。极化(极化角)又因地而异有所偏差。因为地球是个球体，而卫星信号的下行波束却是水平直线传播，这就造成不同方位角所收的同一极化信号有所不同，所以地理位置不同，所接收的信号极化方向也有所偏差。

馈源、高频头：

馈源和高频头是卫星接收设备中的组成部分.一般的卫星接上设备由：抛物面天线、馈源、高频头、卫星接收机组成.

馈源：是在抛物面天线的焦点处设置一个收集卫星信号的喇叭，称为馈源，又称波纹喇叭。主要功能有俩个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化。

高频头：(LNB亦称降频器)是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。一般可分为C波段频率LNB(3.7GHz-4.2GHz、18-21V)和Ku波段频率LNB(10.7GHz-12.75GHz、12-14V)。LNB的工作流程就是先将卫星高频讯号放大至数十万倍后再利用本地振荡电路将高频讯号转换至中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆的传输及卫星接收机的解调和工作。在高频头部位上都会有频率范围标识

回波：即卫星信号。

瞄准轴：即对准卫星的直线。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法，其特征在于有以下步骤：

1)系统初始化：定位抛物面天线方位角和俯仰角的零点位置，天线控制单元接收GPS的地理经纬度信号，然后算出抛物面天线对卫星的方位角和俯仰角；

2)抛物面天线根据算出的方位角和俯仰角抬到相应的位置，然后开始大范围搜索，

在搜索过程中，天线控制单元时刻采集卫星锁定电平，当卫星锁定电平有变化时，即天线锁定卫星；

3)当天线锁定卫星后，抛物面天线即转入跟踪状态，在跟踪状态中，抛物面天线根据电子波束扫描的方法来消除误差信号，使抛物面天线时刻对准卫星。

2.如权利要求1所述的一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法，其特征在于所述电子波束扫描的方法步骤：

1)微处理器开关扫描板上的开关管，从而使馈源侧向偏离焦点，形成一个与瞄准轴成一定角度的波束；

2)然后，顺序开关开关管，在空间形成圆锥形波束；

3)当目标在瞄准轴上时，所有回波脉冲幅度相同，无误差信号；当目标偏离瞄准轴时，回波脉冲幅度产生起伏变化，形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号；

4)此交流误差信号通过卫星解调电路输出给波形整形电路，波形整形电路把提取出来的交流误差信号送到微处理器中，微处理器再把此信号分解为方位角和俯仰角的大小和相位，分解后的大小和方向通过PID处理后，变换成脉冲和方向控制步进电机来消除抛物面天线和卫星的偏差。

3.如权利要求1所述的一种移动载体卫星天线接收跟踪系统的控制方法，其特征在于：所述步进电机包括方位电机、俯仰电机。

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