CN102394370B - 卫星天线跟踪装置及其跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星天线跟踪装置及其跟踪方法，涉及卫星通信技术领域，所述装置包括：天线控制器、信标接收机、DVB接收机、陀螺仪、倾斜仪、电子罗盘、GPS接收机、电机驱动器、调整电机组和锥扫电机；其中，信标接收机、DVB接收机、陀螺仪、倾斜仪、电子罗盘、GPS接收机和电机驱动器分别与天线控制器连接，锥扫电机和调整电机组分别与电机驱动器连接；本发明能够使运动中的天线长期保持跟踪卫星，隔离载体的运动对天线平台的姿态影响，并保证天线始终高精度的对准卫星。

Description

卫星天线跟踪装置及其跟踪方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星天线跟踪装置及其跟踪方法。
背景技术
船载卫星通信天线系统与地面固定天线的最大区别在于放置天线的载体是一个移动的摇摆船体，因此需要使天线在运动中保持姿态稳定并长期保持精确跟踪卫星。
传统的船载卫星天线系统采用步进跟踪方式跟踪卫星，这种方式存在以下不足：
一、步进跟踪方式响应速度慢，卫星信号幅度的波动会影响跟踪精度；
二、由于天线机械运动动作复杂、对伺服控制系统驱动天线不利；
三、天线稳定度差，不能使天线面长期保持精确对星状态。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种卫星天线跟踪装置及其跟踪方法，其响应速度快，能够隔离载体的运动对天线平台的姿态影响，使运动中的天线长期保持对星状态，并提高了卫星天线的跟踪精度。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种卫星天线跟踪装置，包括：天线控制器、信标接收机、DVB接收机、陀螺仪、倾斜仪、电子罗盘、GPS接收机、电机驱动器、调整电机组和锥扫电机；
其中，信标接收机、DVB接收机、陀螺仪、倾斜仪、电子罗盘、GPS接收机和电机驱动器分别与天线控制器连接，锥扫电机和调整电机组分别与电机驱动器连接；
所述倾斜仪用于实时检测卫星天线的倾斜度，给出当前卫星天线的水平、倾斜指示；
所述GPS接收机用于实时接收GPS信号并解析出卫星天线当前地理位置的经度和纬度；
所述陀螺仪用于检测天线载体运动的三维姿态参数；
所述电子罗盘用于检测天线载体的运动方向；
所述电机驱动器用于对调整电机组和锥扫电机进行控制；
所述调整电机组用于控制天线的方位、俯仰和极化转动；
所述锥扫电机用于控制天线的副反射面转动；
所述信标接收机用于对接收到的卫星信标信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平；
所述DVB接收机用于对接收到的卫星DVB信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平。
其中，所述调整电机组包括：方位电机、俯仰电机、极化电机、横摇电机和调平电机。
其中，所述陀螺仪为三轴陀螺仪。
其中，所述装置还包括上位机，用于对天线控制器进行控制。
一种利用前述的卫星天线跟踪装置进行卫星天线跟踪的方法，包括以下步骤：
S1：倾斜仪、GPS接收机、电子罗盘和陀螺仪将其获取的反映天线状态的参数发送给天线控制器；
S2：天线控制器根据所述参数计算出天线的方位角、极化角和俯仰角，并通过电机驱动器驱动调整电机组工作，使天线粗略对准卫星方向；
S3：天线控制器通过电机驱动器驱动锥扫电机工作，卫星天线的副反射面在锥扫电机控制下围绕天线的主波束轴快速转动，使天线波束围绕主波束轴旋转，当卫星偏离旋转轴方向时，接收信号为调制信号；
S4：信标接收机和DVB接收机检测出该调制信号，并对信号进行处理，解调出方位和俯仰误差角的误差信号；
S5：天线控制器根据接收的误差信号中方位和俯仰误差角的大小，控制天线向误差减小的方向转动，直至天线波束对准卫星。
其中，所述的步骤S4中，对信号进行处理包括：利用波束旋转时产生的正交基准信号对调制信号进行处理的步骤。
其中，所述步骤S2还包括：通过调整电机组控制天线的方位、俯仰和极化转动的步骤。
其中，所述方法通过上位机对所述天线控制器进行控制。
(三)有益效果
