CN106602261A - 一种船载卫星通信系统及船载天线跟踪卫星的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船载卫星通信系统及船载天线跟踪卫星的方法，其中的船载卫星通信系统包括天线底座、卫星通信天线、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元；所述卫星通信天线设置在所述天线底座上，用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星的Ku或者L波段通信信号；所述MEMS惯性测量单元设置在所述天线底座上，用于获取船体的姿态参数；所述伺服驱动单元设置在所述天线底座上，用于驱动所述卫星通信天线转动，以调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。其可确保卫星通信天线系统在浪涌状态下精确跟踪卫星，减少了MEMS惯性测量单元的安装复杂性，整体结构紧凑、体积小。

Description

一种船载卫星通信系统及船载天线跟踪卫星的方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种船载卫星通信系统及船载天线跟踪卫星的方法。

背景技术

载体在移动过程中，由于其姿态和地理位置发生变化，会引起原对准卫星天线偏离卫星，使通信中断，因此必须对载体的这些变化进行隔离，使天线不受影响并始终对准卫星，这就是天线稳定系统要解决的主要问题，也是移动载体进行不间断卫星通信的前提。

卫星通信系统很好地解决了船体在姿态和航向连续变化的情况下，卫星天线波束始终指向距离地球36000公里外的通信卫星，能实时不间断地接收和发送文件、语音、视频、图像、传真等各种数据信息，实现了海上的通信链路，是当前卫星通信行业发展迅猛的应用领域，能满足各种军民用应急通信和移动条件下多媒体通信的需要。

船载卫星通信天线是卫星通信系统的重要组成部分，主要应用于近海及远洋航行的船只，随海浪颠簸起伏状态下跟踪对准卫星，完成通信信号的接收和发送。但相对海上恶劣的工作环境，现有动中通天线存在体积、重量大、安装复杂、稳定性不高等缺陷，导致卫星通信天线跟踪卫星的精度不高，天线寿命短等问题。

发明内容

为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种船载卫星通信系统，其将MEMS惯性测量单元和伺服驱动单元安装在天线底座上，可确保卫星通信天线系统在浪涌状态下精确跟踪卫星，减少了MEMS惯性测量单元的安装复杂性，整体结构紧凑、体积小。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种船载卫星通信系统，其包括天线底座、卫星通信天线、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元；

所述卫星通信天线设置在所述天线底座上，用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星的Ku或者L波段通信信号；

所述MEMS惯性测量单元设置在所述天线底座上，用于获取船体的姿态参数；

所述伺服驱动单元设置在所述天线底座上，用于驱动所述卫星通信天线转动，以调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括GPS、姿态解算单元和控制单元；

所述GPS设置于所述天线底座上，用于获取船体的定位信息；

所述姿态解算单元用于根据目标卫星的对星参数、所述船体的定位信息以及姿态参数进行坐标变换和解算，并用于计算所述卫星通信天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

所述控制单元用于根据计算的所述卫星通信天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。

进一步，所述卫星通信天线的高度小于30cm。

进一步，所述卫星通信天线为环焦天线，所述卫星通信天线的反射面为碳纤维反射面。

进一步，所述卫星通信天线的等效口径不小于85cm。

进一步，所述伺服驱动单元包括驱动电机和与所述驱动电机的输出轴连接的行星减速机。利用行星减速机减小力矩,从而可以使用更加微小的电机驱动。

进一步，所述天线罩的表面涂覆有耐高温透波材料。

本发明还提供一种船载卫星通信天线跟踪卫星的方法，其包括：

利用GPS获得船体所在的地理经度和维度，利用MEMS惯性测量单元获得船体的姿态参数；

姿态解算单元根据目标卫星的对星参数、所述船体的地理经度、维度以及所述船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

控制单元根据所述计算出的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动。

进一步，还包括天线跟踪误差修正的步骤，具体包括：信标接收机将所述目标卫星的信标信号转换成直流信号，所述控制单元根据所述直流信号驱动所述卫星通信天线转动，调节跟踪误差。

进一步，还包括换星跟踪步骤，具体包括：

所述控制单元发送换星参数到所述姿态解算单元；

所述姿态解算单元根据所述换星参数、所述船体的地理经度、维度以及所述船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

所述控制单元根据计算的卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动。

本发明提供的船载卫星通信天线跟踪卫星的方法，其利用MEMS惯性测量单元与伺服驱动单元和控制单元协同工作，姿态控制时延小，实时性好，可确保卫星通信天线在浪涌状态下精确跟踪卫星；在船体移动过程中能够进行动态换星，精度高、时间快。