本发明通过采用基于天线副反射面旋转的圆锥扫描跟踪技术，跟踪响应快、稳定度和精确度高，可以使船载卫星天线长时间保持对星状态；本发明所述装置把天线的驱动机构和稳定机构融为一体，依靠高精度、高灵敏度的惯性测量元件陀螺仪敏感船的摇摆，通过坐标变换和耦合分解计算出系统对船摇的补偿角，利用天线驱动机构随时调整天线座姿态，使其能够隔离载体的运动对天线平台的姿态影响，使运动中的天线长期保持对星状态，并提高了卫星天线的跟踪精度。
附图说明
图1为本发明实施例中所述卫星天线跟踪装置的结构图；
图2为本发明实施例中所述卫星天线跟踪方法的流程图；
图3为本发明实施例中天线圆锥扫描的控制原理图；
图4为本发明实施例中天线圆锥扫描结构图；
图5为本发明实施例中调制信号的幅度与卫星位置关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的卫星天线跟踪装置，包括：天线控制器1、信标接收机2、DVB接收机3、陀螺仪4、倾斜仪5、电子罗盘6、GPS接收机7、电机驱动器8、调整电机组9和锥扫电机10；
其中，信标接收机2、DVB接收机3、陀螺仪4、倾斜仪5、电子罗盘6、GPS接收机7和电机驱动器8分别与天线控制器1连接，锥扫电机10和调整电机组9分别与电机驱动器8连接；
所述倾斜仪5用于实时检测卫星天线的倾斜度，给出当前卫星天线的水平、倾斜指示；
所述GPS接收机7用于实时接收GPS信号并解析出卫星天线当前地理位置的经度和纬度；
所述陀螺仪4用于检测天线载体运动的三维姿态参数；陀螺仪4为三轴陀螺仪；三轴陀螺仪为高精度、高灵敏度的惯性测量元件；
所述电子罗盘6用于检测天线载体的运动方向；
所述电机驱动器8用于对调整电机组和锥扫电机进行控制；
所述调整电机组9用于控制天线的方位、俯仰和极化转动；
所述锥扫电机用10于控制天线的副反射面转动；
所述信标接收机2用于对接收到的卫星信标信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平；
所述DVB接收机3用于对接收到的卫星DVB信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平。直流电平为天线寻星的参考信号，当该电平最大时，天线对星最准确；直流电平经A/D采样送到天线控制器1，作为寻星参考信号。
所述调整电机组9包括：方位电机、俯仰电机、极化电机、横摇电机和调平电机。
所述装置还包括上位机，用于对天线控制器1进行控制。
如图2所示，本发明所述的卫星天线跟踪方法，包括以下步骤：
S1：倾斜仪5、GPS接收机7、电子罗盘6和陀螺仪4将其获取的反映天线状态的参数发送给天线控制器1；
S2：天线控制器1根据所述参数计算出天线的方位角、极化角和俯仰角，并通过电机驱动器8驱动调整电机组9工作，使天线粗略对准卫星方向；
本步骤中，天线控制器1采用基于模糊推理的参数自适应PID(比例-积分-微分)控制算法，通过坐标变换和耦合分解计算出装置对船摇的补偿角，随时调整天线座姿态，使天线保持稳定的基础上，实现隔离船摇，如图3所示，稳定跟踪回路等效为以卫星角坐标和船摇角速度为输入，天线角坐标为输出的闭环控制装置，根据GPS接收机7提供的运动物体的实时经纬度、电子罗盘6提供的航偏角经运算后，控制电机驱动器8迅速捕获到目标卫星；在捕获到卫星后，再根据波束圆锥扫描输出误差信号对天线作闭环跟踪补偿，对卫星进行持续跟踪；
S3：天线控制器1通过电机驱动器8驱动锥扫电机10工作，卫星天线的副反射面在锥扫电机10控制下围绕天线的主波束轴快速转动，使天线波束围绕主波束轴旋转，当卫星偏离旋转轴方向时，接收信号为调制信号；
本步骤中，当天线对准卫星后，天线的副反射面在锥扫电机10的控制下，以一定的转速围绕天线的主波束轴做快速圆周运动进行圆锥扫描(见图4)，使天线波束围绕旋转轴以一定的频率旋转，当卫星偏离旋转轴方向时，接收信号是被波束旋转频率调制了的信号(如图5所示)，调制信号的幅度和相位分别取决于卫星偏离旋转轴的大小和方向；
S4：信标接收机2和DVB接收机3检测出该调制信号，并对信号进行处理，解调出方位和俯仰误差角的误差信号；
本步骤中，信标接收机2和DVB接收机3检测出调制信号后，利用波束旋转时产生的正交基准信号对检出的调制信号进行一系列的信号处理，解调出方位和俯仰误差角的直流误差信号。