附图说明

图1至3为本发明实施例一提供的船载卫星通信系统的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的船载卫星通信天线跟踪卫星的方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-天线底座，2-卫星通信天线，3-天线罩，4-提手,5-罩盖。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1至3所示，本实施例提供了一种船载卫星通信系统，其包括天线底座1、卫星通信天线2、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元；其中的卫星通信天线2、MEMS惯性测量单元和伺服驱动单元均安装在天线底座1上；卫星通信天线2用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星的Ku或者L波段通信信号；MEMS惯性测量单元用于获取船体的姿态参数；伺服驱动单元用于驱动所述卫星通信天线转动，以调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。

将卫星通信天线2、MEMS惯性测量单元和伺服驱动单元集中安装在天线底座1上，实现MEMS惯性测量单元与伺服驱动单元、卫星通信天线2的一体化设计，确保卫星通信系统在浪涌状态下精确跟踪卫星，整体结构紧凑、体积小，能满足各类船只的安装要求。

为实现船载卫星通信系统精确跟踪卫星，利用设置在天线底座上的GPS单元获取船体的定位信息，除了给MEMS惯性测量单元提供初始定位信息外，还可为站内提供GPS定位信息，如经纬度、海拔高度、船只行驶速度等定位信息。并利用姿态解算单元接收监控的对星命令或换星命令，根据其接收到的对星参数或换星参数、船体的定位信息及姿态参数实时输出卫星通信天线对准卫星的方位、俯仰、极化角位置，并通过控制单元控制伺服驱动单元的运行，利用伺服驱动单元中的驱动电机和行星减速机驱动卫星通信天线的转动，通过行星减速机减小力矩，可使用更加微小的驱动电机进行驱动，减小该卫星通信系统的整体体积，并使得卫星通信天线实时对准卫星，达到精确跟踪卫星的效果。

在本实施例的其中一个优选实施方式中，该卫星通信天线2可采用低轮廓船载卫星通信天线，其高度优选为小于30cm，具体可采用等效口径不小于85cm的环焦天线，其反射面为碳纤维反射面，其重量轻、增益高、极化隔离度高，船内状态和海域场景两路应急视频监控回传需求能在全国海域范围内稳定跟踪在轨同步轨道卫星信号，适应性广。

在天线底座1上还可设置罩设卫星通信天线、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元的天线罩3，在天线底座1上设置有与该天线罩3相配合的罩盖5，将天线罩的开口端扣设在罩盖上，优选地，天线罩3和罩盖5均为圆形结构，并在天线罩3的表面涂覆耐高温透波材料，消除雨膜损耗，卫星通信天线、MEMS惯性测量单元、伺服驱动单元及GPS等部件均设置在由天线罩3和罩盖构成的腔体中，从而将这些器件封闭在由天线罩3和罩盖构成的腔体中，在保护器件的同时，还可使得其整体结构紧凑、简洁。还可在天线底座1上设置多个提手4，优选地，在该天线底座1的四个边角处分别设置一个提手4。

本实施例提供的船载卫星通信系统，减少了MEMS惯性测量单元的安装复杂性，安装简单，用户可自行卸载和安装卫星通信天线，无需专门校准，维护性好；姿态控制时延小，精度高、实时性好；整机高度低、结构就凑、体积和重量均较小，可满足各类船只的安装要求和跟踪需求。

实施例二

基于实施例一提供的船载卫星通信系统，如图4所示，本实施例提供了一种船载卫星通信天线跟踪卫星的方法，其包括：

S1：利用GPS获得船体所在的地理经度和维度，利用MEMS惯性测量单元获得船体的姿态参数；

S2：姿态解算单元根据目标卫星的对星参数、所述船体的地理经度、维度以及所述船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

S3：控制单元根据所述计算出的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动。

利用GPS测出船体所在的地理经度和纬度，利用MEMS惯性测量单元测量出船体的姿态参数(包括船体相对正北方向的航向角、船体相对水平面的横滚角和俯仰角)，将船体所在的地理经度、温度及姿态参数及时发送至姿态解算单元，由姿态解算单元进行坐标变化和解算，转换成控制单元所需要的数据，并根据此数据进行计算，得到最终天线所需要转动的角度，随后控制单元控制伺服驱动单元，使卫星通信天线转动至所需的角度，驱动卫星通信天线始终对准卫星。