本步骤中，对信号进行处理包括：利用波束旋转时产生的正交基准信号对调制信号进行处理的步骤。通过调整电机组9，可以控制天线的方位、俯仰和极化转动，从而使天线粗略对准卫星。
S5：天线控制器1根据接收的误差信号中方位和俯仰误差角的大小，控制天线向误差减小的方向转动，直至天线波束对准卫星。
所述方法通过上位机对所述天线控制器1进行控制。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种卫星天线跟踪装置，其特征在于，包括：天线控制器（1）、信标接收机（2）、DVB接收机（3）、陀螺仪（4）、倾斜仪（5）、电子罗盘（6）、GPS接收机（7）、电机驱动器（8）、调整电机组（9）和锥扫电机（10）；
其中，信标接收机（2）、DVB接收机（3）、陀螺仪（4）、倾斜仪（5）、电子罗盘（6）、GPS接收机（7）和电机驱动器（8）分别与天线控制器（1）连接，锥扫电机（10）和调整电机组（9）分别与电机驱动器（8）连接；
所述倾斜仪（5）用于实时检测卫星天线的倾斜度，给出当前卫星天线的水平、倾斜指示；
所述GPS接收机（7）用于实时接收GPS信号并解析出卫星天线当前地理位置的经度和纬度；
所述陀螺仪（4）用于检测天线载体运动的三维姿态参数；
所述电子罗盘（6）用于检测天线载体的运动方向；
所述天线控制器（1）用于基于模糊推理的参数自适应PID控制算法，通过坐标变换和耦合分解计算出装置对船摇的补偿角，实时调整电机驱动器的工作；
所述电机驱动器（8）用于对调整电机组和锥扫电机进行控制；
所述调整电机组（9）用于控制天线的方位、俯仰和极化转动；
所述锥扫电机用（10）于控制天线的副反射面转动；
所述信标接收机（2）用于对接收到的卫星信标信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平；
所述DVB接收机（3）用于对接收到的卫星DVB信号进行解调，得到与接收信号成比例的直流电平。
2.如权利要求1所述的卫星天线跟踪装置，其特征在于，所述调整电机组（9）包括：方位电机、俯仰电机、极化电机、横摇电机和调平电机。
3.如权利要求1所述的卫星天线跟踪装置，其特征在于，所述陀螺仪为（4）三轴陀螺仪。
4.如权利要求1所述的卫星天线跟踪装置，其特征在于，还包括上位机，用于对天线控制器进行控制。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的卫星天线跟踪装置进行卫星天线跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：倾斜仪（5）、GPS接收机（7）、电子罗盘（6）和陀螺仪（4）将其获取的反映天线状态的参数发送给天线控制器（1）；
S2：天线控制器（1）根据所述参数计算出天线的方位角、极化角和俯仰角，利用基于模糊推理的参数自适应PID控制算法，通过坐标变换和耦合分解计算出装置对船摇的补偿角，并通过电机驱动器（8）驱动调整电机组（9）工作，使天线粗略对准卫星方向；
S3：天线控制器（1）通过电机驱动器（8）驱动锥扫电机（10）工作，卫星天线的副反射面在锥扫电机（10）控制下围绕天线的主波束轴快速转动，使天线波束围绕主波束轴旋转，当卫星偏离旋转轴方向时，接收信号为调制信号；
S4：信标接收机（2）和DVB接收机（3）检测出该调制信号，并对信号进行处理，解调出方位和俯仰误差角的误差信号；
S5：天线控制器（1）根据接收的误差信号中方位和俯仰误差角的大小，控制天线向误差减小的方向转动，直至天线波束对准卫星。
6.如权利要求5所述的卫星天线跟踪方法，其特征在于，所述的步骤S4中，对信号进行处理包括：利用波束旋转时产生的正交基准信号对调制信号进行处理的步骤。
7.如权利要求5所述的卫星天线跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：通过调整电机组（9）控制天线的方位、俯仰和极化转动的步骤。
8.如权利要求5所述的卫星天线跟踪方法，其特征在于，通过上位机对所述天线控制器（1）进行控制。
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