为进一步提高卫星通信天线跟踪卫星的精度，还可利用信标接收机进行天线跟踪误差修正，信标接收机将目标卫星的信标信号转换成直流信号，送到控制单元，控制单元驱动电机带动卫星通信天线向减小误差的方向运动，直到误差最小，从而可保证精确对星。

在船体移动过程中还可进行动态换星，控制单元将换星参数发送给姿态解算单元，姿态解算单元根据换星参数、船体的地理经度、维度以及船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；控制单元根据计算的卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角控制伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动，实现对换星后的目标卫星的精确跟踪，整个换星跟踪过程的时间快、精度高。

采用实施例一提供的船载卫星通信系统，结合本实施例提供的船载卫星通信天线跟踪卫星的方法，对星时间短，常态时小于2分钟；卫星通信天线可在静止、晃动和行进状态下冷启动快速跟星；在船体移动过程中能够进行动态换星，精度高、时间快；高动态情况下，如高速、加减速、颠簸、转圈、8字转弯等状态下，该卫星通信系统跟踪稳定，信号平均波动≤1dB；当卫星通信天线长时间被遮挡而导致丢星，遮挡消除后可快速、短时遮挡，如遮挡10分钟，可在1秒内恢复，若长时遮挡，如大于10分钟，则可在10秒内恢复。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船载卫星通信系统，其特征在于，包括天线底座、卫星通信天线、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元；

所述卫星通信天线设置在所述天线底座上，用于收发地球同步轨道通信卫星或小倾角地球同步轨道通信卫星的Ku或者L波段通信信号；

所述MEMS惯性测量单元设置在所述天线底座上，用于获取船体的姿态参数；

所述伺服驱动单元设置在所述天线底座上，用于驱动所述卫星通信天线转动，以调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。

2.根据权利要求1所述的船载卫星通信系统，其特征在于，还包括GPS、姿态解算单元和控制单元；

所述GPS设置于所述天线底座上，用于获取船体的定位信息；

所述姿态解算单元用于根据目标卫星的对星参数、所述船体的定位信息以及姿态参数进行坐标变换和解算，并用于计算所述卫星通信天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

所述控制单元用于根据计算的所述卫星通信天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元调整所述卫星通信天线的方位角、俯仰角和极化角。

3.根据权利要求1或2所述的船载卫星通信系统，其特征在于，所述卫星通信天线的高度小于30cm。

4.根据权利要求1或2所述的船载卫星通信系统，其特征在于，所述卫星通信天线为环焦天线，所述卫星通信天线的反射面为碳纤维反射面。

5.根据权利要求4所述的船载卫星通信系统，其特征在于，所述卫星通信天线的等效口径不小于85cm。

6.根据权利要求1或2所述的船载卫星通信系统，其特征在于，所述伺服驱动单元包括驱动电机和与所述驱动电机的输出轴连接的行星减速机。

7.根据权利要求1或2所述的船载卫星通信系统，其特征在于，还包括天线罩，所述天线罩罩设在天线底座上，用于覆盖所述卫星通信天线、MEMS惯性测量单元及伺服驱动单元。

8.一种船载卫星通信天线跟踪卫星的方法，其特征在于，包括：

利用GPS获得船体所在的地理经度和维度，利用MEMS惯性测量单元获得船体的姿态参数；

姿态解算单元根据目标卫星的对星参数、所述船体的地理经度、维度以及所述船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出天线对准所述目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

控制单元根据所述计算出的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动。

9.根据权利要求8所述的船载天线跟踪卫星的方法，其特征在于，还包括天线跟踪误差修正的步骤，具体包括：信标接收机将所述目标卫星的信标信号转换成直流信号，所述控制单元根据所述直流信号驱动所述卫星通信天线转动，调节跟踪误差。

10.根据权利要求8或9所述的船载天线跟踪卫星的方法，其特征在于，还包括换星跟踪步骤，具体包括：

所述控制单元发送换星参数到所述姿态解算单元；

所述姿态解算单元根据所述换星参数、所述船体的地理经度、维度以及所述船体的姿态参数进行坐标变换和解算，计算出卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角；

所述控制单元根据计算的卫星通信天线对准换星后的目标卫星所需的方位角、俯仰角和极化角控制所述伺服驱动单元驱动所述卫星通信天线的转动。